Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 10
1.1 Экстрактивная ректификация и ее роль в промышленности органического синтеза 10
1.1.1 Теоретические основы экстрактивной ректификации. 11
1.1.2 Промышленные технологии экстрактивной ректификации 23
1.2 Структурная оптимизация технологических схем разделения 25
1.2.1 Термодинамически обратимая ректификация как наиболее совершенный процесс разделения 25
1.2.2 Приближение реального процесса к термодинамически обратимому и другие способы повышения термодинамической эффективности процессов разделения 28
1.2.3 Энергосбережение в процессах экстрактивной ректификации. 51
1.3 Методы синтеза схем экстрактивной ректификации 55
2. Разработка метода синтеза схем экстрактивной ректификации в комплексах колонн с частично связанными материальными потоками 64
3. Объекты и методы исследования 104
3.1 Моделирование паро-жидкостного равновесия 104
3.2 Порядок оптимизации схем экстрактивной ректификации 113
3.3 Методикарасчета схем со связанными материальными потоками 118
160
4. Выбор оптимальной схемы процесса экстрактивной ректификации смеси циклогексан - бензол - 2,4-диетилпентан 121
5. Выбор оптимальной схемы процесса экстрактивной ректификации смеси циклогексан - бензол — толуол
Выводы 179
Список литературы 180
- Структурная оптимизация технологических схем разделения
- Приближение реального процесса к термодинамически обратимому и другие способы повышения термодинамической эффективности процессов разделения
- Разработка метода синтеза схем экстрактивной ректификации в комплексах колонн с частично связанными материальными потоками
- Методикарасчета схем со связанными материальными потоками
Введение к работе
Практически во всех процессах химической и нефтехимической промышленности самыми энергоемки являются блоки разделения продуктов, потребности которых могут составлять 5(Н80% от всего энергопотребления производства. Самым распространенным методом извлечения товарных продуктов является ректификация. Она проста и дает возможность получить очень чистый продукт, однако при всех ее достоинствах, есть и ряд серьезных недостатков. Ректификационные колонны — это энерго- и металлоемкие аппараты, требующие крупных капиталовложений. Более того, если разделяемая смесь характеризуется высокой степенью неидеальности (наличием близкокипящих компонентов или азеотропии), то попытка выделить чистые индивидуальные компоненты в классических ректификационных схемах становится неосуществимой задачей. В этом случае применяют специальные методы разделения - азеотропную * ректификацию, экстракцию, экстрактивную ректификацию и др. Существует множество вариантов организации технологических схем разделения. При увеличении числа выделяемых фракций растет и число возможных вариантов организации системы разделения. Каждая из схем представляет собой- путь протекания процесса и, поскольку ректификация является термодинамически обратимой, характеризуется определенными энергетическими и экономическими затратами на разделение.
В настоящее время энергетические ресурсы достаточно дороги и, следовательно, снижение производственных затрат за счет уменьшения потребления энергии является актуальной задачей. Проблема энергосбережения в настоящее время включена в перечень критических технологий Российской Федерации.
Основным направлением совершенствования процессов ректификации является повышение эффективности массообмена и термодинамической
эффективности. В* последнем случае эффект достигаетсяг путем* приближения-, реальных процессов > ректификации к термодинамически обратимому, являющемуся идеализированной моделью процесса разделения, обладающему минимальным производством энтропии. Разработке таких методов и их практическому применению для зеотропных смесей* посвящено1 значительное количество исследовательских работ. Что- же касается процессов экстрактивной, ректификации,, то! в силу особенностей этого процесса его приближение к, термодинамически обратимому является, более сложной задачей и этими вопросами занималось относительно небольшое число исследователей. К настоящему моменту уже получены некоторые решения в той или иной степени повышающие термодинамическую эффективность экстрактивной ректификации, однако «комплексного подхода, позволяющего синтезировать сложные, структуры, содержащие сложные колонны исходя из свойств и фазового портрета разделяемой смеси до настоящего времени не существует.
Цель работы.
Настоящая работа посвящена разработке метода синтеза оптимальных технологических схем разделения азеотропных смесей на основе приближения к термодинамически обратимой ректификации, выявлению закономерностей трансформации структуры технологической схемы разделения азеотропной смеси от исходного .состава питания, разработке методов синтеза схем экстрактивной ректификации для смесей со сложным фазовым портретом, содержащим несколько азеотропов и требующим многократного применения разделяющего агента, оценке эффективности использования комплексов с частично связанными тепловыми и материальными потоками в процессах экстрактивной ректификации.
