ПРЕДИСЛОВИЕ

Ректификация - это процесс разделения бинарных или многокомпонентых смесей в результате многократного испарения жидкости и конденсации пара по высоте ректификационной колонны при движении жидкости сверху вниз (от дефлегматора к кубу). При этом жидкость обогащается тяже- локипящими (труднолетучими) компонентами, а пар, поднимающийся вверх, - легкокипящими (легколетучими) компонентами.

Наряду с традиционным (зеотропным) процессом разделения бинарных или многокомпонентных смесей существует еще несколько видов процесса ректификации: азеотропный, экстрактивный, абсорбционный, с двумя несмешивающими- ся жидкостями, совмещенный (с химической реакцией).

В настоящем учебном пособии авторы рассматривают традиционные (зеотропные) способы разделения бинарных и многокомпонентных смесей, а также методы расчета совмещенных хеморектификационных процессов. Кроме того, приводятся некоторые методы расчета фазового равновесия двух несмешивающихся жидкостей и пара, а также равновесия с учетом химической реакции.

Значительный рост мощностей технологических установок привел к появлению ряда проблем, связанных с оптимальным использованием внешних и внутренних энергетических ресурсов, в наибольшей степени определяющих эффективность производства.

Наиболее неэкономичным по потреблению энергии из типовых процессов химической технологии являются процессы разделения. Большая часть затрат (55,9%) приходится на дистилляцию нефти и разделение продуктов вторичной переработки, включая пиролиз. Свыше 65% энергии, расходуемой на ректификацию, потребляется нефтеперерабатывающей промышленностью, до 29% - химической, свыше 5% - газоперерабатывающей. Эффективность полезного использования тепла в процессах ректификации составляет всего 5-10%.

Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленности по потреблению тепла занимают первое, а химическая - второе место, что составляет соответственно 12,6 и 11% от общего потребления тепла в народном хозяйстве России.

В результате энергетического кризиса в США (1973- 1980 гг.) эксплуатационные затраты возросли на 157%, тогда как стоимость оборудования - на 68%. Цены на нефть повысились на 570%, а на мировом рынке - на 1200%.

Вес это явилось толчком для многочисленных исследований, направленных на повышение эффективности потребления и преобразования энергии в массообменных аппаратах химических производств.

Приближение работы ректификационной колонны к идеальным условиям заключается в увеличении числа контактных устройств с применением на каждом из них миникон- денсагора, так что нисходящий поток орошения непрерывно увеличивается, а тепло снимается при все более высоком потенциале. Однако увеличение числа контактных устройств имеет экономические ограничения.

Обычно вопрос о замене ректификации другим способом разделения возникает в тех случаях, когда применение ее либо вообще невозможно, либо сопряжено со значительными дополнительными затратами. Например, обычная ректификация не позволяет выделить компоненты, входящие в азеотропную смесь. Нужно либо изменить давление в системе и тем самым сдвинуть азеотроп, либо применить азеотропную или экстрактивную ректификацию, подобрав соответствующий разделяющий агент.

Применение другого способа разделения может быть экономически выгодно в том случае, когда свойства смеси соответствуют физической основе данного способа. Так, при наличии расслаивания первичное разделение естественным способом возможно путем декантации, способность же вещества кристаллизоваться в определенных условиях предпо- б латает применение кристаллизации. Однако если физические условия процесса необходимо подбирать искусственно (подбор экстрагента, растворителя и т.д.), то к затратам на проведение непосредственно процесса добавляются затраты на регенерацию носителя (экстрагента, растворителя и т.д.).

Создание физических условий процесса обычно сопряжено со значительными расчетными и экспериментальными исследованиями, так как для того, чтобы выбрать наилучший вариант технологического и аппаратурного оформления, необходимо выполнить ряд физических и технологических требований. По существу, речь идет об искусственном создании смеси с заданными свойствами. Это относится к таким процессам, как азеотропная или экстрактивная ректификация, экстракция, кристаллизация.

Помимо конечного рабочего числа ступеней контакта в ректификационной колонне потери тепла определяются конечной разностью температур и перепадом давления по высоте колонны, что вызывает рост температуры куба и давления паров.

Можно выделить две основные группы способов экономии энергии: не требующие и требующие реконструкции аппаратов.

К первой группе можно отнести следующие известные способы: оптимизация орошения и давления; уменьшение разности температур при испарении сырья и конденсации продуктов; повышение эффективности массообмена и снижение гидравлических сопротивлений; углубление отбора тепла отходящих потоков; улучшение теплоизоляции др.

