Енергозбереження в процесах ректифікації

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ХІМІЇ ТА ХІМЧНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ

РЕФЕРАТ

Енергозбереження в процесах ректифікації

Виконала Ткаченко К.В.

Прийняв Білокопитов Ю.В.

Київ - 2016

Зміст

Вступ

1. Основні шляхи енергозбереження в процесах ректифікації та їх особливості

2. Енергозбереження при ректифікації важких вуглеводнів

Висновки

Джерела

Вступ

Ефективність роботи обладнання - одна з найважливіших його характеристик. Що стосується окремо взятої ректифікаційної колони, то її енергетична ефективність являє собою співвідношення ступеня поділу компонентів вихідної суміші до витрат тепла, що витрачається на її роботу[45-48].

Ректифікація є одним з основних процесів хімічної, нафтохімічної, нафтопереробної та суміжних галузей промисловості. На її частку припадають величезні капіталовкладення і енерговитрати. У той же час ректифікація має один з найнижчих енергетичний ККД серед усіх процесів хімічної технології. Тому раціональне апаратурнеоформлення процесів ректифікації і зниження витрат енергії на їх здійснення є актуальним завданням.

Одним з можливих способів зниження енергетичних витрат окремих апаратів без зміни схеми потоків може стати знаходження оптимальних режимів їх роботи та часткова реконструкція внутрішнього устрою [48, 49].

При цьому пошуку оптимальних умов повинен передувати комплексний тепловий аналіз всієї системи поділу .

1. Основні шляхи енергозбереження в процесах ректифікації та їх особливості

Для виконання теплового аналізу системи широко використовується поняття ентальпії, яка, по суті, є функцією внутрішньої енергії речовини і енергії тиску:

i = u + P ,

де u - питома внутрішня енергія, Дж/кг; P - тиск, Па; ?-питомий об'єм, м³ /кг.

Абсолютне значення ентальпії i , як і внутрішньої енергії u , визначити неможливо, тому для практичних розрахунків використовується її зміна щодо деякого початкового рівня відліку. Дуже часто в якості такого рівня використовується ентальпія утворення речовини при нормальних умовах .

При тепловому аналізі ректифікаційних колон також широко застосовується поняття тепловмісту i . Воно являє собою кількість тепла , що виділиться при переході одного кілограма речовини до нормальних умов (t=0^оС и P = 1 атм). У цьому випадку кількість тепла , переносна матеріальним потоком , може бути визначено як :

Q = G · i ,

де Q - витрата тепла, Дж/с; G- витрата матеріального потоку, кг/с.

Використовуючи поняття тепловмісту, можна скласти тепловий баланс для простої ректифікаційної колони :

де F i_F - тепло, що надходить з живленням колони, Дж/с; D · i_D і W i_W - тепло, що виходить з колони з дистилятом і кубовим залишком, Дж/с; Q_К - тепло, що підводиться до випарювача колони, Дж/с; D (R + 1) · r_D - тепло, що відводиться в конденсаторі колони з охолодженою водою, Дж/с; Q_П - теплові втрати, Дж/с.

З цієї рівності з урахуванням матеріального балансу можна отримати вирази для розрахунку необхідного потоку тепла в випарнику :

Витрата пари, що гріє на процес, в цьому випадку буде розрахований як :

де r_ГР - питома теплота конденсації водяної пари, Дж/кг.

В процесі ректифікації на основні показники роботи, і особливо на витрату тепла впливають температура T і тиск процесу P. Тому підбір найбільш вигідних умов входить в рамки проблеми енергозбереження . Зі зниженням температури і тиску, як правило, збільшується відносна летючість, що дозволяє скоротити кількість зрошення і зменшити флегмовое число R. Це, в свою чергу, призводить до зменшення витрати енергії [54]. Крім того, зниження температури дозволяє використовувати для обігріву випарника теплоносій з більш низьким температурним потенціалом, а, отже, і більш дешевий. Однак для охолодження конденсатора тепер потрібно холодоагент з більш низькою температурою, що в ряді випадків може зробити зниження тиску і температури недоцільним [48, 49, 54].

У більшості випадків зменшення тиску і температури веде до зростання рушійної сили процесів масообміну. Однак ці параметри впливають не тільки на парорідинну рівновагу , але і на гідродинаміку і кінетику масообміну , які, в свою чергу, визначають гідравлічний опір апарату ( P ) і висоту одиниць переносу (ВЕП)..

