На правах рукописи

Аббаси Моханд Кадир Баки

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ПРОЦЕССАХ РЕКТИФИКАЦИИ БИНАРНЫХ И

МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ

05.17.08– Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2014

Работа выполнена на кафедре «Процессы и аппараты химической технологии им.

Н.И. Гельперина» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В.

Ломоносова» (МИТХТ им. М.В. Ломоносова) доктор технических наук, профессор

Научный руководитель:

Захаров Михаил Константинович

Официальные оппоненты:

Ефремов Герман Иванович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры Проектирования технологических линий и комплексов в химической промышленности Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ) Долматов Борис Борисович, кандидат технических наук, зам. технического директора – начальник технологического отдела ООО «НПФ ЭИТЭК»

Ведущая организация:ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева»

Защита состоится 17. 06. 2014 г. в 16 час. на заседании диссертационного совета Д 212.120.02 при Московском государственном университете тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова по адресу: 119571, г. Москва, пр. Вернадского, д. 86, ауд. М-119.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московского государственного университета тонких химических технологий им.

М.В. Ломоносова www.mitht.ru

Автореферат разослан 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Анохина Елена Анатольевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные нефтеперерабатывающие, нефтехимические и химические предприятия являются крупными потребителями энергоресурсов всех видов. Значительная доля затрат тепловой энергии приходится на разделение жидких смесей как при получении чистых готовых продуктов, так и на стадиях подготовки сырья. Среди существующих методов разделения жидких бинарных смесей (кристаллизация, перегонка, мембранное разделение и др.) процессы перегонки являются одними из самых энергоёмких.

На этот метод разделения идут в тех случаях, когда другие методы оказываются неприемлемыми. Повышенная энергоёмкость процессов перегонки связана, прежде всего, с большой теплотой парообразования (по сравнению, например, с теплотой плавления) компонентов разделяемой смеси. Среди методов перегонки наиболее энергосберегающим является метод ректификации, применяемый, как правило, при получении достаточно чистых продуктов. Многократная (по числу тарелок в ректификационной колонне) конденсация пара на тарелках с одновременным испарением жидкости и образованием пара нового состава делает процесс ректификации значительно более энергосберегающим, чем другие процессы перегонки: дистилляция, выпаривание и т.п. При этом энергозатраты на разделение смеси зависят от их способности разделяться методом ректификации и от качества получаемых продуктов.

Снижение энергетических затрат процесса ректификации приводит к уменьшению себестоимости выходной продукции, повышает рентабельность производства в целом, а также улучшает экологическое состояние окружающей среды.

Цель работы. Анализ и оценка внутреннего энергосбережения в процессе ректификации и способов уменьшения затрат теплоты на разделение бинарных и многокомпонентных смесей.

Научная новизна.

Введена новая характеристика разделительной способности бинарных смесей вместо использованной ранее относительной летучести компонентов.

Численные значения этой характеристики лежат в пределах от 0 до 1 для всех бинарных систем.

Предложена количественная оценка качества разделения в виде критерия Ер, зависящего от концентраций низкокипящего компонента (НКК) в исходной смеси (x1), в верхнем (x2) и нижнем (x0) продуктах.

На основе этих характеристик получено новое выражение для минимального удельного расхода теплоты в кипятильнике ректификационной колонны, позволившее выполнить полный анализ влияния разделительной способности систем и качества разделения на затраты при ректификации.

Найдены граничные значения коэффициентов избытка флегмы гр, больше которых предварительная конденсация исходной парожидкостной смеси приводит к уменьшению затрат теплоты в кипятильнике.

Предложены выражения для количественной оценки внутреннего энергосбережения в одной ректификационной колонне и в системе из нескольких колонн.

Выявлена зависимость затрат теплоты от внутреннего энергосбережения при ректификации бинарных и тройных смесей.

Практическая значимость. Предложенная в работе оценка внутреннего энергосбережения в отдельной колонне и системе из двух и более колонн позволяет сделать корректный выбор оптимальных (с энергетической точки зрения) вариантов ректификации жидких смесей.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в работах, в том числе в 3 статьях, опубликованных в журналах, включенных в перечень научных изданий ВАК РФ и тезисах 3-х докладов на научных конференциях.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на 2 научных конференциях: ІV Всероссийская конференция по хим.технологии, Москва, 2012; Два доклада на ІІІ Международной научнотехнической конференции «Нестационарные энерго- и ресурсосберегающие процессы и оборудование в химической, нано- и биотехнологии».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка условных обозначений и библиографии. Диссертация изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу и 57 рисунков.

