Семенов Иван Александрович. Энергосбережение в процессах ректификации на примере разделения бутиловых спиртов

Краткое описание

Семенов Иван Александрович. Энергосбережение в процессах ректификации на примере разделения бутиловых спиртов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.17.08 / Семенов Иван Александрович; [Место защиты: Ангар. гос. техн. акад.].- Ангарск, 2007.- 147 с.: ил. РГБ ОД, 61 07-5/4176

Ангарская государственная техническая академия
На правах рукописи
СЕМЁНОВ ИВАН АЛЕКСАНДРОВИЧ
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ПРОЦЕССАХ РЕКТИФИКАЦИИ НА ПРИМЕРЕ РАЗДЕЛЕНИЯ БУТИЛОВЫХ СПИРТОВ
(05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии)
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор техн. наук, профессор Б.А. Ульянов.
Ангарск 2007 г

Введение 4
1. Литературный обзор 5
1.1. Оптимальные режимы и условия работы ректификационных колонн 5
1.1.1. Оптимальное флегмовое число 5
1.1.2. Оптимальные давление и температура колонны 6
1.1.3. Установка дополнительных или более эффективных контактных уст¬ройств 7
1.2. Энергосберегающие схемы ректификации 8
1.2.1. Возможности рекуперации тепла на простой ректификационной ко¬лонне 8
1.2.2. Каскад ректификационных колонн 10
1.2.3. Разделенная колонна 11
1.2.4. Многоколонные ректификационные установки 12
1.2.5. Схемы с паровой рекомпрессией. Тепловые насосы 13
1.2.6. Схемы с обратимым смешением потоков 16
1.2.7. Схемы со ступенчатым испарением сырья 17
1.3. Тепловой анализ установок ректификации 18
1.3.1. Расчет тепловых потоков и тепловые балансы 18
1.3.2. Использование теплоты конденсации пара дистиллята 20
1.4. Эксергетический анализ установок ректификации 22
1.4.1. Виды эксергий и их выражения 24
1.4.2. Потери эксергии и эксергетический анализ систем 26
1.4.3. Эксергетический анализ установки с тепловым насосом 30
1.5. Термоэкономический анализ 30
1.6. Парожидкостное равновесие и расчет ректификации многокомпонент¬ных смесей 35
1.7. Постановка задачи исследования 40
2. Тепловой анализ установки ректификации бутиловых спиртов 42
3. Анализ работы теплового насоса на ректификационной колонне К-6 55
3.1. Анализ работы теплового насоса 58
3.2. Расчет температуры конденсации пара 59
3.3. Расчет теплоты конденсации пара и-бутанола 60
3.4. Расчет энтальпии пара и жидкости и построение диаграммы P-i 61
3.5. Температура пара изобутанола на выходе из компрессора 62
3.6. Расчет теплоемкости пара и-бутанола 64
3.7. Расчет энтальпии перегретого пара 65
3.8. Построение циклов теплового насоса на диаграммах-?, / 66
3.9. Анализ циклов работы теплового насоса 70
3.10. Расчет поверхности испарителей при разных степенях сжатия пара в компрессоре 73
3.11. Термоэкономический анализ узла теплового насоса 80
3.12. Тепловой насос с жидкостно-кольцевым компрессором 83
4. Исключение из схемы установки ректификации бутиловых спиртов колонны К-4 87
4.1. Анализ узла ректификационных колонн К-3 - К-4 87
4.2. Описание лабораторной установки 92
4.3. Методика проведения экспериментов 95
4.4. Анализ проб 100
4.5. Обработка экспериментальных данных 106
4.6. Расчет режима работы колонны К-3 118
4.7. Расчет диапазона устойчивой работы тарелок колонны К-3 123
4.8. Выбор вакуум-насоса для поддержания разрежения в колонне К-3 128
4.9. Расчет расхода охлаждающей воды в колонне К-3 129
Основные результаты и выводы 130
Список литературы 131
Приложения 139

Химическая промышленность является крупнейшим потребителем энергии. На её нужды тратится около 15 % всех энергоресурсов страны [1, 2]. В то же время полезное использование энергии в химической промышленности не превышает 35 %[3].
Ректификация является одним из основных процессов химической, нефте-химической, нефтеперерабатывающей и смежных отраслей промышленности. На долю ее приходятся громадные капиталовложения и энергозатраты. В то же время ректификация имеет один из наиболее низких энергетический КПД среди всех про-цессов химической технологии [4]. Поэтому рациональное аппаратурное оформле¬ние процессов ректификации и снижение затрат энергии на их осуществление яв¬ляется актуальной задачей.
В литературе описано большое количество способов сокращения расходов тепла в процессах ректификации. Выбор того или другого способа энергосбере-жения возможен только после их детального анализа применительно к конкретной колонне и установке. В этой связи проблема энергосбережения неразрывно свя-занна с изучением методик анализа химико-технологических систем. Использо¬вание их позволяет достичь главной цели - максимального снижения потребления энергоресурсов при сохранении или увеличении выработки продукции заданного вида и качества.
Важным этапом в проектировании оптимальных схем разделения является моделирования процесса ректификации и определение оптимальных параметров моделей. Расчет процесса ректификации основан на расчете парожидкостного равновесия разделяемой смеси. В литературе известно много моделей позво¬ляющих делать это. Однако все подобные модели требуют знания точного соста¬ва смеси и свойств компонентов.
При ректификации сложных смесей с неидентифицированными компонен¬тами возникают большие проблемы с описанием парожидкостного равновесия и, как следствие, с термодинамическим расчетом отдельных колонн и системы в це¬лом. Поиск путей расчета ректификации смесей с ограниченными сведениями о составах и парожидкостном равновесии представляет большой практический ин¬терес.

Список литературы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Выполнены тепловой, эксергетический и термоэкономический анализы стадии ректификации бутиловых спиртов и разработаны мероприятия по сокра¬щению энергозатрат на осуществление процесса. Ожидаемый экономический эффект от внедрения составляет 20,8 млн. руб, в год;
2. Исходя из эффективности теплового насоса, работающего по идеально-му обратному циклу Карно, с учетом стоимости тепловой и электрической энергии разработан показатель термодинамического совершенства системы позволяющий оценить целесообразность использования теплового насоса на том или другом объекте и рассчитать максимальный экономический эффект, который может быть при этом достигнут;
3. На основе стоимости потерь эксергии в испарителе предложен критерий оптимальности, позволяющий определить степень сжатия пара в компрессоре, при которой имеет место минимальные приведенные затраты на сооружение и эксплуатацию установки с тепловым насосом;
4. Выполнено сопоставление циклов сухого и жидкостно-кольцевого ком-прессора при работе их в системе теплового насоса. Показано, что использование жидкостно-кольцевых компрессоров обеспечивает значительную экономию энер¬гии и позволяет упростить аппаратурное оформление процесса;
5. Разработан подход к расчету ректификации сложных смесей, содержа-щих в своем составе неидентифицированные компоненты, который базируется на выборе псевдокомпонентов, обеспечивающих в процессе расчета адекватное описание процесса разделения смеси с получением целевых продуктов.

Список источников
1. Лейтес И.Л., Сосна М.Х., Семенов В.П. Теория и практика химической энерготехнологии. - М.: Химия, 1986, -280 с.
2. Гамаев И.П. Костерин Ю.В. Экономия тепла в промышленности. - М.: Энергия, 1979.-96 с.
3. Губанов Н.Д., Ульянов Б.А. Методы термодинамического анализа энерго- химико-технологических систем. - Изд. Иркутского политехнического института, 1987, -71 с.
4. Brown G. Energy conservation Seminars for Industry: Texas energy Conservation Program: Distillation Column Operations. Texas, USA: J.E.Sirrine Company., 1978, p. 112.
5. Danziger R Chem Eng.// Progress., 1979, ix, c.58-63.
6. Зельвенский Я.Д. Пути энергосбережения при разделении смесей ректифи¬кацией // Хим.пром., 2001, №5, с. 21-27.
7. Кафаров В.В. Основы массопередачи.- М: Высшая школа, 1972, -494с.
8. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А., Примеры и задачи по курсу про¬цессов и аппаратов химической технологии, изд. 10-е, - М., Химия, 1987, - 576 с.
9. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Изд.З-е. В 2-х кн.: Часть 2. Массообменные процессы и аппараты.- М.: Химия, 2002 - 368 с.
Ю.Кутепов А.М. и др. Химическая гидродинамика.// Справочное пособие М., Квантум, 1996,-336 с.
11. Ульянов Б.А., Бадеников В.Я., Ликучев В.Г. Процессы и аппараты химической технологии. - Изд. Ангарской государственной технической академии, 2006. - 743 с.
12. Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г. Тяжелые изотопы водо¬рода в ядерной технике. - М. Энергоатомиздат, 1987, гл. 2, 4.
13. Mix, T.S., J.S.Dweck & М. Weinberg, “Energy conservation in Distillation” chemical Engineering Progress, April 1978, pp. 49-55.
14. Huang, F. & R. Elshout, "Optimizing the Heat Recovery of Crude Units,” Chemical engineering Progress, July 1976, pp. 68-74.