У роботі вказується, що пропускна здатність насадок колон пропорційна тиску в ступені 0,5. Це означає, що при зниженні тиску потрібно збільшувати діаметр колони. Також зі зниженням тиску в насадкових колонах спостерігається збільшення гідравлічних втрат P .

Все сказане , хоча і в меншій мірі , але має місце і при використанні тарілчастих апаратів.

Слід враховувати той факт, що зміна тиску і температури по-різному впливає на коефіцієнти масопередачі в паровій і рідкій фазах. Якщо велика частина опору масообміну зосереджена на стороні рідкої фази, то при зниженні температури буде спостерігатися зменшення швидкості масообміну, внаслідок зниження коефіцієнтів дифузії і зростання в'язкості рідкої фази. Якщо ж основний опір масообміну зосереджено на стороні парової фази, то вплив температури не такий передбачуваний . Тому, в кожному конкретному випадку слід враховувати складний вплив тиску і температури на протікання процесів поділу. У деяких випадках ця залежність має екстремальний характер і проходить через максимум.

На вибір оптимальних умов роботи колони істотно впливає взаємозв'язок її з іншими вузлами установки, що вимагає комплексного аналізу всього технологічного процесу. В цьому випадку неефективна робота однієї колони може бути виправдана при аналізі всього комплексу.

Для зменшення енергоспоживання ректифікаційної колони можна збільшити число контактних пристроїв і підвищити ефективність їх роботи. Установка більшої кількості і більш ефективних контактних пристроїв приведе до збільшення яючої здатності колони. У цьому випадку продукти заданої чистоти можна отримувати при меншій витраті зрошення, що призведе до економії енергії. Доцільність встановлення додаткових і більш ефективних контактних пристроїв визначається на основі аналізу рентабельності даної реконструкції.

В роботі [7] показано, що на ефективність роботи колони істотно впливає вибір тарілки харчування. При фіксованому числі ступенів поділу є оптимальна тарілка подачі сировини, при якій витрати тепла на досягнення заданих концентрацій цільових компонентів в дистиляті і кубовому залишку мінімальні. При цьому оптимальною тарілкою є та, склад рідини на якій найбільш близький до складу вихідного споживання. Найбільш ефективні способи зниження енергоспоживання установок ректифікації в цілому пов'язані з необхідністю зміни схеми технологічних потоків, рекуперації їх тепла і, в більшості випадків, введенням додаткового обладнання [7].

Практично всі методи енергозбереження в ректифікації спрямовані на зменшення теплового навантаження випарника або на використання для його обігріву внутрішніх джерел тепла. Основна проблема полягає в тому, що в окремо взятій колоні випарник вимагає тепло більш високого потенціалу, ніж можуть дати джерела тепла на цій же колоні.

Крім зниження теплового навантаження в випарнику завданням енергозбереження є підвищення ефективності використання підведеного тепла. Конденсатор, як основне джерело тепла на ректифікаційної колоні, може бути використаний в якості котла-утилізатора для отримання пари. Однак, це доцільно лише в тому випадку, коли температура конденсації, що виходить з колони пари досить висока і може забезпечити утворення водяної пари необхідного тиску.

Потік дистиляту також може бути використаний для нагріву інших потоків на установці. Однак це доцільно лише в тих випадках, коли витрата дистиляту велика і температура конденсації висока. Крім потоку дистиляту в якості гарячого теплоносія можна використовувати потік кубового залишку. Температура цього потоку дорівнює температурі низу колони, тому він може бути використаний для нагріву споживання колони або інших потоків з низькою температурою.

Тепло кубового залишку може бути використано для нагріву потоку вихідної суміші, так як його температура вище, ніж температура споживання. Даний спосіб може істотно знизити навантаження на випарник і поліпшити роботу колони.

У разі, якщо кубова рідина кипить при високій температурі, випарник колони, як правило, обігрівається парою високого тиску. Утворений при цьому конденсат має високу температуру. Цей потік також може бути використаний для нагріву споживання колони, або для нагріву випарників інших ректифікаційних колон.

На установках, що мають кілька ректифікаційних колон, які працюють під різним тиском, можна організувати схему подібну схемі каскаду випарних апаратів. Суть її полягає в тому, що пар, що виходить з верху колони, використовується для обігріву випарника іншої колони, що працює під більш низьким тиском. В цьому випадку випарник наступної колони одночасно служить конденсатором попередньої колони.