Список литературы включает 52 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе проведен анализ научной литературы по вопросам энергосбережения при ректификации. Рассмотрена теория термодинамически обратимой ректификации и способы приближения реальных вариантов разделения к этому наименее затратному процессу. Подробно рассмотрены все известные способы энергосбережения, включающие простую рекуперацию теплоты уходящих потоков, применение тепловых насосов, теплоинтегрирование, и другие.

Вместе с тем, при разработке энергосберегающих способов ведения процесса ректификации не уделено должного внимания оценке эффективности использования пара, поднимающегося по колонне, а именно: его многократную конденсацию (по числу тарелок в колонне) с передачей выделяющейся при этом теплоты встречному потоку жидкости для ее испарения.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу затрат теплоты при ректификации бинарных смесей [3].

Общепринято оценивать способность жидких смесей разделяться методами перегонки коэффициентом относительной летучести А реальных смесей находится в пределах от 1 до. На кафедре ПАХТ МИТХТ им.

М.В. Ломоносова предложено характеризовать разделительную способность бинарных смесей величиной Р (разделяемость смеси), связанной с относительной летучестью компонентов следующим соотношением:

Это более удобная характеристика, так как для различных смесей она находится в пределах от 0 до 1 в то время как изменяется от 1 до.

При разделении бинарной смеси L1 состава x1 получают верхний продукт в количестве П с преимущественным содержанием в нем НКК - х2 и нижний продукт в количестве L0, который содержит незначительное количество НКК - х0.

Исходя из определения критерия разделения Ер как разность выхода целевого компонента и выхода примеси, получается:

Критерий разделения Ер зависит, естественно, от концентраций низкокипящего компонента (НКК) в исходной смеси (x1), в верхнем (x2) и нижнем (x0) продуктах, но не зависит от потоков П и L0, поскольку последние в соответствии с материальными балансами определяются заданными составами.

Затраты теплоты в кипятильнике ректификационной колонны Qк связаны с отводом теплоты в конденсаторе Qконд балансовым соотношением:

Теплоты, подводимые и отводимые жидкостными потоками, примерно одинаковы: L1c1t1 Пc2t2 +L0c0t Тогда из равенства (3) получаем Qк Qконд.

С допущением о равенстве Qк и Qконд можно считать Qк = П(R+1)r2.

Благодаря этому допущению можно считать, что в режиме работы колонны с минимальным флегмовым числом Rmin затраты теплоты равны:

Считая разделяемую смесь идеальной, то есть подчиняющейся закону Рауля, При минимальном флегмовом числе Выражение для удельного расхода теплоты в кипятильнике q к (на разделение 1 кмоля исходной смеси) с учетом материальных потоков:

С учётом (2) выражение (8) для q к преобразуется в:

Приведем выражение (9) к виду [3]:

характеризующему относительные минимальные удельные на 1 кмоль исходной смеси затраты теплоты, необходимые для полного разделения смеси.

Чем меньше разделяемость смеси Р, тем больше удельный расход теплоты q к. При этом вклад х1 в сумму уменьшается и при малых Р (Р < 0,1) величиной х1 можно пренебречь. Тогда (при разделении трудноделимых смесей, то есть при коэффициентах относительной летучести компонентов менее 1,2):

то есть величина удельных затрат обратно пропорциональна разделяемости смеси Р.

Для легкоразделяемых смесей (Р1), в том числе и при выпаривании растворов солей, удельный расход теплоты равен:

Зависимость относительных удельных затрат от разделяемости P смеси при некоторых составах исходной смеси представлены частично на рис. 1 и более полно в таблице 1.

Рис. 1.

Зависимость относительных удельных затрат теплоты к разделяемости P смеси При x1 = 0.5 выражение для минимальных удельных затрат теплоты примет такой же вид, как и в случае малой разделяемости Р:

При очень маленьких разделяемостях смеси Р (0.05 – 0.1) затраты теплоты на разделение увеличиваются в несколько раз. Чем меньше разделяемость смеси Р, тем больше удельный расход теплоты k на единицу разделения при ректификации. Так, в случае x1 = 0.5 при разделяемости Р = 0.1 минимальные затраты на ректификацию увеличиваются ровно в 10 раз по сравнению с затратами на разделение смеси с разделяемостью Р = 1 (относительная летучесть компонентов = ). Увеличение затрат теплоты на ректификацию при уменьшении разделяемости смеси связано с увеличением минимального (и рабочего) флегмовых чисел и, соответственно, ростом потока флегмы, которую необходимо испарять в кубе колонны.