Оптимизация орошения состоит в поддержании расходов флегмы, обеспечивающих лишь минимально допустимую чистоту целевых продуктов.

Снижение энергозатрат при оптимизации орошения (только за счет поддержания оптимального флегмового числа) составляет тот же порядок, что и при замене контактных устройств - до 13%.

Подача флегмы и питания в колонну с определенной циклической закономерностью позволяет снизить энергозатраты более чем на 20%.

Возможность снижения энергозатрат при ректификации под вакуумом в ряде случаев зависит от состояния паровых эжекторов. Повышение избыточного давления приводит к перерасходу тепла на нагрев сырья. Перерасход пара в этих случаях сопоставим с перерасходом тепла при повышенном давлении.

В современных условиях более выгодно не только использование кипятильников, но и их дублирование, что позволяет проводить очистку их от загрязнений без остановки колонны. Снижение энергозатрат при уменьшении разности температур в кипятильнике и конденсаторе обусловлено использованием пара меньшей температуры (вторичного), т.е. более дешевого, или съемом тепла (в конденсаторе) при большей температуре для его рекуперации.

Относительно небольшая разность температур (соответственно, стоимости подводимого тепла до и после модернизации) ограничивает применение этих методов.

При наличии нескольких ректификационных колонн применяют каскадирование тепла, т.е. большая часть дистиллята высокотемпературной колонны конденсируется в кипятильнике низкотемпературной колонны, полностью заменяя пар. Экономический эффект зависит от разности температур в кипятильнике и флегмового числа.

Наряду с каскадированием тепла используется каскадирование охлаждающей воды, т.е. вода последовательно пропускается через конденсаторы с повышающейся температурой, что позволяет снизить затраты электроэнергии на рециркуляцию воды и привод вентилятора градирни.

Основной предпосылкой проработки альтернативных вариантов является максимальное использование тепла экзотермических процессов с привлечением внешней энергии лишь в тех случаях, когда капитальные затраты на ее экономию не окупаются. Большие флегмовые числа обусловливают непроизводительные потери тепла, однако излишнее приближение к равновесному состоянию может вызвать экономически неоправданное увеличение числа ступеней контакта и торможение процесса.

Тепловой насос рассматривается как основной метод повышения температуры низкопотенциального тепла. Преимущественное распространение получил цикл с рекомпрессией паров.

Экономичность цикла заключается в том, что потребление энергии извне составляет 5-10% от затрат, необходимых для независимой выработки тепла требуемых параметров.

Тепловые насосы нашли применение в колонне разделения пропан-пропиленовой фракции. На одной из установок разделения бутана (7,4 т/ч) и пропана (5 т/ч) экономия энергозатрат от использования теплового насоса составила 44%, при извлечении гексана (22,7 т/ч) на установке изомеризации прямогонной нефти - 70%.

Экономичность тепловых насосов повышается при наличии дешевых источников энергии для привода компрессора, это требует проработки альтернативных вариантов утилизации низкотемпературного тепла, например каскадной схемы или выработки пара.

При существующем уровне цен на энергию - 10 долл/Гкал, а в ближайшие годы (по прогнозам) составит 16-20 долл/Г кал - вопрос экономии энергозатрат на проведение процесса ректификации является одним из актуальных.

Интересно отметить, что ректификация долгое время являлась искусством виноделов и смологонов.

Лишь во второй половине XIX века развитие физической химии положило начало научному изучению этого процесса химической технологии.

Большой вклад в дело изучения природы растворов сделали русские ученые: Д. Коновалов, М. Вревский и др.

Впервые теоретические основы перегонки были рассмотрены в исследовании Д. Коновалова, его законы положили начало количественному изучению процесса перегонки. Они послужили основанием для создания количественных зависимостей теории равновесия бинарных смесей М. Вревским, Ф. Брауном и другими исследователями.

Первой попыткой расчета распределения компонентов по высоте колонны применительно к системе этиловый спирт- вода явился метод, предложенный Е. Сорелем.