Економія енергії пропорційна числу колон і в першому наближенні кратна цьому числу. Недоліком такої схеми є те, що доводиться обігрівати першу колону, яка працює під великим тиском. Для цього потрібна пара високого тиску. Проблеми можуть виникнути також при конденсації пари дистиляту останньої колони, так як ця колона працює під найнижчим тиском.

Використання схеми еної колони може призвести до суттєвої економії енергії. Принцип дії даної схеми аналогічний каскаду ректифікаційних колон і заснований на відмінності тисків і температур між двома колонами. Однак, на відміну від каскадної схеми, в даній схемі в різних ректифікаційних колонах яється одна і та же сировина. Головною умовою роботи установки є те, що колони експлуатуються при різних тисках так, щоб температура пари, що виходить з першої колони, була досить високою для обігріву випарника наступної.

Недоліком схеми є те, що установка з еною колоною вимагає використання як мінімум двох колон замість однієї. Однак, у зв'язку з тим, що споживання поділяється на кілька незалежних потоків, будуть потрібні колони меншого діаметру, ніж, якби це була одна колона.

При поділі суміші рідко застосовують ректифікаційні колони з отриманням двох товарних продуктів зверху і знизу однієї колони одночасно. У більшості випадків для отримання кожного продукту використовуються окремі колони.

Застосування багатоколонної схеми ректифікації може дати в ряді випадків виграш в енергії, так як, через менший діапазон зміни концентрацій в кожній колоні будуть потрібні менші витрати тепла.

Місцем підведення великої кількості тепла в ректифікаційної колоні є випарник. Конденсатор є основним джерелом тепла. Однак, через різницю температурних рівнів між верхом і низом колони, безпосередньо використовувати тепло конденсатора для нагріву випарника цієї ж колони неможливо. Для обігріву випарника конденсованим паром з верху колони використовують схеми з паровою рекомпресією або теплові насоси.

Стиснення пари в компресорі вимагає додаткових витрат механічної енергії, яка, в більшості випадків, генерується електроприводами. Вартість витраченої одиниці електричної енергії перевищує номінальну вартість зекономленої одиниці теплової енергії. Тому економія при використанні теплових насосів можлива в тих випадках, коли потужність, що витрачається на стиснення пари в рази менша зекономленої теплової енергії. Для характеристики ефективності роботи теплового насоса використовується коефіцієнт перетворення (КОП) :

де Q - потік тепла конденсації зжатої пари, Дж/с; W - електрична енергія, щовитрачається на роботу компресора, Дж/с.

Тепловий насос, по суті, є термодинамічною машиною, що працює по зворотньому циклу Ренкіна. Його термодинамічну ефективність з можна оцінювати, співвідносячи затрачену ним потужність W з аналогічною потужністю зворотного ідеального циклу Карно W ', що працює при тих же умовах.

В середньому діючі теплові насоси можуть дати термодинамічну ефективність з близько 0,2 - 0,3, і величину КОП близько 2.

Для оцінки економічної доцільності введення теплового насоса на ректифікаційну колону наводиться вираз, що дозволяє розрахувати мінімальний рівень з, нижче якого тепловий насос буде працювати в збиток:

де С_е и C_п - вартість одиниці електричної енергії і тепла та пари, що гріє, відповідно, грн/Дж; T_В и Т_Н - температури зверху и знизу ректифікаційної колони, К.

Реальна економія від впровадження теплового насоса можлива лише в разі, якщо величина з виявиться більше з_МІН. Якщо значення з_МІН виявиться більше 0,2, то для отримання реальної економії потрібен тепловий насос з підвищеним коефіцієнтом з, і, можливо, установка теплового насоса на дану колону буде недоцільна.

Теплові насоси можуть забезпечити значну економію пари, що гріє. Однак реалізація таких схем на практиці вимагає великих капітальних витрат. Найбільша частка з них припадає на придбання компресора і приводу до нього.

В роботі описуються більш дешевші схеми реалізації теплових насосів. Відмінною особливістю таких схем є те, що компресори в них замінені пароструйними ежекторами. У цих схемах пар зверху колони ежектується водяною парою високого тиску, в результаті чого відбувається підвищення його тиску. На виході з ежектора утворюється суміш робочого і ежектуємого пара, що направляється на обігрів випарника.

