Разработка энергосберегающей технологии ректификации циклических углеводородов

технологии ректификации циклических углеводородов" width="45" height="35" align="BOTTOM" border="0" />

70 4/12 0.07 7.222 1. 206 10.985 80 3/10 0.91 7.444 1.127 10.888 90 3/10 1.98 7.795 1.127 10.888 100 4/11 3.17 8.171 1.134 10.893

Рис.25. Изменение энергозатрат в зависимости от температуры подачи ЭА.

Видно, что при изменении температуры подачи ЭА оптимальное положение уровня подачи ЭА практически не изменяется. Флегмовое число уменьшается с уменьшением температуры. Это связано с тем, что при более высокой температуре возрастает концентрация анилина в укрепляющей секции колонны и для получения циклогексана заданного качества требуется возвращать в колонну больший поток флегмы. Зависимость суммарных энергозатрат от температуры имеет экстремальный характер – минимальные энергозатраты наблюдается при температуре подачи ЭА 80°С, что видно из рисунка 25.

Изменение энергозатрат на разделение при разных температурах подачи экстрактивного агента можно объяснить, рассмотрев уравнение теплового баланса экстрактивной колонны (4).

(4)


QF-количество тепла, поступающее с потоком исходной смеси

QЭА - количество тепла, поступающее в колонну с потоком экстрактивного агента;

QD-количество тепла, отводимое из колонны с потоком дистиллята;

QW - количество тепла, отводимое из колонны с кубовым потоком;

Qконд - количество тепла, отводимое при конденсации потоков дистиллята и флегмы;

Члены уравнения Qконд и QЭА зависят от ТЭА. С одной стороны, с ростом температуры анилина происходит увеличение флегмового числа и затрат на конденсацию (Qконд), а с другой стороны, увеличивается количество тепла, приносимое потоком ЭА в колонну (QЭА). Очевидно, что увеличение Qконд приводит к росту энергопотребления в кубе, а увеличение QЭА – к его снижению.

Определив на предыдущем этапе оптимальные уровни подачи входящих потоков экстрактивной колонны, а также температуру ввода разделяющего агента, закрепив их, мы исследовали влияние расхода ЭА на энергозатраты. Некоторые результаты представлены в табл.7 и на рис.26.

Таблица 7. Зависимость энергозатрат от расхода ЭА при температуре его подачи

80 0С. Уровни подачи NЭА/NF = 3/10.

Расход ЭА, кмоль/ч

Энергозатраты, ГДж/ч


70 1.52 1.136 7.524 9.483
80 1.37 1.131 7.508 9.587
90 1.23 1.129 7.491 9.692
100 1.08 1.129 7.474 9.796
110 0.93 1.131 7.457 9.900

Из приведенных данных видно, что энергозатраты экстрактивной колонны мало зависят от расхода ЭА.

Для всей схемы в целом наблюдается монотонная зависимость энергозатрат с минимальным значением при расходе ЭА, равным 70 кмоль/час. С уменьшением расхода анилина увеличивается флегмовое число и, соответственно, энергозатраты на конденсацию.

Наряду с этим уменьшается количество тепла, приносимое в колонну с потоком экстрактивного агента. Это приводит к росту Qкип. С другой стороны, за счет уменьшения кубового потока происходит снижение Qw, а следовательно и Qкип.

Рис.26. Зависимость энергозатрат от расхода ЭА при температуре 800С.

Далее мы проделали подобную процедуру для каждого значения температуры ЭА и различного положения тарелок питания, в результате мы определили оптимальный расход экстрактивного агента. При этом для каждого набора параметров фиксировали энергозатраты на разделение. Результаты расчета приведены в таблице 8.

Таблица 8. Зависимость величины оптимального расхода ЭА от его температуры и положения тарелок.


