Системы с обратимым смешением потоков и со связанными тепловыми потоками

Системы с обратимым смешением потоков были предложены Ф. Петлюком с сотр., как приближение к схеме термодинамически обратимого процесса ректификации многокомпонентных смесей в системе простых колонн (R->R_min). При этом пришлось отказаться от ряда общепринятых принципов ректификации многокомпонентных смесей, таких, как четкое разделение в каждой колонне по ключевым компонентам, являющимися соседними по летучести, наличие дефлегматора и кипятильника в каждой колонне и отсутствие тепловой связи между колоннами. На рис. 9.12 показана система с обратимым смешением потоков для разделения трехкомпонентной зеотропной смеси. В данном случае технологическая схема разделения повторяет схему термодинамически обратимой ректификации: в каждой секции исчерпывается только один компонент, т. е. в каждой колонне ключевыми являются крайние по летучести компоненты. Кроме того, вся система имеет только один дефлегматор и один кипятильник, установленные в точках получения крайних по летучести компо;

Рис. 9.12. Схемы некоторых видов ректификационных систем с обратимым смешением потоков и со связанными тепловыми потоками: а-г — варианты систем с обратимым смешением потоков для разделения трехкомпонентной зеотропной смеси; д — комплекс со связанными тепловыми потоками для разделения четырехкомпонентной зеотропной смеси центов разделяемой смеси.

Тепловая связь между колоннами осуществляется путем противоположно направленных потоков пара и жидкости между точками питания и концевыми точками колонн.

Термодинамические преимущества такого способа разделения обусловлены отсутствием термодинамических потерь при смешении потоков в точках ввода сырья и на концах колонн, а также термодинамических потерь при подводе и отводе тепла во всех точках вывода промежуточных по летучести продуктов. Как показало расчетное исследование, движущие силы процесса массообмена в этом случае распределены по высоте колонны значительно более равномерно, чем при обычном способе ректификации.

Все это приводит к значительному снижению энергозатрат и термодинамической работы разделения.

Еще большие термодинамические преимущества и еще большее приближение к обратимому процессу ректификации можно получить при сочетании систем с обратимым смешением потоков и систем с недиабатическим ведением процесса ректификации (промежуточный подвод тепла и холода).

Оптимальными режимными параметрами в каждой колонне являются D₀6_P — отбор дистиллата, и R₀б_Р — флегмовое число в режиме с обратимым смешением потоков. При этих параметрах в каждой секции имеются две зоны постоянных концентраций: в точке питания и на конце колонны. Отклонение от этих условий приводит к увеличению затрат на разделение.

Расчет систем с обратимым смешением потоков для трехкомпонентных смесей показал^ что суммарные энергозатраты (суммарное количество испаряемой жидкости) по сравнению с обычными схемами ректификации при симметричном составе (=х_(Т) и свойствах (а_А/а_н =а_в/а₍)могут быть снижены почти в два раза.

Расчеты, проведенные для конкретных промышленных смесей, также показали значительные энергетические преимущества систем с обратимым смешением потоков.

Так, при выделении из смеси состава, % (мол.): о-Ксилол 22.

т- и «-Ксилол 58.

Этилбензол 20.

Для получения в качестве целевых продуктов о-ксилола 98%-ой чистоты и этилбензола 99,6%-ой чистоты при обычной схеме разделения суммарное количество испаряемой жидкости на 100 молей сырья составит 1829 моль, а при использовании систем с обратимым смешением потоков — 1279 моль, т. е. на 30% меньше.

Другим примером является разделение смеси хлорметанов состава, мол. %:

СН₂С1₂ 17,05.

СНС1₃ 62,6.

СС1₄ 20,35.

СН₂С1₂ 97,5.

СНС1₃ 99,7.

СС1₄ 92,5.

Суммарное количество испаряемой жидкости на 100 молей сырья при обычной схеме составляет 579 молей, а при использовании систем с обратимым смешением потоков — 255 молей, т. е. на 44% меньше.

Еще больший энергетический выигрыш можно получить от применения систем с обратимым смешением потоков при разделении смеси на четыре и более продукта.

В последние годы появился ряд новых отечественных и зарубежных работ, посвященных исследованию систем с обратимым смешением потоков.

Практический интерес представляют не только комплексы с обратимым смешением потоков в своем законченном виде, но и их модификации, более близкие к обычным схемам ректификации. В частности, первая по ходу колонна может быть не связана обратными потоками со второй продуктовой колонной (в этом случае первая колонна имеет дефлегматор и кипятильник). В ряде работ показано, что в определенной области составов исходной смеси такие модификации также обладают экономическими преимуществами перед обычными схемами ректификации.

С другой стороны Ф. Петлюком с сотр. был предложен и исследован более широкий класс ректификационных систем со связанными тепловыми потоками, частным случаем которых являются системы с обратимым смешением потоков. Для систем со связанными тепловыми потоками характерно то, что ключевыми в каждой двухсекционной колонне не обязательно являются крайние по летучести компоненты. В этом случае несколько возрастают затраты на разделение ввиду термодинамической необратимости при смешении потоков в точках питания, однако уменьшается число ректификационных секций и ступеней разделения.