Така схема може бути застосована лише в тих випадках, коли допускається змішування верхнього продукту колони з водою. У тому випадку, коли змішування верхнього продукту колони з водою не допускається, як робоче тіло для ежектора можна використовувати сам верхній продукт.

Теплові насоси з пароструминних ежекторами значно дешевше компресорів і більш надійні в роботі через простоту конструкції і відсутність рухомих частин. Недоліком їх є те, що для обігріву випарника потрібен робочий пар високого тиску. Крім того, ежектори мають низький ККД. Внаслідок цього, схеми з ежекторами менш ефективні, ніж з компресорами.

Вирішення питань енергозбереження у виробництві метиламіно можливо шляхом математичного опису найбільш енергоємної стадії ректифікації і реалізації його за допомогою обчислювальної техніки. В основі такого опису лежать термодинамічні залежності, що визначають фазову рівновагу пар-рідина і відомості про кінетику процесу переходу компонентів з однієї фази в іншу.

2. Енергозбереження при ректифікації важких вуглеводнів

Енергозбереження досягається за допомогою вибору і оптимізації обладнання і вироблених операцій навколо колони 159 рафіната, зображених на фіг.2 і 2В. Ці фігури ілюструють модифікації окремих ділянок схеми на фіг.2.

Фіг.2 ілюструє економію енергії за рахунок створення тиску в колоні для рафіната та вжитих заходів щодо запобігання розкладання адсорбенту в ребойлері цієї колони. В що знаходиться під тиском колоні рафіната, зазвичай працює при тиску понад 400 кПа і переважно 500 кПа або більше, виходить з верху потік продукту забезпечує можливість генерування водяної пари і/або передачі корисної теплової енергії іншим потокам, що циркулює в установці для персти колони, що може призвести до значному розкладанню десорбента

На фіг.2А показана частина установки, представленої на фіг.2, що відноситься до нижньої частини ксилоловой колони 133 високого тиску і до колоні 159 для рафіната. Тут, щонайменше, деяку частину виходить з ребойлера 237 потоку направляють у сепаратор 240, в якому здійснюється відділення парів, що відводяться через трубопровід 242, від рідини, що відводиться за допомогою трубопроводу 241, яку повертають у колону 133

разом з іншою частиною виходить з ребойлера потоку, що направляється в колону 133 через трубопровід 238. Пари, що проходять через трубопровід 242, передають теплоту ребойлеру 243, підтримуючи максимальну температуру шару нижче меж розкладання, переважно використовуючи теплообмінники, мають збільшену поверхню для реалізації бульбашкового режиму кипіння, описаного нижче. Конденсатор для верхнього потоку (колони 159) переважно працює при температурі, що забезпечує одержання водяної пари середнього тиску, при цьому чисті нерівноважні змішані ксилоли виводять через трубопровід 160.

Фіг.2в ілюструє альтернативний спосіб енергозбереження, в якому особливу увагу приділено зоні розміщення колоннолону 258 для відгону легких фракцій (предфракціонатор), з якої верхній потік продукту відводиться і проходить через конденсатор 261, при цьому частина чистого змішаного потоку ізомерів ксилолу потім виводиться через трубопровід 262. Інші ізомери ксилолу плюс десорбент проходять по трубопроводу 264 в що працює під тиском колону 159 для рафіната. Верхній потік колони 159, щонайменше, частково конденсується, проходячи через трубопровід 265 ребойлер 263 зазначеної колони відгону легких фракцій, і повертається допомогою трубопроводу 266 у верх колони для рафіната, при цьому інша частина суміші ксилолів відводиться по трубопроводу 160. Як і на фіг.2, кип'ятіння в колоні здійснюється з допомогою нижнього потоку ксилольної колони високого тиску, що транспортується по трубопроводу 259, при цьому, як і раніше, весь десорбент повертають у процес адсорбції по трубопроводу 161.

Рафінат, що містить суміш ізомерів ксилолу і етилбензол, через трубопровід 160 направляють у реактор 162 ізомеризації. У реакторі 162 ізомеризації рафінат ізомеризується з отриманням продукту, що наближається до рівноважних концентрацій ізомерів ароматичних сполук С8. Продукт направляється через трубопровід 163 гептановідгонну колону 164, в якої верхній потік, проходить через трубопровід 265 з колони 152 відділення пара-ксилолу. Кубовий потік з гептановідгонної колони по трубопроводу 165 транспортується в ксилольную колону 133 для відділення С9 і більш важких сполук від ізомеризованих ароматичних сполук С8. Виділяється з верху гептановідгонної колони 164 потік рідкої фракції направляють в стріппінг-колону 166, в якій відбувається відділення легких продуктів верхнього потоку, що проходять через трубопровід 167, від вуглеводнів С6 та С7, які через трубопровід 168 направляють в апарат 120 экстрактивной ректифікації для вилучення і очищення обсягів бензолу і толуолу. Величини тиску в гептаноотгонной колоні 164 і стріппінг-колоні 166 вибирають для теплообміну або генерування водяної пари аналогічним чином, як і в ксилольних колонах, відповідно до викладеного в інших місцях цього опису.