Для достижения поставленных целей в работе использованы: теория графов, топологический анализ, математическое моделирование схем ректификации и расчетный эксперимент.
Научная новизна.
Разработан алгоритм синтеза схем экстрактивной ректификации многокомпонентных азеотропных смесей, содержащих сложные колонны с частично связанными тепловыми и материальными потоками, основанный на использовании в< качестве прообразов схем экстрактивной ректификации многокомпонентных азеотропных смесей, состоящих из двухотборных колонн.
Выявлены работоспособные схемы экстрактивной ректификации для всех непротиворечивых типов фазовых диаграмм трехкомпонентных азеотропных смесей. Показано, что в случае если схема-прообраз является работоспособной, то и все ее образы также работоспособны.
Установлено, что существуют фазовые диаграммы, для которых работоспособность той или иной схемы зависит от расположения точки состава питания.
Для разделения азеотропных смесей со сложной структурой фазовой диаграммы предложены теплоинтегрированные схемы с двухзональной подачей экстрактивного агента; методом расчетного эксперимента подтверждена их работоспособность ^эффективность.
Выявлена преемственность в> эффективности схем экстрактивной' ректификации при переходе от схем - прообразов из двухотборных колонн к схемам - образам из многоотборных колонн.
Практическая значимость.
Разработан алгоритм синтеза технологических схем экстрактивной ректификации со связанными тепловыми и материальными потоками для разделения трехкомпонентных азеотропных смесей.
Для каждого термодинамико-топологического портрета
парожидкостного равновесия трехкомпонентных азеотропных смесей определены работоспособные схемы.
Для* фракции, содержащей смесь бензола и олефинов? (циклогексан* — бензол — 2,4-диметилпентан), предложены технологические^ схемы-разделения из простых двухсекционных колонн с двукратным применением экстрактивного агента, а также схемы с частично связанными тепловыми и материальными потоками с применением двухзональной подачи экстрактивного агента, обеспечивающие снижение энергозатрат на 70'-*- 80 % по сравнению с классическими четырехколонными схемами с промежуточной регенерацией экстрактивного агента1. Синтезированные схемы можно рекомендовать как эффективную альтернативу двухступенчатым схемам выделения бутадиена из бутилен-бутадиеновой-(пиролизной) фракции.
Для разделения смеси циклогексан — бензол — толуол, входящей в состав пироконденсата, фракции сырого бензола, при переработке угля, а. также фракции БТК (процесс ароматизации олефинов С2-С4) разработаны, схемы экстрактивной ректификации, обладающие минимальными» энергозатратами (экономия энергии до 85% по сравнению с «классическими» схемами издвухотборных колонн).
Объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, постановки задачи, 5 глав, выводов и библиографического списка и 5 приложений, напечатанных отдельным томом. Диссертация изложена на 191 странице машинописного текста, содержит 75 таблиц, 73 рисунка и библиографию из 159 наименований.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования.
В первой главе представлен обзор литературы по экстрактивной ректификации неидеальных смесей, изложено влияние различных факторов на его протекание. Рассмотрены теоретические основы термодинамически обратимого процесса, описаны ректификационные комплексы, основанные на принципе термодинамической обратимости и методы приближения
реального процесса к термодинамически обратимому, современные методики синтеза схем экстрактивной ректификации.
Вторая глава посвящена разработке алгоритма синтеза схем экстрактивной ректификации многокомпонентных азеотропных смесей в. комплексах колонн с частично связанными тепловыми и материальными потоками. Предложен метод синтеза схем, содержащих колонны с двухзональной' подачей экстрактивного агента. Проведен анализ работоспособности синтезированных схем для разделения всех непротиворечивых типов фазовых портретов трехкомпонентных азеотропных смесей.
В третьей главе представлены объекты и методы исследования,
* приведены основные физико-химические свойства веществ, параметры
I моделей парожидкостного равновесия^ а также методика оптимизации
технологических схем экстрактивной ректификации
В" четвертой главе рассмотрен процесс экстрактивной ректификации азеотропной смеси циклогексан - бензол — 2,4-диметилпенан. Расчетным экспериментом подтверждена работоспособность структур с частично связанными тепловыми и материальными потоками и двухзональной подачей экстрактивного агента. Проведен сопоставительный анализ энергетической эффективности синтезированных схем и классических схем с промежуточной регенерацией экстрактивного агента.
