Системы с рекуперацией тепла

К системам с рекуперацией тепла условно отнесем все ректификационные системы, в которых снижение затрат на разделение достигается в результате теплообмена между потоками и подвода тепла и холода на промежуточных изотермах (между изотермами верха и низа колонны). Такие системы могут включать одну или несколько ректификационных колонн. К ним относятся системы с тепловым насосом, с промежуточным подводом холода и тепла, с несколькими вводами сырья при различных температурах и составах равновесных фаз и систем с теплообменом между конденсирующимися и испаряющимися потоками различных ректификационных колонн. Возможны и некоторые другие ректификационные системы, относящиеся к этому же типу, например, конденсационно-испарительная система, разрезная колонна, колоны двукратной и ступенчатой ректификации с двумя и более уровнями давления и с теплообменом между конденсирующимися и испаряющимися потоками, используемые, например, при разделении воздуха. Основная цель использования этих систем — снижение энергетических затрат на разделение.

Вместе с тем, для азеотропных смесей комплексы с промежуточным подводом холода и тепла могут в некоторых случаях быть использованы для преодоления термодинамических ограничений процесса.

Одним из методов повышения энергопотенциала при рекуперации тепла в процессе ректификации является использование ректификационных установок с термокомпрессией пара (тепловым насосом). В них теплота фазового перехода, отбираемого из ректификационной колонны идет на создание парового потока в колонне. Температура, циркулирующего в системе теплоносителя, с помощью которого передается тепло с низкого уровня в конденсаторе на более высокий в кипятильнике, повышается в компрессоре. Теплоноситель испаряется в конденсаторе, его пары сжимаются в компрессоре до давления, при котором температура конденсации теплоносителя будет выше температуры кипения кубового продукта. Затем теплоноситель направляется в кипятильник, где конденсируется, испаряя часть кубовой жидкости.

Реализация теплового насоса в ректификационной колонне возможна как на концевых, так и на промежуточных потоках с использованием одного из концевых потоков в качестве теплоносителя или с использованием внешнего теплоносителя (рис. 9.10).

Выбор той или иной схемы реализации теплового насоса зависит от ряда факторов: теплофизических и технологических, конструкционных и технико-экономических.

Использование схем с тепловым насосом (рис. 9.10) и с теплообменом между конденсирующимися и испаряющимися потоками различных ректификационных колонн (рис. 9.11) не влияет на процесс ректификации, но снижает внешние термодинамические потери, связанные с подводом тепла и холода.

Системы с тепловым насосом целесообразно использовать при малой разности температур между верхом и низом колонны (близкокипящая смесь), при больших флегмовых потоках и низких температурах верха колонны (дорогой хладоноситель), т. е. при больших энергозатратах на разделение. Эти признаки можно использовать как эвристические при синтезе оптимальных схем разделения. Примером использования системы с тепловым насосом может служить пропанпропиленовая колона в некоторых установках получения этилена и пропилена.

Системы с теплообменом между конденсирующимися и испаряющимися потоками различных ректификационных колонн целесообразно (рис. 9.11а) использовать при достаточной положительной разности температур между верхом одной колонны и низом другой.

Системы с промежуточным подводом тепла и холода (рис. 9.116) и несколькими вводами сырья при различных изотермах и составах фаз (рис. 9.11 в) не только снижают внешние термодинамические потери, связанные с подводом тепла и холода, но и оказывают влияние на сам процесс ректификации. Термодинамический выигрыш от использования таких систем получается за счет приближения процесса ректификации в отдельной колонне к термодинамически обратимому процессу, для которого внутренние потоки пара и жидкости изменяются в каждой точке по высоте колонны.

В системах с промежуточными подводами тепла и холода и с конечным числом ступеней разделения наилучшее при.

Рис. 9.10. Схемы ректификационных установок с термокомпрессией пара на концевых (схемы а, б, в) и промежуточных (г) потоках с использованием верхнего (б), нижнего (в) и внешнего (а, г) потоков в качестве теплоносителя.

приближение к термодинамически обратимому процессу ректификации можно получить, если подводить тепло или холод в каждую ступень разделения.

При промежуточных подводах тепла и холода (рис. 9.10г) общее их количество может быть таким же, как и при адиабатической ректификации, однако тепло подводится при более низких, а холод при более высоких температурах. Это позволяет рекуперировать потоки при меньших затратах.

В ряде случаев тот же эффект уменьшения работы разделения может быть достигнут путем ступенчатой конденсации (например, в узле деметанизации установок получения этилена) или ступенчатого испарения сырья (например, на установках первичной перегонки нефти) и ввода его в колонну в нескольких точках.

Рис. 9.11. Схемы некоторых видов ректификационных систем с рекуперацией тепла и с термодинамически выгодным подводом и отводом тепла: а — система с теплообменом между конденсирующимися и испаряющимися потоками различных ректификационных колонн; б — система с промежуточным подводом тепла и холода; в — система со ступенчатой конденсацией сырья и несколькими вводами в колонну; 1,2,3,4 — продукты.

(например, в узле деметанизации установок получения этилена) или ступенчатого испарения сырья (например, на установках первичной перегонки нефти) и ввода его в колонну в нескольких точках.

При этом так же, как и при промежуточных подводах тепла и холода в колонну, тепло подводится при более низких, а холод при более высоких температурах по сравнению с их подводом в кипятильник и дефлегматор.

Ступенчатый подогрев сырья без сепарации и ввод его в ректификационную колонну в нескольких точках также приводят к уменьшению энергетических затрат на разделение в дефлегматоре и кипятильнике. Так, проведенные расчетные исследования колонны частичного отбензинивания установок АВТ показали, что при одном и том же отборе бензина с верха этой колонны и одном и том же суммарном теплосодержании сырья переход к двум вводам питания приводит к уменьшению нагрузки на печь на 6−12%.

Эвристическими признаками использования систем с промежуточным подводом тепла и холода и с несколькими вводами сырья при синтезе оптимальных схем разделения являются большие энергозатраты на разделение и большая разность температур между верхом и низом колонны.

Следует иметь в виду, что применение этих систем приводит к некоторому уменьшению движущих сил процесса. Следовательно, для получения продуктов с той же чистотой, что и при обычной ректификации, необходимо большее число ступеней разделения.

При большой разнице температур между питанием и верхом колонны целесообразно использовать промежуточные холодильники и, наоборот, при большой разнице температур между питанием и низом колонны — промежуточные нагреватели.

Если исходное состояние сырья — пар, а температура верха колонны низка, рекомендуется использовать ступенчатую конденсацию и множественный ввод сырья. Если исходное состояние сырья — жидкость, а температура низа колонны высока, целесообразно использовать ступенчатое испарение и множественный ввод сырья.

Во всех рассмотренных выше случаях системы с рекуперацией тепла позволяют главным образом снизить энергозатраты на разделение за счет определенного усложнения технологии. Поэтому их использование экономически оправдано только в тех случаях, когда соответствующий разделительный элемент является «узким местом» схемы разделения, т. е. потребляет основные затраты.

Особым случаем применения систем с промежуточным подводом тепла или холода является их использование для преодоления термодинамических ограничений при ректификации азеотропных смесей. Если процесс разделения при бесконечной флегме невозможен (продуктовые точки принадлежат разным областям ректификации), а при обратимой ректификации возможен (продуктовая точка и точка питания лежат в одной области обратимой ректификации для данной секции), то в некоторых случаях реальный процесс ректификации возможен только при промежуточном подводе тепла или холода.

Очевидно, что в данном случае применение системы с промежуточным подводом энергии является вполне оправданным.