Висновки

енергозбереження ректифікація тепловий насос

Хімічна промисловість є найбільшим споживачем енергії. На її потреби витрачається близько 15% всіх енергоресурсів країни. У той же час корисне використання енергії в хімічній промисловості не перевищує 35%.

У літературі описано велику кількість способів скорочення витрат тепла в процесах ректифікації. Вибір того чи іншого способу енергозбереження можливий тільки після їх детального аналізу стосовно конкретної колоні і установці. У зв'язку з цим проблема енергозбереження нерозривно пов'язана з вивченням методик аналізу хіміко-технологічних систем. Використання їх дозволяє досягти головної мети - максимального зниження споживання енергоресурсів при збереженні або збільшенні вироблення продукції заданого виду і якості.

Важливим етапом в проектуванні оптимальних схем поділу є моделювання процесу ректифікації і визначення оптимальних параметрів моделей. Розрахунок процесу ректифікації заснований на розрахунку паро-рідинної рівноваги суміші, що являється. У літературі відомо багато моделей дозволяють робити це. Однак всі подібні моделі вимагають знання точного складу суміші і властивостей компонентів.

При ректифікації складних сумішей з неідентифікованими компонентами виникають великі проблеми з описом паро-рідинної рівноваги і, як наслідок, з термодинамічних розрахунків окремих колон і системи в цілому. Пошук шляхів розрахунку ректифікації сумішей з обмеженими відомостями про склад і паро-рідинну рівновагу представляє великий практичний інтерес.

Джерела

1. Пат. Jap. 448526 Япония. Process for producing methylamines / Y. Ashina, M. Fukatsu. Заявлен 08.12.1982. Опубл. 12.01.1984.

2. Пат. US 5688854 США Production of methylamines / T. Fujita, K. Niwa , K. Ogura, M. Fukatsu. Заявлен. 12.09.1996. Опубл. 18.11.1997.

3. Segawa, К. Methylamines Catalysis / K. Segawa // Japan Chemical Week. - 1997. - V. 2. - P. 83-89.

4. Пат. US 5382696. США Mordenite catalyst treated with silating agent / T. Kiyoura, K. Terada. Заявлен. 06.10.1993. Опубл. 17.01.1995. 159

М.А. Михеев, И.М. Михеева. - М.: Энергия, 1977. - 344 с.

5. Гамаев, И.П. Экономия тепла в промышленности / И.П. Гамаев, Ю.В. Костерин. - М.: Энергия, 1979. - 96 с.

6. Зельвенский, Я.Д. Пути энергосбережения при разделении смесей ректификацией / Я.Д. Зельвенский // Химическая промышленность. - 2001. - № 5. - С. 21-25.

7. Gunther, A. New distillation approach / A. Gunther // Chemical Engineering. - 1974. - № 9. - P. 140-144.

8. Tyreus, B.D. Two towers cheaper than one? / B.D. Tyreus, W.L .Luyben // Hydrocarbon processing. - 1975. - № 7. - P. 93-96.

9. Айнштейн, В.Г. Многоколонная ректификация. Принцип и процес- суальные схемы / В.Г. Айнштейн, М.К. Захаров // Химическая промышлен- ность. - 2001. - № 6. - С. 39-47.

10. Захаров, М.К. Энергосберегающие схемы процессов ректификации / М.К. Захаров // Science & technology of hydrocarbons. - 2002. - № 6. - С. 3-8.

11. Яновский, Е.И. Промышленные тепловые насосы / Е.И. Яновский, Л.А. Левин - М.: Энергоиздат, 1989. - 128 с.

12. Van Laar, J.J. The vapor Pressure of binary mistures / J.J. Van Laar J.J. // Zeitschrift fьr Physikalische Chemie. - 1910. - V.

Размещено на Allbest.ru