В пятой главе рассмотрен процесс экстрактивной ректификации промышленной азеотропной смеси циклогексан - бензол - толуол. Проиллюстрировано применение разработанного алгоритма синтеза схем с интегрированными тепловыми и материальными потоками. Для составов питания, принадлежащих разным областям дистилляции произведены расчет и оптимизация синтезированных технологических схем разделения. Выявлены схемы, обладающие минимумом энергозатрат на разделение.
Шестая глава посвящена обсуждению полученных результатов. Для процесса экстрактивной ректификации показана энергетическая и
термодинамическая эффективность применения схем со связанными тепловыми и материальными потоками и двухзональной подачей экстрактивного агента.
Структурная оптимизация технологических схем разделения
В предыдущем разделе литературного обзора подробно изложены теоретический и практический аспекты экстрактивной ректификации. Показана ее роль в промышленности и дана оценка высокой энергетической эффективности этого процесса. Однако несмотря на все ее преимущества при разделении неидеальных смесей, ЭР как и все процессы разделения требующие затрат тепловой энергии сильно влияет на экономику всего производственного комплекса, элементом которого она является, и вносит существенный вклад в себестоимость конечного продукта. В связи с этим становится важной задача повышения термодинамической эффективности процессов разделения с целью снижения их эксплуатационных затрат и в первую очередь энергопотребления. До настоящего времени вопрос о выборе термодинамически оптимальной схемы разделения многокомпонентной смеси- остается нерешенным, хотя он ставился рядомі авторов. Зачастукг подход к выбору оптимальной схемы является чисто эмпирическим, при этом рассматриваются только обычные схемы разделения п-компонентной смеси в (п-І)-ой двухсекционной колонне. Только исследование термодинамически обратимой многокомпонентной ректификации обеспечивает научный подход к выбору оптимальной схемы разделения многокомпонентной смеси.
Обратимая ректификация идеальных бинарных смесей была впервые рассмотрена в работе [74] и исследована в [75-76]. Полностью обратимый процесс многокомпонентной ректификации описан в,работах [77-80], он имеет ряд характерных особенностей, в силу которых не может быть реализован на практике: 1. Установление равновесия между фазами в каждом сечении колонны; 2. Бесконечное число ступеней разделения; 3. Бесконечно малая скорость изменения состава и количества контактирующих фаз; 4. Дифференциальный подвод тепла или холода по высоте аппарата; 5. Наличие на каждой стадии разделения (п-2) распределенных компонентов между кубом и дистиллятом, где п — число компонентов, поступающих на разделение.
В процессе термодинамически обратимой ректификации поток флегмы на уровне дистиллята равен нулю, также как на уровне кубового продукта поток пара равен нулю. Изменяющиеся по высоте потоки жидкости и пара получаются за счет распределенного по высоте отпарной части дифференциального отвода тепла и распределенного по высоте укрепляющей части дифференциального подвода холода. Таким образом, в укрепляющей части идет преимущественно парциальная равновесная конденсация компонентов из пара в жидкость, а в отпарной части — преимущественно парциальное равновесное испарение компонентов из жидкости в паровую фазу. Для такого процесса суммарное изменение энтропии равно нулю. При этом в реальном процессе количество массы компонентов, переданной из фазы в фазу, должно равняться нулю, что говорит о практической неосуществимости процесса обратимого массопереноса, а также процесса обратимой ректификации.
Существование огромного множества вариантов технологических схем обусловлено термодинамической необратимостью процесса ректификации. Если осуществить на каждой стадии ректификацию обратимо, то все множество вариантов технологических схем "схлопывается" в один, поскольку для всех возможных исходных составов скорость производства энтропии будет одинакова и равна нулю. Полное разделение четырехкомпонентной смеси обратимой ректификацией с использованием системы простых двухотборных колонн, а также в одной сложной колонне показано на рис. 1.2.