Таблица 1. Зависимость относительных затрат теплоты от Нами выполнен [1] теоретический анализ затрат теплоты на ректификацию при различных состояниях исходной бинарной смеси.

В общем случае при подаче в колонну исходной смеси состава х1, концентрация x 1 (абсцисса точек Х, К, ПЖ, П, ПП на рис.2) может быть найдена путем совместного решения уравнения (6) и уравнения тарелки питания После преобразований:

приходим к квадратному уравнению:

Решением уравнения (14) является В решении (15) физическому смыслу (0< x 1 0.

Обозначив числитель выражения (15) через A, получим Согласно(6) равновесная концентрация НКК в паре Рис. 2. Точки пересечения рабочих линий укрепляющей и отгонной колонн при минимальных флегмовых числах для различных состояний исходной смеси.

Минимальное флегмовое число при подаче в колонну исходной смеси в любом состоянии После преобразований знаменателя С учетом затрат теплоты на подогрев исходной смеси от начальной температуры tx до температуры насыщения t суммарные затраты теплоты (в кипятильнике и подогревателе) в общем случае Формулы для расчета Qк, Qпод и Q представлены в таблице 2.

Таблица 2. Затраты теплоты в кипятильнике Qк, подогревателе Qпод и Из таблицы 2 и рисунка 2 очевидны следующие неравенства:

Наименьшие суммарные затраты в случае «холодной» смеси объясняются повышенными при этом затратами теплоты в кипятильнике и увеличенным паровым потоком в отгонной колонне. При этом условия внутреннего энергосбережения в процессе ректификации улучшаются именно за счёт большого потока многократно работающего пара на тарелках ректификационной колонны (см. главу 3).

Проанализируем [2, 6] влияние доли пара в исходной смеси на затраты теплоты Qк в случае реальной ректификации ( > 1).

При питании колонны парожидкостной смесью При питании нагретой до кипения жидкостью Примем близкими мольные теплоты парообразования компонентов, так что можно считать r1= r2 = r; будем оперировать удельными расходами теплоты (отнесенными к 1 кмолю исходной смеси).

Тогда, очевидно получаем после сокращения на r:

В частном случае при =1 сравним минимальные затраты теплоты в кубе колонны.

При фиксированных значениях x1 и x2, определяющих величины Rmin, найдем граничное значение x гр, приравняв правую и левую части неравенства:

Рис. 3. Отношение удельных затрат теплоты в кубе колонны при разных составах и разделяемостях исходной смеси.

Анализ уравнения (29) показал, что в области реальных концентраций 0 1. Граничное значение коэффициента избытка флегмы гр можно найти [4, 6] из (27), принимая его одинаковым для разных состояний смеси:

Рассчитанные по формуле (31) значения гр при различных значениях х1, х2, х0 и представлены в таблицах 3 и 4 (Р = 0,1).

В третьей главе приведен теоретический анализ внутреннего энергосбережения при ректификации [5].

Изображение процессов на тарелке представлено в диаграммах у-х и t-y,x на рис. 4. Рабочая линия (линия I) укрепляющей части колонны связывает рабочие (сопряжённые) концентрации НКК в жидкости и паре: xn-1 и уn-1, хn и уn, хn+1 и yn+ и т.д.

Изменение концентраций на тарелках характеризуется линиями со стрелками в диаграмме у-х, а соответствующие им изменения температур и фазовые переходы в диаграмме t - х, у. Пар состава yn+1 приходящий на (n+1)-ую тарелку, частично конденсируется (точка 3). Оставшийся пар состава уn (точка 4) частично конденсируется на следующей n-ой тарелке (процесс 4-6), образуя жидкость состава хn (точка 5). Жидкость состава хn, поступая на (n+1)-ую тарелку (здесь температура tn+1 > tn), в свою очередь, испаряется (процесс 5-2) за счёт выделившейся на (n+1)-ой тарелке теплоты при конденсации пара. Полученный на n-ой тарелке пар (точка 8) состава уn-1 поступает на (n-1)-ую тарелку и т.д.

Жидкость состава хn-1, поступая на n-ю тарелку, также частично испаряется (до состояния, характеризуемого точкой 7) за счёт теплоты, выделяемой при конденсации пара (процесс 4-6) на этой тарелке. При одинаковых (или близких) теплотах парообразования r компонентов смеси потоки пара D и жидкости L сконденсировавшегося пара на (n+1)-ой и n-ой тарелках составляют D и соответственно.

За счёт выделившейся при этом теплоты количество испаряемой жидкости на n+1-ой тарелке L и на n-ой тарелке L. При одинаковых теплотах парообразования r:

Из равенства (32) следует