В дальнейшем изучение процесса ректификации осуществлялось по следующим направлениям:

  • 1. Обобщение полученных на практике данных по равновесию различных смесей и теоретическое исследование этого вопроса на базе классической термодинамики, а в дальнейшем - с привлечением термодинамики необратимых процессов.
  • 2. Создание и усовершенствование методов расчета ректификационных колонн бинарных и многокомпонентных смесей.
  • 3. Изучение эффективности колонн различной конструкции. Это направление включает в себя, во-первых, изучение гидродинамики колонн (т.е. факторов, влияющих на устойчивую работу колонн в различных гидродинамических режимах при различной конструкции элементов контактных устройств) и, во-вторых, изучение механизма процесса мас- сопередачи в колонных аппаратах с получением эмпирических зависимостей для кинетики процесса.
  • 4. Изучение вопросов автоматического контроля и регулирования ректификационных колонн.

В настоящее время по всем этим направлениям накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал.

Последние достижения в развитии термодинамики необратимых процессов дали возможность выразить и количественно оценить довольно сложную по своей природе движущую силу процесса массопередачи в наиболее распространенном типе ректификационных колонн - тарельчатых колоннах, а также привело к выявлению влияния на эффективность процесса ряда факторов. Среди них продольное перемешивание жидкости на тарелке, конструктивные особенности колонны, характер движения жидкости на смежных тарелках и т.д.

Однако, несмотря на обширность исследований по ректификации, современные теории массопередачи по-разному рассматривают механизм передачи массы при межфазном контакте.

На основе различных представлений о кинетике процесса массопереноса для расчета ректификационных колонн и анализа их работы используются различные уравнения.

В настоящем издании предпринята попытка систематизировать имеющийся в литературе материал, дополнив его собственными исследованиями в области ректификации.

В пособии использованы результаты исследований и анализа процесса ректификации отечественных и зарубежных ученых В. Ветохина, С. Львова, Ф. Петлюка, Л. Серафимова, Дж. Праусница, Ч. Холланда и др.

Основные трудности математического описания процесса на основе его физико-химических закономерностей в большинстве случаев связаны с многомерностью решаемой задачи и, как следствие, с большим количеством значимых факторов, определяющих характер его протекания. Пренебрежение некоторыми из факторов с целью упрощения исходной системы уравнений приводит к тому, что модель перестает быть адекватной рассматриваемому объекту.

В настоящее время в рамках отдельного процесса создано большое число моделей, различающихся точностью, постановкой задачи и т.п., и их число растёт. Однако применение этих моделей сдерживается из-за отсутствия систематизации последних и недоступности для широкого пользователя решений конкретных задач. Например, для процесса ректификации разработано большое число моделей, однако в практике проектирования используют алгоритмы, основанные на упрощенном описании процесса, типа уравнений Фенске, Андервуда, Джиллиланда и др. Это тормозит внедрение современных методов в повседневную практику и приводит к большим расхождениям между расчетными и экспериментальными данными.

В результате изучения материалов данного учебного пособия студенты будут:

знать

  • • основы процесса ректификации бинарных смесей и многокомпонентных систем;
  • • гидродинамику структуры потоков двухфазных систем пар-жидкость;
  • • кинетику массопередачи, в том числе многокомпонентных смесей;

уметь

  • • определять структуру математической модели потока жидкости и парожидкости;
  • • использовать численные методы для расчета физикохимических свойств смеси;
  • • осуществлять стратегию синтеза оптимальных схем разделения многокомпонентных смесей;
  • • моделировать непрерывный реакционно-ректификационный процесс;

владеть

  • • навыками расчета процесса ректификации;
  • • дистилляции по тепловым диаграммам;
  • • коэффициентов массопередачи;
  • • взаимосвязанных систем разделения с использованием методов гомотопии;
  • • модели непрерывного реакционного процесса.

Авторы выражают благодарность профессору Л. Серафимову, который осуществил общее редактирование рукописи, а также рецензентам за ценные замечания и внимание, проявленные при подготовке рукописи к изданию.

Л. Гордеев написал главы 1,2, 5, 10, Приложения 1-2,

Д. Вент-главы 1.10-5-1.14,7, Приложение 3,

Ю. Комиссаров - главы 3,4, 6, 8, 9, Приложения 4-5. Предлагаемое учебное пособие будет полезным для студентов и аспирантов высших учебных заведений по специальности «Основные процессы химических производств и химическая кибернетика», «Процессы и аппараты химических производств».

Авторы надеются, что это издание позволит в дальнейшем уточнять и развивать отдельные вопросы, связанные с методологией системного анализа процесса ректификации.

Авторы также с большой благодарностью примут все замечания и пожелания читателей, которые просим направлять по адресу: 125047, Москва, Миусская пл., 9, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева.

Авторы

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >