Разработка энергосберегающей технологии ректификации циклических углеводородов (стр. 4 из 13)

Рис.9. Преобразование графов, соответствующих схемам из простых колонн (G1, G4), в графы, соответствующие сложным колоннам с боковыми секциями (G2, G5) и с боковыми отборами (G3, G6).

Технологические схемы, соответствующие исходным графам (G1, G4), называют схемами-прообразами, а все ТСР, соответствующие графам, полученным путем их трансформации, - схемами-образами. При этом полученные графы имеют на одно ребро и на одну вершину меньше, чем их прообраз. Эта операция названа авторами [58, 59] операцией стягивания (u). При этом, если стягивание проводится по ориентированному ребру ее обозначают (

). В целом рассмотренные преобразования представляют собой отображения одного множества графов на другое (одного множества схем на другое). Если обозначить множество схем из простых колонн П, множество схем из одной сложной колонны с боковыми секциями как Ф, множество схем из одной сложной колонны как I, то

Таким образом, метод трансформации графов структуры схем-прообразов предоставляет строгий алгоритм синтеза всех возможных вариантов ТСР, включающих сложные колонны.

Тополого-графовый подход к синтезу технологических схем ректификации многокомпонентных смесей обеспечивает выбор научно обоснованного энергосберегающего технического решения.

Концентрационные области исходных составов питания, для которых оптимальна единственная технологическая схема ректификации

Поскольку существует поливариантность технологических схем разделения, то важным этапом выбора оптимальной схемы является эффективный анализ конечного множества вариантов. В описанных выше методах синтеза решается задача выбора оптимальной по выбранному критерию технологической схемы для точно заданного исходного состава питания, но вне рассмотрения остается обратная задача - выделение концентрационных подмножеств исходных составов питания, для которых оптимальной является та или иная схема разделения. Далее такие подмножества мы будем называть областями оптимальности. Решению этой задачи посвящена работа [60, 61]. Авторами было исследовано 35 тройных и 20 четырехкомпонентных систем.

Для оценки технологических схем ректификации (ТСР) использовали критерий, величина которого пропорциональна суммарным энергетическим затратам на разделение для всей схемы при ректификации. Расчет проводили с помощью ЭВМ, определяя минимальное флегмовое число по методу Андервуда, приведенного в [62]. Систематические исследования систем показали, что каждый вариант ТСР в зеотропных системах имеет свою S-область концентраций в симплексе составов. Концентрационный симплекс 3-компонентных систем распадается на две S-области, а четырехкомпонентных на пять, т.е. по числу возможных вариантов ТСР зеотропных систем. Все области являются связанными. Разбиение концентрационного симплекса на S-области называется портретом системы в пространстве множества составов. Такой портрет системы объясняет как качественное, так и количественное поведение системы и дает ответ на вопрос о выборе энергетически выгодного варианта разделения для заданного состава.

Общей закономерностью исследованных систем является сохранение качественного портрета. Изменяются только размеры S-областей за счет перераспределения пространства составов в зависимости от физико-химических свойств исследуемых систем и составляющих их компонентов. Из этого следует, что любой вариант технологической схемы из возможного множества в зависимости от состава исходной смеси может выступать как оптимальный. Анализ диаграмм 3-компонентных систем показывает, что равноценными могут быть две схемы, для 4-компонентных систем - 2,3 либо 4 схемы.

Выявлено также, что в зависимости от расположения состава X в S-области возможны следующие ситуации:

1) состав X находится в какой-либо части S-области, и чем ближе к ее центру, тем больше отличается по своей количественной характеристике оптимальная схема от остальных схем, т.е. имеет место случай явного превосходства одного варианта ТСР перед другими;

2) состав X находиться на границе S-области. В данном случае несколько ТСР являются равноценными и оценка возможна по более усложненным критериям.

Расположение изоэнергетического многообразия существенно зависит от соотношения относительных летучестей компонентов и S-области для исследованных смесей могут занимать как менее 1%, так и более 90% всего концентрационного пространства.

Все технологические схемы ректификации из простых двухсекционных колонн можно разделить на несколько крупных классов эквивалентности: линейные, билинейные и разветвленные. До настоящего времени не выяснено, каким образом распространены области оптимальности Xfk, если рассматривать множества схем внутри каждого класса эквивалентности в отдельности.

Систематический подход при разделении многокомпонентных смесей в структурах различных классов использован в [63]. Авторами исследовано разделение шести трехкомпонентных смесей для восьми вариантов технологических схем, включающих простые двухсекционные и сложные колонны рис.10.