Существование единственного варианта технологической схемы обусловлено тем, что осуществление обратимого процесса ректификации в каждой колонне накладывает новые ограничения на составы-получаемых фракций. Это связано с тем, что в случае обратимой ректификации вектор-нода, соответсвующая исходной смеси, подаваемой на разделение, коллинеарна линии материального баланса, то есть определяет положение этой линии[81]. Состав на тарелке пиания в случае минимального флегмового числа равен составу исходной смеси. Таким образом, составы конечных фракций предопределены направлением этой ноды. Отсюда следует, что в» случае обратимой ректификации колонна работает всегда в режиме первого класса фракционирования. Предельным режимом такого класса является режим, при котором в дистилляте концентрация самого тяжелолетучего компонента равна нулю, а в кубовом продукте — равна нулю концентрация самого легколетучего компонента. Именно в отношении этих двух крайних компонентов реализуется четкое разделение, в то время как другие компоненты оказываются распределенными между дистиллятом и кубовым продуктом.
Приближение реального процесса к термодинамически обратимому и другие способы повышения термодинамической эффективности процессов разделения
Несмотря на то, что процесс термодинамичеки обратимой ректификации неосуществим на практике, его изучение с одной стороны, позволяет глубже познать особенности любого реального процесса ректификации, с другой стороны, указывает направление, в котором желательно изменить процесс обычной ректификации для улучшения ее термодинамического коэффициента полезного действия. Используя некоторые особенности, реальную ректификацию можно приблизить к обратимому процессу. Например, путем осуществления промежуточного подвода тепла и холода по высоте колонны, что в свою очередь позволяет снизить производство энтропии при разделении в несколько раз [82]. Основные идеи обратимой ректификации были использованы при создании ректификационных схем разделения со связанными тепловыми и материальными потоками [83-84]. В работе [85] предложено несколько вариантов схем с обратимым смешением потоков (рис. 1.3). Для всех вариантов характерно одно из основных свойств обратимой ректификации: в каждой секции исчерпывается не более одного компонента.
Тем самым обеспечивается обратимость при смешении- потоков в районе питания. В вариантах II, Шб и IV непродуктовые колонны не имеют собственных дефлегматоров и кипятильников, а флегмовые потоки образуются путем отбора из смежных колонн. При этом ликвидируется также необратимость при смешении потоков на концах колонн. В вариантах III и IV отдельные двухсекционные колонны объединяются таким образом, что каждый продукт получается в одной точке. Это позволяет свести к минимуму количество подводимой энергии (не требуются затраты тепла и холода в точках стыка колонн). Вариант IV иллюстрирует принципиальную возможность полного разделения многокомпонентной смеси в одной сложной колонне, объем которой используется наилучшим образом. Предложенные схемы отличаются следующими принципиальными особенностями: Общее число секций для разделения n-компонентной смеси равно п(п— 1) вместо (2п-1) как в обычной схеме; Достаточно иметь только один дефлегматор и один кипятильник независимо от числа разделяемых компонентов; Ключевыми компонентами являются два, крайних по летучести компонента; В продуктовой колонне получается» п продуктов заданной чистоты. В термодинамическом отношении рассматриваемый способ разделения характеризуется- наличием только «полезных» термодинамических потерь при массопередаче на каждой тарелке.
Термодинамические потери при . смешении потоков в районе питания и на концах колонн отсутствуют. Авторами [85] было проведено сравнение условно идеальных тройных смесей симметричных составов с симметричными свойствами. В результате было показано, что экономия при использовании схемы с обратимым смешением потоков, составляет в среднем около 20%, а в некоторых случаях -до 40%. Для осуществления» на практике технологической схемы разделения, имеющей структуру обратимой ректификации, необходимо отказаться» от таких условий обратимого процесса, как установление равновесия- между фазами в.каждом сечении колонны, бесконечное число ступеней разделения, бесконечно малая скорость изменения состава и количества контактирующих фаз и дифференциальный подвод.тепла или холода по высоте аппарата. При этом структура схемы останется без изменений. В- отличие от обратимого процесса, при числе продуктовых фракций,, большем некоторой величины (различной для разных классов), схемы ректификации составляют множества с числом элементов, отличным от единицы. Это вызвано термодинамически необратимым характером процесса в каждой из колонн схемы.