32. Huff George A. Selecting a vacuum producer//Chemical engineering, March 15, 1976, pp. 83-86.
33. Jenssen S.K., Heat exchanger optimization //Chemical engineering progress, (vol. 65, № 7) July 1964, pp. 59 - 66.
34. Kirkpatrick R.D., M.D. Trays can provide savings in propylene purification // The oil and gas journal, April 3,1978, pp. 72 - 83.
35. Null H.R., Heat pumps in distillation // Chemical engineering progress, July 1976, pp. 58-64.
36. Peterson William C., Wells Thomas A., energy-saving schemes in distillation // Chemical engineering, Sept. 26, 1977, pp. 78 - 86.
37. Rozycke J., Energy conservation via recompression evaporation // Chemical en-gineering progress, May 1976, pp. 69 - 72.
38. Ryskamp J., Wade H. L., Britton R. B., Improve crude unit operation // Hydrocar¬bon processing, May 1976, pp. 81 - 86.
39. Tyreus B. D., Luyben W. L., Two towers cheaper than one? // Hydrocarbon proc¬essing, July 1975, pp. 93 - 96.
40. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1982. - 24 с., ил.
41. Fearon, J. Heat from cold-energy recovery with heat pumps // CME, Sept., 1978, pp. 49 - 53.
42. Mostafa, H. Thermodynamic Availability analysis of Fractional Distillation with Vapor Compression // Chemical engineering progress, May 1981, pp. 69 - 72.
43. Мейли А. Снижение энергозатрат на дистилляционную колонну // Нефтега¬зовые технологии, - 2005, №2, с. 63-65.
44. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. - Л; Химия, 1982,-591 с.
45. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа.: - Энергия, 1973.-296 с.
46. Рант 3. Эксергия - новый термин для обозначения «техничесокй работо¬способности» - В кн.: Вопросы термодинамического анализа (эксергетиче¬ский метод). - М.: Мир, 1965, с. 11-14.
47. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации те¬пла и процессов охлаждения. 2-е изд., перераб. - М.: Энергоиздат, 1981. — 320 с.
48. Бродянский В.М., Семенов A.M. термодинамические основы криогенной техники. - М.: Энергия, 1980.-448 с.
49. Бродянский В.М., Лейтес И.Л., Карпова Ю.Г. Выбор уровней отсчета при эк- сергетическом анализе химических процессов. // ТОХТ, 1971, т.5, №6, с. 858 -862.
50. Rodriquez L. Calculation of Available Energy Quantities. - In: Thermodynamics: Second Law Analysis: ACS Symp. Ser., 122. - Washington, D.C., 1980, p. 15-
38.
51. Haywood R.W. A Critical Review of the Theorems of Thermodynamic Availability: with Concise Formulation. // Journal Mechanical Engineering Science, 1974, vol.16, №3, p. 160-173.
52. ШаргутЯ., Петела P. Эксергия. - М.: Энергия, 1968.-279 с.
53. Шаргут Я. Эксергетический баланс тепловых процессов в металлургической промышленности - В кн.: Вопросы термодинамического анализа (эксергети¬ческий метод). - М.: Мир, 1965, с. 164-190.
54. Шаргут Я. Теплоэнергетика в металлургии. - М.: Металлургия, 1978. - 152 с.
55. Wepfer W.J., Gaggioli R.A. Reference Datums for Available Energy - In: Ther-modynamics: Second Law Analysis: ACS Symp.Ser.,122. - Washington, D.C., 1980, p.77-92.
бб.Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. 3-є изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1976.-464 с.
57. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической тех¬нологии. Основы стратегии. - М.: Наука, 1976. - 500 с.
58. Кафаров В.В. Ветохин В.Н. Основы построения операционных систем в хи¬мической технологии. - М.: Наука, 1980.-430 с.
59. Степанов B.C. Химическая энергия и эксергия вещества. - Новосибирск: Наука, 1990, - 161 с.
60. Дэвинс Д. Энергия. - М.: Энергоатомиздат, 1985 - 360 с.
61. El-Sayed Y.M., Evans R.B. Thermoeconomics and the Design of Heat Systems. // Journal Engineering for Power, Jan., 1970, vol. 92, p.27-35
62. Gaggioli R.A., Petit P.J. Use the Second Law First. // ChemTech, 1977, vol.7, p.496-506.
63. Рант 3. Процессы нагрева и второй закон термодинамики - В кн.: Эксерге¬тический метод и его приложения. - М.: Мир. 1967.