NЭА/NF

Опт. расход ЭА,

моль/час


Энергозатраты, ГДж/час



Тэа=1000С
3/8

70

 3. 20 1.146 9.493
3/9
1.13 1,133 9.901
3/10
1.13 1,136 9.901
4/8
1. 19 1, 195 9.971
4/9
1.15 1,148 9.917
4/10
1.14 1,140 9.903
Тэа=900С
3/8

70

 2.06 1.146 9.493
3/9
2.35 1.134 9.480
3/10
2.00 1.136 9.483
4/9
2.07 1.147 9.493
4/10
2.03 1.139 9.485
4/11
2.04 1.1478 9.493
Тэа=800С
3/8

70

 1,54 1.146 9.493
3/9
1,53 1.134 9.480
3/10
1.53 1.136 9.483
4/9
1,55 1.147 9.492
4/10
1,54 1.139 9.485
4/11
1,53 1.147 9.493
Тэа=700С
3/8

70

 0.98 1.145 9.492
3/9
0.94 1.133 9.481
3/10
0.93 1.136 9.483
4/9
0.99 1.146 9.491
4/10
0.95 1.136 9.494
4/11
0.96 1.147 9.493
Тэа=600С
3/8

70

 0.11 1.182 9.535
3/9
0.08 1.174 9.529
3/10
0.07 1.171 9.528
4/9
0.10 1.182 9.535
4/10
0.07 1.175 9.530
4/11
0.07 1.172 9.528

Как видно из таблицы 8, минимальные энергозатраты в кипятильниках колонн обеспечиваются при следующих значениях рабочих параметров:

температуре подачи ЭА 80-900С;

расходе ЭА 70 кмоль/час;

уровнях подачи экстрактивного агента и исходной смеси на 3 и 9 тарелки соответственно.

В таблице 9 приведены обобщенные данные зависимости энергозатрат на разделение от температуры экстрактивного агента при его оптимальном расходе.

Таблица 9. Зависимость энергозатрат от расхода ЭА при разных температурах подачи ЭА.

Т ЭА, 0С Опт. расход ЭА, кмоль/час RЭК Энергозотраты, ГДж/час



QЭК

100 70 1.13 1,136 9.901
90 70 1.35 1.134 9.480
80 70 1,53 1.133 9.480
70 70 0.94 1.133 9.481
60 70 0.07 1.171 9.528

В общем, с уменьшением температуры экстрактивного агента флегмовое число уменьшается. Минимальные энергозатраты наблюдаются при расходе 70 кмоль/час и температуре подачи ЭА 900С.

Таким образом, нами были найдены оптимальные параметры работы экстрактивной колонны: температура подачи анилина в колонну, расход экстрактивного агента, уровень ввода ЭА и исходной смеси. Далее, при фиксированных параметрах экстрактивной колонны, мы определили тарелку питания в колонне регенерации анилина. Результаты расчета приведены в табл.10.

Таблица 10. Оптимальное положение тарелки питания в колонне регенерации А.

NF Энегозатраты, ГДж/ч
8 9.480
9 9.480
10 9.470
11 9.481

Затем, при закрепленных оптимальных параметрах экстрактивного комплекса, мы определили тарелку питания в колонне выделения этилбензола. Результаты представлены в табл.11.

Таблица 11. Оптимальное положение тарелки питания в колонне выделения этилбензола

NF Энегозатраты, кДж/ч
13 8.909
14 8.896
15 8.781
16 8.888

Таким образом, оптимальными рабочими параметрами схемы 3 состоящей из двухотборных колонн являются следующие:

температура подачи анилина в колонну ЭР – 90 0С;

расход экстрактивного агента – 70 кмоль/час;

для колонны экстрактивной ректификации: уровень ввода ЭА – 3 т. т., исходной смеси – 9 т. т.;

для колонны регенерации ЭА: уровень ввода питания – 10 т. т.;

для колонны выделения ЭБ: уровень ввода питания – 15 т. т.

