научная статья по теме СИНТЕЗ СХЕМ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ АЗЕОТРОПНЫХ СМЕСЕЙ В КОМПЛЕКСАХ КОЛОНН С ЧАСТИЧНО СВЯЗАННЫМИ ТЕПЛОВЫМИ И МАТЕРИАЛЬНЫМИ ПОТОКАМИ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «СИНТЕЗ СХЕМ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ АЗЕОТРОПНЫХ СМЕСЕЙ В КОМПЛЕКСАХ КОЛОНН С ЧАСТИЧНО СВЯЗАННЫМИ ТЕПЛОВЫМИ И МАТЕРИАЛЬНЫМИ ПОТОКАМИ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2007, том 41, № 6, с. 649-654

УДК 660:51.001.57+66

СИНТЕЗ СХЕМ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ АЗЕОТРОПНЫХ СМЕСЕЙ В КОМПЛЕКСАХ КОЛОНН С ЧАСТИЧНО СВЯЗАННЫМИ ТЕПЛОВЫМИ И МАТЕРИАЛЬНЫМИ ПОТОКАМИ

© 2007 г. А. В. Тимошенко, А. В. Моргунов, Е. А. Анохина

Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова

timoshenko@mitht.ru Поступила в редакцию 5.12.2006 г.

На основе ранее предложенных методов синтеза технологических схем ректификации зеотропных смесей и экстрактивной ректификации трехкомпонентных смесей из двухотборных колонн разработан метод синтеза схем экстрактивной ректификации с частично связанными тепловыми и материальными потоками. На примере ректификации азеотропных смесей со сложным портретом па-рожидкостного равновесия проиллюстрирован анализ работоспособности синтезируемых при помощи этого метода схем.

Синтез технологических схем экстрактивной ректификации представляет собой сложную комбинаторную задачу. Ранее был предложен алгоритм ее решения при использовании двухотборных колонн [1]. Такой подход базируется на представлении технологической схемы ректификации (п + 1)-компонентной смеси в виде графа с вершинами, отображающими колонны, и ребрами, соответствующими связям между ними. Также были выявлены работоспособные варианты организации процесса для каждого типа диаграмм парожидкостного равновесия трехкомпонентных азеотропных смесей [1].

Данные также свидетельствуют о том, что применение сложных колонн при экстрактивной ректификации [2, 3] приводит к повышению термодинамической эффективности процесса и снижению энергозатрат на разделение как и при рек-

тификации зеотропных смесей [4-6]. Решение задачи синтеза схем ректификации зеотропных смесей с частично связанными тепловыми и материальными потоками предложено нами в работе [7]. Для определения работоспособных вариантов эстрактивной ректификации использовали алгоритм [7], дополнив его запретом на стягивание по ориентированному ребру. Для реализации алгоритма [7] потребовалось представить технологические схемы в виде графов. Однако в этом случае вершины соответствуют сечениям, разделяющим либо ограничивающим секции колонн, а ребра - потокам пара и жидкости. Пара разнонаправленных ребер, инцидентных одной паре вершин, отображает секцию колонны (рис. 1).

Расположим компоненты смеси в порядке увеличения температур кипения, обозначив их А, В, С. Экстрактивный агент - самый тяжелокипящий

F1

D1

(а)

5

D^

Fl

(б)

(в)

01

©3

О

<35

Рис. 1. Представление технологической схемы ректификации в видах: графическом (а), ориентированного мультигра-фа (б), ориентированного графа (в); 1 - питание (вход), 2 - отбор (выход) с отводом тепла, 3 - отбор (выход) с подводом тепла, 4 - отбор (выход) или дополнительное питание (вход) без подвода или отвода тепла, 5 - вершина, не обладающая свойством входа или выхода.

5

1

П1

91.1

Ф1.1

Рис. 2. Преобразование графа традиционной схемы экстрактивной ректификации П1 в графы схем с частично связанными тепловыми и материальными потоками. Обозначения как на рис. 1.

П2

П3

(а)

(б)

92.1

93.1

92.2

93.2

П4

94.1

94.2

Ф2.1

Ф3.1

Ф4.1

Рис. 3. Преобразование графов традиционных схем экстрактивной ректификации в графы схем с частично связанными тепловыми и материальными потоками. Обозначения как на рис. 1.

компонент смеси - обозначим 8. В работе [1] выявлены работоспособные "базовые" варианты организации процесса экстрактивной ректификации трехкомпонентных азеотропных смесей. Всего таких вариантов пять, из которых три организованы таким образом, что экстрактивный агент направлен в первую колонну и при необходимости - во вторую.

Вариант П1 (рис. 2) состоит из трех двухотбор-ных колонн, целевым продуктом в каждой из которых является легколетучий компонент. Первая колонна - колонна экстрактивной ректификации. Подача экстрактивного агента осуществляется из куба третьей колонны в верхнее сечение первой колонны. В схемах П2 и П3 (рис. 3а, 36) колонна экстрактивной ректификации также расположе-

на первой по ходу разделения. В первой колонне схемы П2 осуществляется выделение под действием экстрактивного агента самого легколетучего компонента А, во второй колонне происходит выделение экстрактивного агента и, наконец, в последней колонне - разделение средне- и тяже-локипящих компонентов. В схеме П3 за колонной экстрактивной ректификации также следуют две колонны, однако под действием экстрактивного агента осуществляется разделение смеси на две фракции АВ и С8, каждая из которых затем разделяется в индивидуальных колоннах.