Энтропия, производимая каждым из этих аппаратов при разделении, сбрасывается в окружающую среду. Поскольку технологическая схема в целом является комбинацией необратимых процессов в ее элементах, то и вся последовательность обладает характером необратимой ректификации. Для необратимой ректификации количество сбрасываемой в окружающую среду энтропии зависит от пути (последовательности разделения). Собственно структуру технологической схемы разделения- можно рассматривать г как некоторый путь, а все множество схем ректификации как набор, таких путей. Таким образом, количество сбрасываемой в окружающую среду энтропии зависит от структуры технологической схемы. Это приводит к тому, что затраты энергии на осуществление ректификационного разделения для каждого из путей (технологических схем необратимой ректификации) оказывается различными, следовательно, каждая из таких TCP обладает различной экономической эффективностью. Характерным примером может служить множество технологических схем. ректификации зеотропных смесей в простых двухсекционных колоннах при числе продуктовых фракций больше двух[93,158]. Промежуточное положение между обычными схемами ректификации и комплексами со связанными тепловыми потоками занимают комплексы с частично связанными тепловыми и материальными .потоками. К ним относят колонны с выносными отпарными или выносными укрепляющими секциями (стриппинг-секциями). В первом случае эти схемы имеют один общий дефлегматор и несколько кипятильников, а во втором - один общий кипятильник и несколько дефлегматоров (рис 1.4).
Разработка метода синтеза схем экстрактивной ректификации в комплексах колонн с частично связанными материальными потоками
Синтез технологических схем экстрактивной ректификации представляет собой сложную комбинаторную задачу. Ранее был предложен алгоритм ее решения при использовании двухотборных колонн[126]. Такой подход базируется на представлении технологической схемы ректификации (п+1)-компонентной смеси в виде графа с вершинами, отображающими колонны, и ребрами, соответствующими связям между ними. Также были выявлены работоспособные варианты организации процесса для каждого типа диаграмм парожидкостного равновесия трехкомпонентных азеотропных смесей [126].
Известно, что применение сложных колонн, при экстрактивной , ректификации [125, 127] приводит к повышению термодинамической эффективности процесса и снижению, энергозатрат на разделение как и при ректификации зеотропных смесей [81, 83, 128]. Решение задачи синтеза схем ректификации зеотропных смесей с частично связанными тепловыми и материальными потоками- предложено» в работе [95]. Для определения-работоспособных вариантов ЭР использовали алгоритм. [95], дополнив его запретом на стягивание по ориентированному ребру. Алгоритм [95] требует представить технологические схемы в виде графов. При этом вершины соответствуют сечениям, разделяющим либо ограничивающим секции колонн, а ребра — потокам пара и жидкости. Пара разнонаправленных ребер, инцидентных одной паре вершин, отображает секцию колонны (рис. 2.1).
Перед началом синтеза схем со связанными тепловыми и материальными потоками нам необходимо определить все возможные варианты схем, состоящих из двухотборных колонн. Для; этого сделаем ряд допущений: 1) Экстрактивный агент - самый тяжелолетучий компонент смеси. 2) Для любого требуемого разделения экстрактивной ректификации используется один и тот же экстрактивный агент. 3) Инверсия относительных летучестей не происходит. 4) Рассматриваются только трехколонные схемы ЭР(Число колонн в схеме равно числу компонентов исходной смеси).
Расположим компоненты смеси в порядке увеличения температур5 кипения, обозначив их А, В, С. Экстрактивный агент — самый тяжелокипящий компонент смеси — обозначим его S. В работе [126] были-выявлены работоспособные «базовые» варианты организации процесса ЭР трехкомпонентных азеотропных смесей. Всего таких вариантов пять для всего множество фазовых портретов парожидкостного равновесия трехкомпонентных смесей (схемы, П1-П5 на рис. 2.2). Три из них организованы таким образом, что экстрактивный агент направлен в первую колонну и при необходимости — во вторую.
Вариант Ш (рис.2.2 а) состоит из трех двухотборных колонн, целевым продуктом в каждой из которых является легколетучий компонент. Первая колонна — колонна экстрактивной ректификации. Подача экстрактивного агента осуществляется из куба третьей колонны в верхнее сечение первой колонны. В схемах П2 и ПЗ (рис.2.2 б, в) колонна экстрактивной ректификации также расположена первой по ходу разделения. В первой колонне схемы П2 осуществляется выделение под действием экстрактивного агента самого легколетучего компонента А, во второй колонне происходит выделение экстрактивного агента и, наконец, в последней колонне — разделение средне- и тяжелокипящих компонентов. В схеме ПЗ за колонной экстрактивной ректификации также следуют две колонны, однако под действием экстрактивного агента осуществляется разделение смеси на две, фракции АВ и CS, каждая из которых затем разделяется в индивидуальных колоннах.