Определение оптимальных рабочих параметров схемы, содержащей сложную колонну с боковой секцией

Разделение смеси циклогексан – бензол – этилбензол с использованием анилина в качестве экстрактивного агента возможно в схемах, содержащих сложные колонны с боковыми секциями. Выше была проведена процедура синтеза таких схем и получено пять работоспособных структур. С целью выявить наименее энергоемкий из них, нами была проведена параметрическая оптимизация полученных вариантов разделения. В результате при фиксированных температуре, давлении и составе исходной смеси и качестве продуктовых потоков была определена совокупность параметров (температура, расход и уровень ввода экстрактивного агента, количество и уровень бокового отбора, положение тарелок питания колонн технологической схемы), которые обеспечивают минимальные энергозатраты. Для всех технологических схем, включающих сложные колонны с боковыми секциями, этапы оптимизация идентичны. В связи с этим представим полную процедуру нахождения оптимальных параметров для одной структуры, принципиальная схема которой приведена на рис.27.

Исходная смесь подается в середину колонны К1, где в качестве куба выделяется ЭБ. Остальная смесь поступает в середину сложной колонны К2, а экстрактивный агент (анилин) подается наверх этой колонны. Дистиллятом является практически чистый циклогексан. Ниже точки питания в паровой фазе отбирается поток, который направляют в боковую исчерпывающую секцию К3, продуктом которой является бензол. Кубовый продукт сложной колонны представляет собой практически чистый анилин, который смешивают с небольшим количеством свежего экстрактивного агента и направляют на рецикл в сложную колонну.

Рис.27. Схема экстрактивной ректификации смеси циклогексан – бензол – этилбензол, содержащая сложную колонну с боковой укрепляющей секцией.

Все расчеты проводили на 100 кмоль/ч исходной смеси состава ЦГ: Б: ЭБ = 10: 80: 10%мол. Качество продуктовых фракций задавали равным 95%мол., регенерированного анилина – 99,9%мол. Все аппараты технологической схемы работают при давлении 0,3 кг/см2. Эффективность сложной колонны в данном случае составляет 30 т. т., боковой секции – 10 т. т., колонны регенерации – 20 т. т.

Первоначально было исследовано влияние на энергозатраты температуры подачи экстрактивного агента при закрепленном соотношении исходная смесь: ЭА = 1: 2 и фиксированном количестве отбора в боковую секцию 87 кмоль/ч. При этом для каждого значения температуры агента определили оптимальное положение тарелок подачи в колонну исходной смеси и ЭА и тарелки отбора в боковую секцию. Результаты расчетов приведены в табл.12.

Таблица 12. Зависимость энергозатрат от температуры подачи в колонну ЭА. Соотношение F: ЭА = 1: 2; количество отбора в боковую секцию – 87 кмоль/ч