В качестве критерия оптимизации принята сумма капитальных и эксплуатационных затрат. Составы продуктовых потоков,% мольн.: верхний {0,987; 0,001; 0,003}, средний {0,001; 0,98; 0,001}, нижний {0,004; 0,01; 0,986}.

Рис.10. Технологические схемы разделения, использованные в [63]

Составы питания варьировались в широком диапазоне концентраций, в результате чего получены два различных распределения изокритериальных многообразий в концентрационном симплексе исходных составов. В соответствии с индексом легкости разделения смеси ESI = α12/ α23 (Ease of Separation Index) авторами предложен ряд эвристик, представленных в табл.1.

Таблица 1. Результаты исследования [63]

7.4038 6.0018 2.1852

Содержание компонента в питании,% мольн.			Схема с минимальными энергозатратами
ЛКК	СКК	ТКК
ESI<1,6	40-80	V
	>50	<5	VI
	<5	>50	VII
	<15	III
	В остальных случаях			I или II
ESI 1,6	>50	II
	>50	5-20	V
	>50	<5	VI
	<5	>50	VII
	В остальных случаях			III
	5.3971			5.4552
	7.0718			7.2203
	8.7254			7.6007

В работах [64-66] для разделения трехкомпонентных зеотропных смесей ароматических углеводородов (бензол–толуол–кумол и бензол–толуол–этилбензол) рассмотрены технологические схемы ректификации, состоящие из простых колонн и сложных колонн с боковыми отборами (рис.11).

Исследования проводились при различных составах питания и качествах продуктовых потоков. В качестве критерия оптимизации были выбраны энергозатраты на разделение.

Рис.11. Варианты схем разделения трехкомпонентной зеотропной смеси

В результате авторами было получено распределение изокритериальных многообразий в концентрационном симплексе (рис.12), а также предложены критерии применения сложных колонн с боковыми оборами:

Качество продуктовых потоков менее 99%.

Содержание легкого компонента в питании 15-25% мол. (для схемы 3).

Содержание тяжелого компонента в питании 15-25% мол. (для схмы4)

Рис.12. Расположение изоэнергетических многообразий в концентрационных симплексах исходных составов питания трехкомпонентных зеотропных смесей при качестве продуктовых потоков 99 (а), 95 (б), 90 (в), 80%мол (г). - – балансовые ограничения. Подмножества

соответствуют схемам 1 – 4 рис.11

В работах [64, 67] на примере разделения двух четырехкомпонентных смесей (гексан – 2,4-диметилпентан – гептан –3-метилгептан и гексан – гептан – октан – 3,3,5-триметилгептан) исследовано распределение изоэнергетических многообразий схем трех классов: из простых двухсекционных колонн (класс П), из сложной колонны с двумя боковыми отборами (класс I), из одной простой колонны и одной сложной колонны с боковым отбором (класс Ω). Всего исследовано 18 схем при качестве продуктовых потоков 90%мол.

На основании анализа распределения областей

авторами показано, что геометрия расположения изоэнергетических многообразий схем классов I и Ω примерно совпадает с геометрией изоэнергетического многообразия соответствующей схемы-прообраза класса П. Таким образом, можно говорить о том, что структура схемы множества П является наиболее общим критерием, определяющим взаимосвязь исходный состав питания – структура оптимальной технологической схемы ректификации. Изменение качества продуктовых потоков ведет лишь к изменению структуры оптимальной схемы внутри группы, заданной элементом подмножества П.

Однако все работы, посвященные определению распределения областей оптимальности, рассматривали только ректификацию зеотропных смесей.

Таким образом, представляется интересным рассмотреть возможность применения принципа приближения и термодинамической обратимости к экстрактивной ректификации, с одной стороны, и выявить области оптимальности схем экстрактивной ректификации, с другой стороны.

Постановка задачи

Целью данной работы является разработка технологии разделения азеотропной смеси циклогексан – бензол – этилбензол методом экстрактивной ректификации, обладающей минимальными энергозатратами. Для этого планируется синтезировать все возможные структуры экстрактивной ректификации смеси, состоящие из двухотборных колонн, а также схемы, содержащие сложные колонны с боковыми секциями. Затем провести параметрическую оптимизацию полученных вариантов по критерию минимальных энергозатрат. Сравнение полученных результатов позволит выявить наименее энергоемкую технологическую схему.