Разработка энергосберегающей технологии ректификации циклических углеводородов (стр. 2 из 13)
Рис.3. Схема экстрактивной ректификации
Разделяющие агенты, используемые в процессе экстрактивной ректификации, должны удовлетворять требованиям общего характера, важнейшими из которых являются следующие: 1) изменение относительной летучести компонентов заданной смеси в желательном направлении; 2) легкость регенерации из смесей, с компонентами системы, подвергаемой разделению; 3) безопасность в обращении, доступность и дешевизна; 4) инертность по отношению к компонентам заданной смеси, неспособность вызывать коррозию аппаратуры или разлагаться при нагревании.
Вопросы, связанные с удовлетворением требований 2–4 относятся к числу обычных технологических вопросов, решение которых определяется свойствами системы, подвергаемой разделению. Наиболее сложной задачей является выбор разделяющих агентов, удовлетворяющих первому требованию.
Все известные методы выбора разделяющих агентов [21-28] можно разделить на две группы:
- методы, основанные на данных о свойствах растворов образуемых компонентами заданной смеси и предполагаемыми разделяющими агентами (данные о равновесии между жидкостью и паром, о температурах кипения смесей, о растворимости, об азеотропии и др.);
- методы, использующие данные о свойствах компонентов (эффективный дипольный момент, диэлектрическая проницаемость, работа отключения взаимодействий, отражающая специфику взаимодействия однородных молекул, электроно-донорные и электроно-акцепторные свойства, нуклеофильность и электрофильность, факторы полярности и поляризуемости, параметры растворимости, теплоты смешения и др.).
Параметром, оценивающим изменение относительной летучести компонентов в присутствии разделяющего агента, является так называемая селективность Sij [29], отражающая отношение коэффициентов активности компонентов разделяемой пары в присутствии растворителя:
.Важным показателем процесса экстрактивной ректификации является флегмовое число, от величины которого зависит содержание примеси растворителя в целевом дистиллятном продукте. В работах [22,30-32] показана возможность проведения процесса в двухсекционных колоннах в режиме отсутствия флегмы и сформулировано правило, подтвержденное в работах [34-35]: если компоненту, выделяемому в дистиллят, в структуре фазовой диаграммы соответствует особая точка типа неустойчивый узел, то флегма влияет на качество продукта положительно. Влияние флегмы отрицательно, если продукту отвечает особая точка типа седло или устойчивый узел.
Расход разделяющего агента также является важным фактором, влияющим на процесс экстрактивной ректификации. Он определяет чистоту получаемых продуктов и энергетику всей схемы в целом. На практике экстрактивную ректификацию чаще всего проводят при расходах разделяющего агента, обеспечивающих его высокую концентрацию по высоте колонны (70-90% мол), и определяют его экспериментально [17,36,37,38]. При этом соотношение количеств растворителя и исходной смеси должно поддерживаться в интервале 2,5 – 10. Автор [39] рекомендует иной диапазон изменения кратности растворитель/исходная смесь от эквимолярного до 4/1. Считается [40], что недостаток избирательности разделяющего агента может быть компенсирован увеличением эффективности колонны. Формальное требование высокой концентрации разделяющего агента в колонне приводит в ряде случаев к его заведомо избыточному расходу и исключает этот параметр из числа оптимизационных.
Широкое распространение экстрактивной ректификации в технологической практике обусловлено рядом причин. В отличие от других специальных методов разделения экстрактивная ректификация не имеет жестких ограничений на ее применение, и ее режимы характеризуются высокой статической устойчивостью. Параметры процесса могут широко меняться в одном и том же аппарате или в ряде аппаратов. Отмечается лишь, что экстрактивная ректификация не применима при разделении смесей определенных составов, для которых коэффициенты относительной летучести слишком низки [41.] Основным преимуществом ЭР, как констатируют многие исследователи [16,30], является низкая энергоемкость.
Синтез схем разделения многокомпонентных смесей
Синтез множества ТСР, состоящих из простых двухсекционных колонн
Ввиду сложности подсистемы разделения, включающей большое число различных методов и аппаратов, синтез оптимальных технологических схем разделения является одной из важных задач химической технологии. Значительная энергоемкость процессов разделения (до 70% от суммарных энергозатрат на производство) заставляет обращать больше внимания не только на параметрическую оптимизацию уже существующих установок, но и задумываться о структурно оптимальных схемах разделения.