ТЭА, °С

NЭА/NF/NБО


RБС

 Тепловые нагрузки, ГДж/час




QкондБС


60

 4/14/22 0.01 0.08 -3.115 -0.265 10.056

4/14/23 0.01 0.08 -3.115 -0.265 10.055

5/13/22 0.01 0.08 -3.115 -0.265 10.055

70


 4/14/22 0.06 0.07 -3.128 -0.290 9.7921

4/14/23 0.07 0.07 -3.129 -0.290 9.7911

5/13/22 0.06 0.07 -3.128 -0.290 9.7912

5/13/23 0.07 0.07 -3.129 -0.290 9.7911

5/14/22 0.06 0.07 -3.128 -0.290 9.7912

5/14/23 0.07 0.07 -3.129 -0.291 9.7912

5/15/22 0.06 0.07 -3.128 -0.290 9.7911

5/15/23 0.07 0.07 -3.129 -0.291 9.7912

6/14/22 0.06 0.07 -3.128 -0.291 9.7912

6/14/23 0.07 0.07 -3.129 -0.291 9.791

80

 4/14/22 0.15 0.07 -3.145 -0.327 9.517

4/14/23 0.15 0.07 -3.145 -0.327 9.512

5/13/22 0.15 0.07 -3.144 -0.326 9.513

5/13/23 0.15 0.07 -3.145 -0.327 9.514

5/14/22 0.15 0.07 -3.144 -0.326 9.513

5/14/23 0.15 0.07 -3.145 -0.327 9.513

5/15/22 0.15 0.07 -3.144 -0.326 9.513

5/15/23 0.15 0.07 -3.145 -0.326 9.513

6/14/22 0.15 0.07 -3.144 -0.327 9.513

6/14/23 0.15 0.07 -3.145 -0.327 9.513

90


 4/14/22 1. 19 0.08 -3.151 -0.556 9.405

4/14/23 1. 20 0.08 -3.151 -0.558 9.406

5/13/22 1. 20 0.08 -3.151 -0.555 9.404

5/13/23 1. 20 0.08 -3.151 -0.556 9.405

5/14/22 1. 19 0.08 -3.151 -0.554 9.403

5/14/23 1. 20 0.08 -3.151 -0.556 9.404

5/15/22 1. 19 0.08 -3.151 -0.554 9.403

5/15/23 1. 20 0.08 -3.151 -0.555 9.404

6/14/22 1. 19 0.08 -3.151 -0.554 9.403

6/14/23 1. 20 0.08 -3.151 -0.555 9.404

Продолжение.


100


 4/15/22 2.67 0.08 -3.151 -0.928 9.404

4/15/23 2.67 0.08 -3.151 -0.930 9.405

5/13/22 2.67 0.08 -3.151 -0.927 9.404

5/13/23 2.68 0.08 -3.151 -0.929 9.405

5/14/22 2.67 0.08 -3.151 -0.927 9.403

6/13/22 2.68 0.08 -3.151 -0.929 9.405

6/13/23 2.69 0.08 -3.151 -0.930 9.406

6/14/22 2.67 0.08 -3.151 -0.927 9.403

Как видно из рис.28, с ростом температуры ЭА снижаются энергозатраты. Qкип достигает минимального значения при ТЭА = 100 °С.

Рис.28. Влияние ТА на энергозатраты

В данном случае на величину тепловой нагрузки на кипятильник сложной колонны влияют величины QЭКконд, QБСконд и QЭБконд.

Поскольку количество бокового отбора фиксировано и оптимальное положение тарелок питания и отбора в боковую секцию практически не изменяется, то QЭКконд практически не изменяется от ТЭА. При этом флегмовое число в основной колонне, а следовательно и QЭБконд, увеличивается, что приводит к росту QЭАкип. Вместе с тем увеличивается количество тепла, приносимое в колонну с потоком ЭА, что способствует снижению энергопотребления в кубе.

На следующем этапе мы исследовали влияние на энергозатраты количества отбираемого в боковую секцию потока при фиксированном соотношении F: ЭА = 1: 2, а также при температуре, тарелках питания и бокового отбора, обеспечивающих минимальные энергозатраты – ТЭА = 100°С и NЭА/NF/NБО =5/14/22. Результаты расчетов приведены в табл.13.

Видно, что с увеличением количества потока, отбираемого в боковую секцию, энергозатраты в кубе падают и достигают минимального значения при БО = 89 кмоль/ч. Здесь энергетику схемы определяет боковая секция сложной колонны, с уменьшением бокового отбора падает ее флегмовое число и нагрузка на конденсатор.

Таблица 13. Влияние количества потока, отбираемого в боковую секцию на энергозатраты. ТЭА = 100 °С, F: ЭА = 1: 2, NЭА/NF/NБО =5/14/22

Количество БО, кмоль/ч

RБС Тепловые нагрузки, ГДж/ч



QкондБС

84 3.08 0.02 1.243 3.037 9.591
85 2.95 0.04 1.138 3.075 9.531
86 2.83 0.06 1.034 3.113 9.472
87 2.68 0.09 0.920 3.149 9.373
88 2.49 0.11 0.810 3.186 9.301
89 2.25 0.15 0.703 3.228 9.272

Далее мы проделали эту процедуру при различных температурах подачи ЭА. При этом для каждой температуры рассматривали несколько наборов NЭА/NF/NБО. Результаты представим в табл.14.

