CC BY
36
УДК 66.048.3.069.835
А. В. Панкрушина*, Т.Н Гартман, Е.П. Моргунова
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125047, Москва, Миусская пл., 9
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗЕОТРОПНОЙ ЖИДКОЙ СИСТЕМЫ ПУТЕМ ОЦЕНКИ СУММАРНЫХ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК КИПЯТИЛЬНИКОВ И КОНДЕНСАТОРОВ.
С применением моделирующей программы CHEMCAD были разработаны процедуры расчета комплексов ректификационных колонн со связанными тепловыми и материальными потоками для разделения зеотропных и азеотропных смесей. При расчете зеотропных смесей реализовано 8 вариантов комплексов колонн с различной комбинацией отпарных и укрепляющих секций. С учетом тепловых нагрузок в ректификационных колоннах проведен анализ затрат на проведение процессов.
Ключевые слова: разделение зеотропных смесей, колонны с полностью и частично связанными тепловыми и материальными потоками.
Процессы ректификации являются одними из самых энергоемких процессов химической технологии, и их эффективность часто определяет экономику производства в целом. В ряде случаев на разделение методом ректификации смесей органических продуктов затрачивается до 70% всей энергии, необходимой для их производства. Такие особенности производственных процессов как непрерывность и многотоннажность приводят к тому, что даже относительно невысокие снижение энергозатрат, повышение качества товарных фракций обеспечивают значительный
экономический эффект для технологии в целом.
Поэтому синтез оптимальных технологических схем ректификационного разделения является одной из важных проблем в химической технологии. Сложность выбора оптимального технологического решения связана, с одной стороны, с высокой вариантностью схем разделения, а с другой, зависимостью структуры оптимальной схемы от исходного состава питания. Как правило разделению подвергаются многокомпонентные смеси как простых зеотропных, так и сложных азеотропных смесей.
В качестве основного элемента технологических схем ректификации многокомпонентных смесей в большинстве случаев принимается полная ректификационная колонна. Однако технико-экономические показатели процесса значительно улучшаются при использовании сложных ректификационных колонн с несколькими сырьевыми потоками, промежуточными отборами продуктов, промежуточными подогревателями и конденсаторами-холодильниками; при реализации технологических схем одноколонных систем
ректификации с двумя давлениями, с тепловым насосом или с конденсационно-испарительным принципом разделения. В этом случае принято считать, что разделение осуществляется в комлексах ректификационных колонн со связанными тепловыми и материальными потоками.
Применение технологических схем с многосекционными колоннами ректификацион-ных комплексов по сравнению с обычными схемами обеспечивает экономию энергии примерно на 20% и снижение капитальных затрат на 20% за счет сокращения диаметра колонны и исключения части конденсаторов и кипятильников [1].
Перечисленные методы обуславливают интерес к созданию компьютерных моделей установок для разделения различных зеотропных и азеотропных смесей с применением комплексов
ректификационных колонн с отпарными и укрепляющими секциями , поиску оптимальных параметров работы данных установок, снижением энергозатрат и как следствие материальной выгоде.
В результате с помощью пакета CHEМCAD были построены модели при условии четкого разделения компонентов 0.99 (мол. доля) трехкомпонентной зеотропной системы «Этанол - Пропанол -Бутанол».
Для разделения смеси «Этанол-Пропанол-Бутанол» было выбрано 8 схем разделения, представленных на рис.1
Схема 1 и 2 на рис.1 демонстрирует вариант обычной ректификации. В обоих случаях сначала в одной колонне отделяют один компонент от двух остальных, а затем в другой колонне разделяют эти два компонента друг от друга.
Рис. 1. Схемы разделения зеотропной смеси «Этанол-Пропанол-Бутанол»
Схема 3 пример комплекса с обратимым смешением потоков в каждой секции исчерпывается только один компонент, т.е. в каждой колонне ключевыми являются крайние по летучести компоненты. Тепловая связь между колоннами осуществляется путем противо-положно
направленных потоков пара и жидкости между точками питания и концевыми точками колонн.
Схема 4 пример комплекса с полностью связанными тепловыми и материальными потоками. Для комплексов со связанными тепловыми и материальными потоками каждая колонна в точке питания, в концевой или промежуточных точках соединяются со смежными колоннами, противоположно направленными паровыми и жидкостными потоками. В таких схемах необходимо иметь всего лишь по одному конденсатору и кипятильнику независимо от числа колонн.
Схемы 5 и 6 пример колонн с боковым отбором.