На сегодняшний день важной проблемой остается разработка методов синтеза технологических схем для разделения многокомпонентных азеотропных смесей. К сожалению, большинство существующих методик не визуализированы и подходят для смесей с большим числом компонентов лишь теоретически.
Так в работе [42] предложен алгоритм последовательного синтеза схем разделения n-компонентных азеотроных смесей, включающих все типы аппаратов. Для отдельного состава питания определяются области составов продуктов; для каждой бинарной пары смеси назначаются спецификации, названные "псевдобинарным разделением", получаемые при разделении на продуктовый и промежуточный (рецикловый) потоки. Алгоритм начинается с последовательного синтеза всех возможных технологических цепочек для заданного состава питания. Некоторые разделения затем объединяются, образуя рецикл. Поскольку рецикловый поток изменяет состав питания и потоки внутри аппаратов, то процедура повторяется до тех пор пока процесс моделирования не достигнет сходимости.
В последнее время большое развитие получили методы синтеза технологических схем разделения, основанные на понятии "суперструктуры" и процесс-графах (P-graph) [43-48]. Последние ориентированы и на разделение азеотроных смесей.
Суперструктуры, разработанные разными авторами, отличаются в основном способом генерации и типом вершин. В общем, суперструктура представляет собой граф, в котором вершины соединены между собой ребрами.
В работе [43] суперструктура используется для синтеза схем, включающих разнородные операторы разделения с любым числом компонентов, питаний и продуктов. Суперстуктура включает аппараты трех типов: делители, сепараторы и смесители. Под сепаратором подразумевается аппарат, в котором реализуется тот или иной метод разделения. Задача состоит в определении оптимальной последовательности разделения n-компонентных потоков питания на 2 или более продуктовых потока. Генерация суперструктуры включает следующие этапы:
1) Для каждого потока питания создается один делитель и каждый делитель связывается с соответствующим питанием;
2) Для каждого продуктового потока создается один смеситель и каждый смеситель соединяется с соответствующим продуктовым потоком;
3) Для каждого возможного разделения создается сепаратор и байпас для каждого смесителя, созданного на этапе 2. Оба соединяются с делителем, созданным на этапе 1;
4) Генерируются делители для каждого из выходных потоков сепараторов, установленных на этапе 3.
После этого этапы 3 и 4 повторяются до тех пор, пока не будет построена полная суперструктура.
Очевидно, что один и тот же поток можно разделить разными методами. Поэтому для каждого потока рассматривается некоторая группа возможных сепараторов, из которой выбирается один, обеспечивающий минимальные энергозатраты. После этого он соединяется с делителем.
Данный алгоритм синтеза схем реализован в виде компьютерной программы и использован для разработки оптимальной схемы разделения семикомпонентной смеси, сочетающей методы ректификации и экстракции.
Авторами [44] предложена суперструктура, состоящая из колонн, каждая из которых осуществляет "предпочтительное разделение". Такая последовательность является идеальной с термодинамической точки зрения (линия материального баланса коллинеарна ноде жидкость–пар). Пример разделения тройной смеси представлен на рис.4.
Для заданного состава питания определяется последовательность разделения (суперструктура), которую затем оптимизируют с помощью методов нелинейного программирования с целью достижения минимальных затрат.д.ля учета ограничений, накладываемых структурой фазовой диаграммы, пользователю необходимо задать потоки рециклов перед оптимизацией.
К сожалению, данный метод трудно применим к смесям с числом компонентов больше 4-х и не дает гарантий поиска оптимального решения.
Рис.4. Синтез последовательности разделения трехкомпонентной смеси.
Не так давно была опубликована серия работ [45-48] для систем непрерывной и периодической ректификации азеотропных смесей, где рассмотрены методы синтеза всех возможных схем разделения с помощью Р-графов. Вершины в таком графе представляют собой смеси и рабочие аппараты. Генерация всех возможных структур Р - графов осуществляется комбинаторными методами на основе пяти аксиом:
1) Каждый рабочий аппарат системы производит, по крайней мере, один продукт;
2) Вершина, соответствующая исходной смеси не имеет входа;
3) Во внимание принимаются наиболее традиционные рабочие аппараты;
4) Каждая вершина, соответствующая аппарату разделения, соединена с конечным продуктом, по крайней мере, одним способом;
5) Каждая вершина, соответствующая фракции, должна быть соединена хотя бы одним способом с аппаратом разделения.