На рис. 9.12 д. показан вариант системы со связанными тепловыми потоками для разделения смеси на четыре продукта.

Если в отдельных двухсекционных колоннах системы имеются распределяющиеся компоненты (ключевые компоненты не являются соседними по летучести), то оптимальными режимными параметрами в этих колоннах являются соответствующие параметры Д_р, R_lv — граничные значения отбора дистиллага и флегмового числа R, при которых исчерпывается один из компонентов или нижний продукт.

В отличие ст систем с обратимым смешением потоков особенностью систем со связанными тепловыми потоками является наличие (наряду с укрепляющими и огпарными) буферных обменных секций (например, секция между точками вывода продуктов 2 и 3 на рис. 9.12 д). В этих секциях потоки пара V и жидкости L равны между собой, так как суммарные скорости компонентов равны нулю, т. е. изменение концентраций компонентов по высоте этих секций подчиняется закономерностям ректификации при полной флегме (бесконечная флегма).

Системы со связанными тепловыми потоками были исследованы применительно к разделению ряда промышленных смесей. Их использование (рис. 9.12 д) на установках газофракционирования для разделения смеси ИЗ0-С4, Н-С4, ИЗ0-С5, н-Cs позволяет уменьшить энергозатраты на разделение приблизительно на 50%. Аналогичные результаты может дать применение систем со связанными тепловыми потоками в установках вторичной перегонки бензинов.

Расчет комплекса со связанными тепловыми потоками для разделения фракции низкокипящие (н.к.) — 180 на фракции н.к. — 85, 85−105, 105−140 и 140−180 (по схеме, приведенной на рис. 9.12д) с последующим разделением фракции н.к. — 85 на н.к. — 62 и 62−85 показал, что по сравнению с обычной схемой экономия расхода тепла составляет 46%.

Колонны с выносными выпарными секциями, широко распространенные в нефтепереработке (установки первичной перегонки нефти, каталитического крекинга, разделения ароматических углеводородов, первичной перегонки бензинов и др.), и колонны с выносными укрепляющими секциями (например, системы для разделения воздуха с получением азота, аргона и кислорода) следует классифицировать, как системы с частично связанными тепловыми потоками. Промышленные системы с частично связанными тепловыми потоками показаны на рис. 9.13.

Эти системы занимают промежуточное место между системами со связанными тепловыми потоками и обычными схемами ректификации. По схеме разделения — это или схемы последовательного отделения тяжелых компонентов (колонны с выносными отпарными секциями) или схемы последовательного отделения легких компонентов (колонны с выносными укрепляющими секциями). Эти схемы имеют один.

Рис. 9.13. Схемы промышленных ректификационных систем с частично связанными тепловыми потоками: а — с боковыми отпарными секциями для разделения сырой нефти на фракции; б — с боковой укрепляющей секцией для разделения воздуха на кислород, азот и аргон; / — ввод острого водяного пара; (л) — дроссель общий дефлегматор и несколько кипятильников (вместо кипятильников на установках первичной перегонки нефти используют отпарку острым водяным паром) или один общий кипятильник и несколько дефлегматоров. Энергетические затраты на разделение в системах с частично связанными тепловыми потоками являются средними между затратами при обычных схемах ректификации и затратами в системах с полностью связанными тепловыми потоками.

В целом системы с обратимым смешением потоков и со связанными тепловыми потоками позволяют весьма значительно снизить энергетические затраты на разделение разнообразных смесей. В каждом конкретном случае этот выигрыш зависит от состава разделяемой смеси и соотношения относительных летучестей разделяемых компонентов. Например, при разделении трехкомпонентной смеси в системе с обратимым смешением потоков энергетический выигрыш по сравнению с обычной схемой ректификации возрастает, если в разделяемой смеси увеличивается концентрация среднего по летучести компонента.

Имеются сообщения об использовании в зарубежной практике систем (сложные колонны) с обратимым смешением потоков (рис. 9.12г).

Вместе с тем системы с обратимым смешением потоков и со связанными тепловыми потоками обладают некоторыми недостатками, которые затрудняют их внедрение.

К недостаткам относятся: необходимость поддерживать одно и то же давление во всех колоннах системы, некоторое увеличение числа ступеней разделения, а также усложнение схемы регулирования. Возможно, что последнее обстоятельство не играет особенно важной роли, благодаря самокомпенсации. Эффективность системы мало чувствительна к концентрациям и расходам потоков, связывающих колонны системы между собой. При перераспределении потоков более высокая степень разделения в одной секции колонны компенсируется снижением степени разделения в другой секции.

В соответствии с изложенными выше эвристическими правилами условия выбора систем с обратимым смешением потоков и со связанными тепловыми потоками могут быть следующие условия:

• — температурные уровни в дефлегматоре и в кипятильнике системы при некотором давлении (интервале давлений) позволяют использовать наиболее дешевые хладогент и теплоноситель;
• — концентрации компонентов в питании лежат в определенных пределах.