Существуют еще две схемы из двухотборных колонн П4 и П5. .Разделение в них основано на предварительном отделении зеотропной составляющей трехкомпонентной смеси без применения экстрактивного агента. BI схеме П4 — это предварительное выделение легкокипящего-компонента А, а в схеме П5 — тяжелокипящего компонента С. Затем бинарная- смесь ВС в схеме П4 и АВ в схеме П5 разделяется под действием разделяющего агента S- в традиционном комплексе экстрактивной ректификации.
Применение алгоритма [95] к схемам прообразам Ш—ПЗ позволяет получить по три схемы образа для каждой из них. Образом схемы Ш является схема V1.1, состоящая, из сложной колонны экстрактивной» г. ректификации. Вплоть до зоны питания- эта структура полностью-соответствует классической схеме экстрактивной ректификации с: тяжелолетучим агентом. Ниже зоны питания расположена укрепляющая боковая секция. Тяжелокипящие продукты направляются в простую двухсекционную колонну регенерации экстрактивного агента. Эта колонна полностью идентична третьей колонне схемы П1. Стягивание графа, эксплицирующего схему Ш, по ориентированному ребру,. связывающему подграфы, отображающие вторую и третью колонны схемы, приводит к варианту организации процесса по графу VI.2 (рис. 2.2 а). В этом случае экстрактивная колонна не подвергается изменениям. Преобразуются только вторая и третья по ходу разделения колонны, образующие комплекс с частично связанными тепловыми и материальными потоками в виде колонны с боковой укрепляющей секцией, расположенной ниже зоны питания. Более глубокие преобразования приводят к одной сложной колонне, в которой рецикл экстрактивного агента связывает куб и верхнюю часть колонны, а ниже зоны питания расположены две укрепляющие секции. И сейчас, и в дальнейшем мы вне рассмотрения оставляем вопрос об изменении температуры- экстрактивного агента между точками его выделения и применения. В реальной схеме должен присутствовать теплообменник, обеспечивающий требуемую температуру подачи экстрактивного агента в колонну экстрактивной ректификации. Однако поскольку его расположение топологически неизменно- по отношению к колонне, экстрактивной ректификации, то при синтезе схем на данномэтапе исследования мы его не учитывали.
Образы схемы П2 более сложны (рис.2.2 б). Вг схеме V2.1 в первой колонне протекает как процесс выделения компонента А экстрактивной ректификацией, так и регенерация экстрактивного агента, выделяемого в качестве кубового продукта. Боковой погон, в основном состоящий из компонентов В и С и выделяемый из. укрепляющей секции, которая расположена ниже зоны, питания, направляется на ректификацию-в простую колонну.
Схема ПЗ является прообразом для двух схем V3.1 и V3.2 (рис.2.2 в). В схеме V3.1 в-первой колонне экстрактивной ректификации выше зоны,ввода экстрактивного агента расположена исчерпывающая боковая секция для выделения компонента В. Колонна регенерацииг ЭА остается без изменений относительно ИЗ. В схеме V3.2 в качестве дистиллята колонны экстрактивной ректификации отбирают смесь компонентов А и В, разделяемых в простой колонне. Схема-образ Ф3.1 состоит из одной сложной колонны, охваченной рециклом экстрактивного агента от куба до экстрактивной секции. Выше экстрактивной зоны расположена боковая исчерпывающая секция,.ниже зоны питания»— боковая укрепляющая секция.