64. Umeda Т., Niida К., Shiroko К. A Thermodynamic Approach to heat Integration in Distillation Systems. // AICHE Journal, 1979, vol. 25, № 3, p. 423-429.
65. Borel L., Energy Economics and Exergy-Comparison of Different Heating Sys¬tems on the Theory of Exergy - In: Heat Pumps and Contrib.Energy Conserv. - Noordhof-Layden, 1976, p. 51-96.
66. Petit P.J., Gaggioli R.A. Second Law Procedures for Evaluating Processes - In: Thermodynamics: Second Law Analysis: ACS Symp.Ser., 122. - Eashington, D.C., 1980, p. 15-38.
67. Грассман П. К обобщенному определению понятия коэффициента полезно¬го действия - В кн.: Вопросы термодинамического анализа (эксергетический метод). - М.: Мир, 1965, с. 15-27.
68. Грассман П. Эксергия и диаграмма потоков энергии, пригодной для техни¬ческого использования - В кн.: Вопросы термодинамического анализа (эк¬сергетический метод). - М.: Мир, 1965, с. 28-43.
69. Gyftopoulos Е.Р., Widmer T.F. Availability Analysis: The combined Energy and Entropy Balance. - In: Thermodynamics: Second Law Analysis: ACS Symp. Ser.,
122. - Washington, D.C., 1980, p. 61-76.
70. Покровский H.K. Холодильные машины и установки. - М: Пищевая промыш¬ленность, 1969 - 323 с.
71. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1968, - 846 с.
72. Paradowsky Н., Dufresne J.P. Process Analysis Shows How to Save Energy. - Hydr.Proc., 1983, vol.62, July, p. 103.
73.Swearingen J.S. compare Methane Liquefying Processis. - Hydroc. Proc., 1966, vol. 45, Aug., p. 137-140.
74. Кайзер В., Хек Дж., Местралле Ж. Оптимизация давления в деметанизато- ре. // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, 1978,1 №6, с. 43-46.
75. Кайзер В., Досси П., Сальхи О. Выбор давления при ректификации этан - этиленовой смеси. // Переработка углеводородов, 1977, №2, с. 43-46.
76. Фуге К., Соне Д. Снижение расходов на олефиновых установках. // Перера¬ботка углеводородов, 1976, №11, с. 44-47.
77. Калинина Е.И., Бродянский Б.М. Основные положения методики термоэко-номического анализа комплексных процессов. // Изв.вузов. Энергетика, 1973, -№12, с. 57-64.
78. Калинина Е.И., Бродянский В.М. Технико-экономический анализ установок разделения газовых смесей. - М.: МЭЙ' 1979,*^55 с.
79. Linngof В. New Concepts in Thermodynamics for Better Chemical Process De¬sign. //Chem. Eng. Res. Des., 1983, vol. 61, July, p. 207-223.
80. Vruggink R.S., Collins T.F. Apply Thermo Laws with Care. // Hydroc. Proc., 1982, vol. 61, July, p. 129-132.
81. Umeda Т., Itoh J., Shiroko K. Heat Exchange System Synthesis. // Chem. Eng. Progress, 1978, July, p. 70-76.
82. Nishio М., Itoh J., Shiroko K. Umeda T. A Thermodynamic Approach to Steam- power Design. // Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 1980, vol. 19, p. 308-312.
83. Nishio М., Shiroko K., Umeda T. Optimal Use of Steam and Power in Chemical Plants. // Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 1982, vol. 21, p. 640-646.
84. Ишида М., Оно E. Использование энергетических диаграмм для энергети¬ческого анализа ректификационных колонн . // Экспресс-информация: Про¬цессы и аппараты химических производств и химическая кибернетика. - М.: Химия, 1984, № 19, с. 5-10.
85. Сорин М.В., Синявский Ю.В., Бродянский В.М. Термодинамические принци¬пы и алгоритм структурно-вариантной оптимизации энерготехнологических систем. //Химическая промышленность, 1983, №8, с. 452-455.
86. Синявский Ю.В., Подметухов Ю.В. О структурном анализе криогенных уста¬новок. // Химическая промышленность, 1977, № 1, с. 29-36.
87. Reistad G.M., Gaggioli R.A. Available-Energy Costing - In: Thermodynamics: Second Law Analysis: ACS Symp.Ser., 122. - Washington, D.C., 1980, p. 143- 159.
88. Трайбус М., Эванс P. Термоэкономическое проектирование при условии пе¬ременной структуры стоимости - В кн.: Эксергетический метод и его прило¬жения. - М.: Мир, 1967, с. 202-232.
89. Шаргут Я., Петеля Р. Использование эксергии в экономике - В кн.: Эксерге¬тический метод и его приложения. - М.: Мир, 1967, с.165-201.