Схемы 6 и 7 пример колонна со стриппингом -сложную колонну с дополнительной боковой отпарной или укрепляющей секцией, снабженной кипятильником или конденсатором соответственно. В стриппинг-секцию подается поток бокового погона, одна часть которого отбирается в качестве продукта, а другая возвращается обратно в главную колонну.
Для построения моделей мы использовали строгий модуль расчета ректификационной калонны (БСББ) в СИЕМСЛБ.
Состав исходной смеси мы выбрали следующий [4]:
Температура = 85°С;
Давление = 1 атм;
Общий расход = 60 кмол/мин;
Мольные доли веществ: Этанол = 0,333;
Пропанол = 0,333;
Бутанол = 0,334;
В ходе исследований рассчитано: число тарелок (при сравнении различных вариантов комплексов
(рис.1 комплексы №1-8) выдержано в одном диапазоне для более корректной оценки эффективности, тарелки питания и отбора каждой колонны в каждом ректификационном комплексе. Определены флегмовые, паровые числа, расходы и составы потоков рецикла. Для каждой отдельной схемы были подобраны свои оптимальные параметры межтарельчатого расстояния, диаметра колонн и процента захлебывания для достижения наилучших показателей тепловых нагрузок.
Снижение тепловых нагрузок добивалось с помощью уменьшения флегмового числа, которое в свою очередь зависело от числа тарелок в колонне, выбора парового числа, а также от параметров рециклических потоков. Так же были проведены исследования влияния типов тарелок на межтарельчатое расстояние, диаметр колонны, процент захлебывания, КПД тарелки и гидравлическое сопротивление. Мы рассматривали три вида тарелок: клапанные, колпачковые и ситчатые. Сходимость мы добивались с помощью уточнения параметров при выборе модели фазового равновесия. А именно выбором метода сходимости, числом максимальных итераций, уменьшением точности.
В результате были получены следующие данные:
Таблица 1. Суммарные тепловые нагрузки комплексов колонн для каждой схемы из рис.1.
Суммарная тепловая нагрузка
№ схемы кипятильника и конденсатора (по модулю), МДж/ч.
1 865 183
2 744 380
3 1 323 933
4 508 734
5 1 584 936
6 1 592 553
7 681 665
8 821 425
Из таблицы 1 мы видим, что наиболее эффективным вариантом является схема №4, что является моделью с полностью связанными тепловыми и материальными потоками.
В целом комплексы с полностью и частично связанными тепловыми и материальными потоками позволяют весьма значительно снизить энергетические и материальные затраты на разделение разнообразных смесей.
В результате исследований, проведенных с использованием моделирующей программы CHEMCAD, разработаны процедуры расчета комплексов ректификационных колонн: - для зеотропной смеси «Этанол - Пропанол -Бутанол» определены оптимальное число тарелок и тарелка питания в каждой колонне, флегмовые и паровые числа, тепловые нагрузки кипятильника и конденсатора и выбрана наиболее эффективная установка.
Панкрушина Алла Вадимовна аспирантка кафедры информатики и компьютерного проектирования РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Гартман Томаш Николаевич д.т.н, профессор, заведующий кафедрой информатики и компьютерного проектирования РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Моргунова Елена Павловна - профессор кафедры процессов и аппаратов химической технологии, РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Александров И.А. Перегонка и ректификация в нефтепереработке. -М.:Химия, 1981, 352 стр.
2. Жаров В.Т., Серафимов Л.А. Физико-химические основы дистилляции и ректификации. Л., «Химия», 1975 - с 205-206.
3. Гартман Т.Н, Клушин Д.В., «Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов» М.:ИКЦ №Академкнига», 2006. -412 с.:ил.
4. Operation of Integrated Three-Product (Petlyuk) Distillation, Erik A. WolW and Sigurd Skogestad*
University of Trondheim, N-7034 Trondheim-NTH, Norway - с. 2094-2103
Pankrushina Alla Vadimovna*, Gartman Tamas Nikolaevich, Morgunova Elena Pavlovna D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]
ANALYSIS OF EFFICIENCY DISSTILATION COMPLEXES FOR SEPARATION ZEOTROPIC LIQUID SYSTEM BY ASSESSING THE TOTAL HEAT LOADS BOILER AND CONDENSER.
Abstract
With the application of modeling CHEMCAD programs have been developed procedures for calculating complex distillation columns with associated heat and material flows for the separation of zeotropic and azeotropic mixtures. When calculating zeotropic mixtures sold 8 different complexes of columns with different combination of stripper and reinforcing sections. In view of the heat load in the distillation columns for carrying out the analysis process costs.
Key words: separation of zeotropic mixtures, columns with fully and partly coupled heat and material flows.