Методикарасчета схем со связанными материальными потоками
Стоит уделить немного внимания и самому процессу расчета сложных колонн в программном комплексе PRO/II. Сложная колонна в традиционном понимании представлена на рис. 3.8. Как известно, число спецификаций (контролируемых параметров) колонны зависит от количества продуктовых потоков и равно числу степеней свободы процесса. Так для двухсекционной колонны оно равно двум, а для колонны с одним дополнительным отбором (также как и для колонны с боковой секцией) - трем. Таким образом при расчете сложной колонны количество необходимых параметров, задаваемых пользователем должно быть равно трем и в этом случае и сама сложная колонна и ее боковая секция будут рассчитываться как единый аппарат. Поиск решения в таком случае является достаточно сложной задачей даже для современных ЭВМ, а самое главное требует тщательного выбора исходных приближений, задаваемых пользователем. Рис. 3.8. Представление сложной колонны с боковой секцией в PRO/II. 119
Взглянем на рис. 3.9, на первый взгляд кажется, что с конструктивной точки зрения схема представленная на нем и на рис. 3.8 отличаются друг от друга, однако это не так. При равном числе контактных устройств в секциях колонн схема 3.9 будет идентична схеме 3.8 и следовательно будет иметь те же рабочие параметры. Достигается это путем связывания двух колонн обратным потоком. Тогда потоки S6 и S7 на рисунке 3.9 будут идентичны потокам пара и жидкости, на тарелке отбора бокового продукта в схеме 3.8. Потоки S6 и S7 схемы 3.8. будут соответствовать потокам пара и жидкости на тарелке питания второй колонны схемы 3.9. Представление схемы в таком виде сводит задачу к расчету двух отдельных колонн с двумя рабочими параметрами для каждой из них- и позволяет существенно сократить временные затраты. Этот метод моделирования ранее уже был использован в работе [134] и показал хорошие результаты. В наших исследованиях мы также использовали именно такой подход к расчету схем, содержащих сложные колонны с боковой секцией.
Разделение смеси циклогексан - бензол — 2,4-диметилпентан (рис.4.1), содержащей 3 бинарных азеотропа требует двукратного применения экстрактивного агента и значит для такой смеси будут реализовываться исключительно схемы с двукратной подачей экстрактивного агента, предложенные в Главе 2. Оргафры, соответствующие этим схемам, приведены на рис. 4.2. Вопросы выбора модели ПЖР для исследуемой смеси рассмотрены в Главе 3.
Так как технологические структуры процесса, экстрактивной1 ректификации, графы которых представлены на рис. 4.2 (за« исключением Illd), предложены нами впервые, и ни в промышленности, ни в литературных источниках не встречаются, то перед нами стояли задачи проверить методом расчетного- эксперимента их работоспособность и оценить целесообразность и эффективность их применения исходя из основного для процессов разделения критерия — энергозатрат. Здесь и далее под энергозатратами на разделение понимается суммарная нагрузка на кипятильники колонн комплекса экстрактивной ректификации.
Так как понятие комплекс экстрактивной ректификации подразумевает наличие в технологической схеме как экстрактивной ректификации, так и регенерации экстрактивного агента, то для выявления основных параметров, влияющих на энергоемкость процесса рассмотрим уравнения теплового баланса отдельных элементов схемы.
Для колонны экстрактивной ректификации при заданных количестве, составе питания и качестве - продуктов поток дистиллята определяется из общего материального баланса колонны и является фиксированной величиной. Следовательно, теплосодержание верхнего продукта QD -величина практически постоянная. Величина QF в уравнении также является постоянной, поскольку все расчеты проводили при фиксированном количестве исходной смеси заданного состава.
Величина кубового потока определяется из материального баланса и зависит от соотношения F:3A. Следовательно, теплосодержание нижнего продукта Qw зависит от расхода разделяющего агента.
Таким образом, величина энергетических затрат в кубе экстрактивной колонны ЭР в рассматриваемом случае зависит в основном от флегмового числа, температуры и расхода подаваемого в колонну экстрактивного агента. Как известно; флегмовое число в колонне заданною эффективности определяется, с одной- стороны, природой разделяемой смеси, а с другой — положением тарелки питания, поскольку в зависимости от точки подачи исходной смеси в колонне формируется определенный профиль концентраций компонентов (траектория ректификации). В колонне: экстрактивной ректификации на формирование профиля оказывает существенное влияние и уровень ввода ЭА.
Температура подачи в колонну ЭА оказывает неоднозначное влияние на величину энергозатрат. С одной стороны, как видно из уравнения (4.4), чем выше температура ЭА, тем меньше Q n- Однако поскольку ЭА подают в. верхнее сечение колонны и при этом увеличивается его концентрация на верхних тарелках, то для получения дистиллята заданного качества потребуются более высокие значения флегмового числа, чтош свою очередь приводит к росту QK-НП- Кроме того, с ростом температуры как правило падает селективность ЭА.