90. Evans R.B., Tribus М. Thermo-Economics of Saline Water Conversion. // Ind.and Eng.Chem. Process Des.Dev., 1965, vol.4, №2, p. 195-206.
91. Wepfer W.J. Applications of Available-Energy Accounting - In: Thernmodynam- ics: Second Law Analysis: ACS Symp. Ser., 122. - Washington, D.C., 1980, p. 161-186.
92. Кафаров В.В., Перов В.Л., Иванов В А, Бобров ДА Системный подход к оптимальному проектированию химико-технологических систем // ТОХТ, 1972, т.6, №6, с. 903-915.
ЭЗ.Кафаров В.В., Перов В.Л., Мешалкин В.П. Принципы математического мо¬делирования химико-технологических систем. - М.: Химия, 1974. - 343 с.
94.Пиччиотти М. Оптимизация работы холодильного хозяйства. // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, 1979, №8, с. 118-127.
95.Чечеткин А.В., Занемонец НА Теплотехника. - М.: Высшая школа, 1987, - 344с.
96. Кириллин В А, Сычев В.В., Шейдлин А.Е. Техническая термодинамика. - М.: Энергия, 1973, - 512 с.
97. Бродянский В.М., Фратшер В., Мехалек К., Эксергетический метод и его приложения. - М.: Энергоатомиздат, 1988, - 341 с.
98. Карапетьянц М.Х Химическая термодинамика. - М.: Химия, 1975, - 583 с.
99. Нащокин В.В. Техническая термодинамика. - М.: Высшая школа, 1969, - 559 с.
100. Губанов Н.Д., Коновалов Н.П., Салауров В.Н. Энерготехнология химиче¬ских производств. - Изд. ИГТУ, Иркутск, 1994, - 86 с.
101. Бэр Г.Д. Техническая термодинамика. - М: Мир, 1977,-518 с.
102. Энергия и эксергия. Под ред. Бродянского В.М. - М.: Мир, 1968, -189 с.
103. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1973, - 317 с.
104. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Изд.З-е. В 2-х кн.: Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. - М.: Химия, 1995. - 400 с.
105. Островский Г.М., Волин Ю.М. Методы оптимизации сложных химико-технологических систем.
106. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической техноло¬гии. - М.:, Химия, 1975.-211 с.
107. Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.С., Вент Д.П. Научные основы процессов ректификации: В 2 т. Т. 2. Под ред. Л.А. Серафимова. - М.: Химия, 2004. - 416 с.
108. Петлюк Ф.Б., Платонов В.М. Термодинамически обратимая многокомпо¬нентная ректификация. //Химическая промышленность, 1964, № 10, с. 723 - 725.
109. Grunberg T.F. Advances in Cryogenic Engineering, 1956, v. 2, New York, 1960.
110. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. Кн.1,2. - М.-Л.: Наука, 1968-1426 с.
111. Hala Е., Pick Y., Fried V., Vilim О. Vapor-Liquid Equilibrium. Pergamon, 1968.
112. Коган В.Б. Гетерогенные равновесия.-Л.: Химия, 1968.-617 с.
113. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии. - М.: Мир, 1989 - 662с.
114. Kojima К. Tochigi К. Prediction of Vapor-Liquid Equilibrium by the ASOG Method. Elsevier, 1979.
115. Fredenslund A., Gmehling Y., Rasmussen P. Vapor-Liquid Equilibrium Using UNIFAC. Elsevier, 1977.
116. Багатуров C.A. Основы теории и расчета перегонки и ректификации.- М.: Химия, 1974-439 с.
117. Александров И.А. Массопередача при ректификации и абсорбции много-компонентных смесей - Л.: Химия, 1975 - 319 с.
118. Тиле И, Геддес Р. Расчет аппаратуры для перегонки углеводородных сме¬сей.- Баку: Азнефтеиздат, 1935 - 20 с.
119. Флореа О., Смигельский О. Расчеты по процессам и аппаратам химиче¬ской технологии.- М.: Химия, 1971 -448 с.
120. Холланд Ч.Д. Многокомпонентная ректификация - М.: Химия, 1969 - 350с.
121. Платонов В.М., Берго Б.Г. Разделение многокомпонентных смесей.- М.: Химия, 1965-368 с.
122. Сучков Б.А. Расчет ректификационных колонн на ЭВМ - М.: УНИИТЭнеф- техим, 1971 -56 с.
123. Бояринов А.И., Новиков А.И. В кн. Итоги науки и техники. Процессы и ап¬параты химической технологии - М.: ВИНИТИ. -1974, т.2, с.5