Существуют еще две схемы из двухотборных колонн П4 и П5. Разделение в них основано на предварительном отделении зеотропной составляющей трехкомпонентной смеси без применения экстрактивного агента. В схеме П4 - это предварительное выделение легкокипящего компонента А, в схеме П5 - тяжелокипящего компонента С. Затем бинарная смесь ВС в схеме П4 и АВ в схеме П5 разделяется под действием разделяющего агента 8 в традиционном комплексе экстрактивной ректификации.

Применение алгоритма [7] к схемам прообразам П1-П3 позволяет получить по три схемы образа для каждой из них. Образом схемы П1 являются схема 91.1, состоящая из сложной колонны экстрактивной ректификации. Вплоть до зоны питания эта структура полностью соответствует классической схеме экстрактивной ректификации с тяжелолетучим агентом. Ниже зоны питания расположена укрепляющая боковая секция. Тяжелокипящие продукты направляются в простую двухсекционную колонну регенерации экстрактивного агента. Эта колонна полностью идентична третьей колонне схемы П1. Стягивание графа, эксплицирующего схему П1, по ориентированному ребру, связывающему подграфы, отображающие вторую и третью колонны схемы, приводит к варианту организации процесса по графу 91.2 (рис. 2). В этом случае экстрактивная колонна не подвергается изменениям. Преобразуются только вторая и третья по ходу разделения колонны, образующие комплекс с частично связанными тепловыми и материальными потоками в виде колонны с боковой укрепляющей секцией, расположенной ниже зоны питания. Более глубокие преобразования приводят к одной сложной колонне, в которой рецикл экстрактивного агента связывает куб и верхнюю часть колонны, а ниже зоны питания расположены две укрепляющие секции. И сейчас, и в дальнейшем вне рассмотрения остается вопрос изменения температуры экстрактивного агента между точками его выделения и применения. В реальной схеме должен присутствовать теплообменник, обеспечивающий требуемую температуру подачи экстрактивного агента в колонну экстрактивной ректификации. Однако поскольку его расположение топологически неизменно по отношению к колонне экстрактивной ректи-

фикации, то при синтезе схем на данном этапе исследования его не учитывают.

Схема П3 является прообразом для двух схем 93.1 и 93.2 (рис. 36). В схеме 93.1 в первой колонне экстрактивной ректификации выше зоны ввода экстрактивного агента расположена укрепляющая боковая секция для выделения компонента В. Колонна регенерации экстрактивного агента остается без изменений относительно П3. В схеме 93.2 в качестве дистиллята колонны экстрактивной ректификации отбирают смесь компонентов А и В, разделяемых в простой колонне. Схема-образ 93.3 состоит из одной сложной колонны, охваченной рециклом экстрактивного агента от куба до экстрактивной секции. Выше экстрактивной зоны расположена боковая исчерпывающая секция, ниже зоны питания - боковая укрепляющая секция.

Образы схемы П2 более сложны (рис. 3 а). В схеме 92.1 в первой колонне протекает как процесс выделения компонента А экстрактивной ректификацией, так и регенерация экстрактивного агента, выделяемого в качестве кубового продукта. Боковой погон, в основном состоящий из компонентов В и С и выделяемый из укрепляющей секции, которая расположена ниже зоны питания, направляется на ректификацию в простую колонну.

Обратим внимание на то, что схема П1 в той форме, которую мы рассматриваем, т.е. с единственным рециклом экстрактивного агента, обеспечивает за счет экстрактивной ректификации только выделение самого легкокипящего компонента А. Именно такой режим поддерживают и схемы-образы 91.1, 91.2, Ф1.1. В случае, если требуется применение экстрактивного агента для разделения компонентов В и С, то необходимо и во второй колонне проводить экстрактивную ректификацию. Это потребует организации второго рециркуляционного потока по экстрактивному агенту. Обозначим схемы с двумя рециклами по экстрактивному агенту дополнительным индексом ё. Тогда на основе 91.1 получим 91.1ё и т.д. (рис. 4). Организация процесса экстрактивной ректификации по вариантам 91.1ё и Ф1.1ё требует отдельной экспериментальной и расчетной проработки, поскольку в литературе до настоящего времени отсутствуют данные о применимости двухуровневой подачи экстрактивного агента. Работоспособность схемы на основе графа 91.2ё не вызывает сомнений, поскольку уже к настоящему времени нами показана работоспособность и эффективность таких схем ректификации [2].

В соответствии с исходной структурой схемы-образы на основе П2 казалось бы не пригодны для организации двух рециркуляционных потоков по экстрактивному агенту. Это связано с тем, что требуется охват этим потоком всего комплекса. Однако поскольку операции стягивания по ориентированному ребру могут затрагивать все ориентиро-

ПМ

91.Ы

Ф1.Ы

Рис. 4. Граф схемы экстрактивной ректификации с подачей экстрактивного агента в две колонны комплекса П1 и его образы, включающие сложные колонны. Обозначения как на рис. 1.

ванные ребра за исключением, эксплицирующих рециклы, то в схемах 02.2а? и Ф2.1А требование охвата одним из рециклов всего комплекса выполняется также, как и для 02.2 и Ф2.1. То же относится и к образам схемы П3. Работоспособными могут считаться схемы 03.1А и Ф3.1А при допущении о применимости двухуровневой подачи экстрактивного агента.

Рассмотрим схемы с предварительным фракционированием П4 и П5 (рис. 3в, 3г). Они отличаются типом разделения в первой по ходу колонне. В П4 - это выделение самого

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химическая технология. Химическая промышленность»