Таблица 14. Оптимальное количество БО в зависимости от ТЭА и положения тарелок питания и отбора. F: ЭА = 1: 2.

NЭА/NF/NБО Оптимальное количество БО, кмоль/ч

RБС Тепловые нагрузки, ГДж/ч




QкондБС

ТЭА = 100 0С.
4/14/22 89 2.24 0.15 0.703 3.227 9.257
4/14/23
2.25 0.14 0.708 3.229 9.275
5/13/22
2.25 0.14 0.706 3.228 9.273
5/13/23
2.25 0.15 0.708 3.228 9.275
5/14/22
2.25 0.15 0.703 3.228 9.272

Продолжение.

6/13/22
2.26 0.15 0.707 3.229 9.274
ТЭА = 90 0С.
4/14/22 89 2.25 0.14 0.708 3.229 9.274
4/14/23
2.25 0.14 0.708 3.229 9.274
5/13/22
2.25 0.14 0.708 3.229 9.274
5/13/23
2.25 0.14 0.707 3.229 9.274
5/14/22
2.24 0.14 0.705 3.229 9.272
6/13/22
2.26 0.14 0.707 3.229 9.274
ТЭА = 80 0С.
4/14/22 89 2.24 0.14 0.707 3.229 9.274
4/14/23
2.24 0.14 0.707 3.229 9.274
5/13/22
2.25 0.14 0.705 3.229 9.272
5/13/23
2.25 0.14 0.706 3.229 9.273
5/14/22
2.24 0.14 0.705 3.229 9.272
6/13/22
2.26 0.14 0.707 3.228 9.274
ТЭА = 70 0С.
4/14/22 89 2.24 0.14 0.708 3.229 9.274
4/14/23
2.24 0.14 0.707 3.229 9.274
5/13/22
2.24 0.14 0.705 3.229 9.272
5/13/23
2.25 0.14 0.707 3.229 9.274
5/14/22
2.24 0.14 0.704 3.229 9.272
6/13/22
2.26 0.14 0.708 3.228 9.275

Совокупность оптимальных результатов приведена в таблице 15.

Таблица 15. Оптимальное сочетание количества отбираемого в боковую секцию потока и NЭА/NF/NБО для различных температур подачи в колонну ЭА. F: ЭА = 1: 2.

ТЭА, °С NЭА/NF/NБО Оптимальное количество БО, кмоль/ч

RБС

, ГДж/ч
70 5/14/22 89 2.24 0.14 9.272
80 5/14/22 89 2.24 0.14 9.272
90 5/14/22 89 2.24 0.14 9.272
100 5/14/22 89 2.25 0.15 9.272

Видно, что при закрепленном значении расхода ЭА оптимальным является значение бокового отбора 89 кмоль/ч при температуре подачи экстрактивного агента 100°С и уровнях входящих потоков и бокового отбора 5, 14 и 22 тарелки соответственно.

Поэтому на следующем этапе мы исследовали влияние количества БО на величину оптимального рабочего расхода ЭА при ТЭА = 1000С и NЭА/NF/NБО=5/14/22. Результаты расчетов представлены в табл.16.

Таблица 16. Зависимость оптимального расхода ЭА от количества потока, отбираемого в боковую секцию. ТЭА = 100°С, NЭА/NF/NБО =5/14/22

Количество БО,

кмоль/ч

Расход ЭА,

кмоль/ч

RБС Энергозатраты, ГДж/ч




QкондБС

89 150 2.25 0.14 0.704 3.228 9.257

110 2.25 0.15 0.681 3.218 9.156

130 2.26 0.16 0.660 3. 206 9.041
87 150 2.68 0.08 0.931 3.152 9.419

100 2.76 0.10 0.813 3.092 8.820

80 2.85 0.11 0.783 3.065 8.598

70 2.91 0.12 0.773 3.050 8.492
85 120 2.97 0.04 1.054 3.041 9.162

100 3.01 0.04 1.005 3.017 8.924

70 3.13 0.04 0.949 2.978 8.583

60 3. 19 0.04 0.938 2.963 8.474
84 150 3.10 0.02 1.097 2.981 8.976

100 3.16 0.02 1.052 2.955 8.738

60 3. 20 0.02 1.034 2.941 8.625

50 3.24 0.02 1.019 2.927 8.514

Видно, что при различных значениях бокового отбора существует свое оптимальное значение рабочего расхода ЭА. К минимальному энергопотреблению технологической схемы приводит сочетание отбора в боковую секцию и расхода ЭА 85 кмоль/ч и 60 кмоль/ч соответственно.

В данном случае изменение энергозатрат в кубе сложной колонны определяется рядом величин. С одной стороны снижение расхода приводит к увеличению флегмы и значит энергозатрат на конденсатор. В месте с тем уменьшается количество тепла, приносимое в колонну с потоком экстрактивного агента. Это влечет за собой рост QΣкип. С другой стороны, за счет уменьшения кубового потока происходит снижение QW, а следовательно и QΣкип. Также следует отметить сокращение энергозатрат в кубе колонны регенерации ЭА, при снижении расхода анилина.

На следующем этапе мы проделали подобную процедуру для нескольких наборов NЭА/NF/NБО при оптимальном значении бокового отбора, найденном на предыдущем этапе. Результаты расчетов представлены в табл.17.

Таблица 17. Определение оптимальной совокупности рабочих параметров сложной колонны с боковой секцией. Количество БО=85 кмоль/ч, расход ЭА 60 кмоль/ч

NЭА/NF/NБО

RБС Энергозатраты, ГДж/ч



QкондБС

Температура ЭА 70°С
4/13/22 3.18 0.04 0.939 2.963 8.474
4/14/22 3.18 0.04 0.939 2.963 8.475
5/14/22 3. 19 0.04 0.937 2.963 8.473
5/15/22 3. 19 0.04 0.938 2.963 8.475
6/15/23 3. 19 0.04 0.937 2.963 8.473
6/16/23 3. 19 0.04 0.938 2.963 8.474
Температура ЭА 80°С
4/13/22 3.18 0.04 0.939 2.963 8.475
4/13/23 3.18 0.04 0.938 2.963 8.474
5/14/22 3. 19 0.04 0.938 2.963 8.475
5/14/23 3. 19 0.04 0.937 2.963 8.473
5/15/23 3. 19 0.04 0.938 2.963 8.474
6/16/23 3. 19 0.04 0.938 2.963 8.474
Температура ЭА 90°С
4/13/22 3.18 0.04 0.939 2.963 8.476
4/13/23 3.18 0.04 0.938 2.963 8.474
5/14/22 3. 19 0.04 0.938 2.963 8.474
5/14/23 3.18 0.04 0.937 2.963 8.473
5/15/23 3. 19 0.04 0.937 2.963 8.473
6/16/23 3. 19 0.04 0.937 2.963 8.473
Температура ЭА 100°С
4/13/22 3.18 0.04 0.938 2.963 8.475
4/13/23 3.18 0.04 0.938 2.963 8.474
5/12/23 3. 19 0.04 0.937 2.963 8.473
5/14/22 3. 19 0.04 0.938 2.963 8.474
5/15/22 3. 19 0.04 0.938 2.963 8.475
5/16/23 3. 19 0.04 0.939 2.963 8.474

Анализируя данные таблицы 17 мы видим, что с ростом температуры суммарные энергозатраты меняются незначительно. Однако минимум наблюдается при 1000С.

Таким образом, мы провели процедуру оптимизации, в результате которой выявили набор параметров сложной колонны, обеспечивающих минимальное энергопотребление. Далее закрепив их, найдем оптимальное положение тарелки питания колонны регенерации экстрактивного агента. Результаты приведены в табл.18.

Таблица 18. Определение оптимальной тарелки питания колонны регенерации ЭА.

NF RБС Энергозатраты, ГДж/ч


QкондБС QΣкип
13 0.04 2.963 8.096
14 0.04