Определение оптимальных рабочих параметров экстрактивной ректификации по схеме с использованием разделяющего агента в первой колонне. Принципиальная технологическая схема ректификации азеотропной смеси циклогексан-бензол-этилбензол-н-пропилбе нзол с использованием анилина в качестве разделяющего агента приведена на рис.7. Рис. 7. Технологическая схема ЭР с применением ЭА в первой колонне Технологическая схема представляет собой последовательность из четырех ректификационных колонн.
Две первые колонны составляют традиционный комплекс экстрактивной ректификации, необходимый для разделения азеотропообразующей пары компонентов.
Согласно классификации схем экстрактивной ректификации данный вариант организации процесса относится к группе схем с использованием разделяющего агента на первом этапе и, следовательно, выделением азеотропообразующего компонента в первой колонне.
Рассмотрим работу установки более подробно. В колонне 1 осуществляется разноуровневая подача разделяющий агент подается в верхнюю часть, а исходная смесь - в среднюю часть колонны. Под действием ЭА происходит изменение относительной летучести компонентов исходной смеси, в результате в качестве дистиллята отбирается практически чистый высококипящий компонент - циклогексан. Кубовая жидкость, содержащая анилин и бензол, направляется на разделение в колонну 2. В колонне регенерации экстрактивного агента анилин выделяется в качестве нижнего продукта и возвращается в верхнюю часть колонны 1, образуя рецикл.
Верхний продукт колонны 2, содержащий бензол, этилбензол и пропилбензол далее разделяется в последовательности простых двухсекционных колонн, работающих в режиме первого заданного разделения. Нами была проведена параметрическая оптимизация комплекса экстрактивной ректификации с целью снижения энергозатрат на разделение. Первоначально мы определили оптимальную совокупность рабочих параметров колонны экстрактивной ректификации.
Известно, что энергоемкость разделения в колонне экстрактивной ректификации при фиксированных количестве, составе и температуре исходной смеси и заданном количестве продуктовых потоков зависит от температуры и расхода ЭА, а также от уровня ввода исходной смеси и разделяющего агента. Расчет проводили на 100 моль час исходной смеси, содержащей бензол-циклогексан-этилбензол-н-пропилбе нзол, эквимолярного состава. Эффективность колонн задавали равной 20 т.т. Качество продуктовых фракций - 99 мольн. целевого компонента, за исключением фракции регенерированного анилина содержание экстрактивного агента 99,9 мольн На первом этапе, закрепив соотношение исходной смеси и экстрактивного агента 1 2 , мы исследовали влияние температуры подачи анилина на энергетические затраты.
Диапазон исследуемых температур закрепили в интервале 60-100 С с шагом 10 С. Для каждой из установленных температур определили оптимальное положение тарелок питания и ввода экстрактивного агента.
Результаты расчета приведены в табл.5. Таблица 5. Изменение энергозатрат в зависимости от температуры подачи экстрактивного агента. F ЭА 1 2 Температура подачи ЭА, С NЭА NF Флегма колонны 1 Энергозатраты, ГДж ч Колонны 1 Суммарные 100 4 11 1,450 2,558 37,326 90 4 11 0,983 2,561 37,285 80 4 10 0,642 2,642 37,375 70 5 14 0,261 2,675 37,596 60 4 12 0,172 2,905 37,805 Рис.8. 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 знергозатраты наблюдаются при температуре подачи ЭА 90 0С, что видно из рисунка 8. Изменение энергозатрат на разделение при разных температурах подачи экстрактивного агента можно объяснить, рассмотрев уравнение теплового баланса 9 . 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.
По полученным результатам для экстрактивной колонны можно сказать, что снижение энергозатрат за счет увеличения теплосодержания ЭА практически во всех случаях, превышает их рост за счет увеличения затрат на конденсацию.
Далее мы рассмотрели зависимость энергозатрат на разделение от температуры и расхода ЭА, 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.
Результаты представлены в табл. 6 и на рис. 9. Таблица 6. З ависимость энергозатрат от расхода ЭА при температуре его подачи 90єС. Уровни подачи NЭА NF 4 11 Расход ЭА, моль час Флегма колонны 1 Энергозатраты,ГДж ч Колонны 1 Суммарные 50 1,420 2,315 24,400 60 1,500 2,316 23,140 70 1,519 2,318 22,870 80 1,521 2,321 22,890 90 1,514 2,329 22,960 100 1,515 2,338 22,950 Из приведенных данных видно, что энергозатраты экстрактивной колонны не чувствительны к изменению расхода ЭА. В общем, уменьшение расхода разделяющего агента со 100 до 50 моль час приводит к колебаниям значений суммарных энергозатрат на разделение в пределах 6 . Однако для всей схемы в целом наблюдается экстремальная зависимость энергозатрат с минимумом при расходе ЭА, равным 70 моль час. Рис.9. Зависимость энергозатрат от расхода ЭА при температуре его подачи 90 оС Появление минимума на зависимости суммарных энергозатрат от расхода ЭА можно легко объяснить, если рассмотреть изменение численного соотношения величин QЭА, QW и Qконд в уравнении теплового баланса 8 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. Далее мы проделали подобную процедуру для каждого значения температуры ЭА и определили оптимальный расход экстрактивного агента, при котором наблюдаются минимальные нагрузки на кипятильники колонн.
Результаты представлены в табл. 7. Таблица 7. З зависимость энергозатрат от расхода ЭА при разных температурах подачи ЭА Температура подачи ЭА, С Опт. расход ЭА, моль час Флегма колонны 1 Энергозатраты,ГДж ч Колонны 1 Суммарные 100 60 1,724 2,338 22,967 90 70 1,519 2,318 22,870 80 70 1,328 2,341 22,967 70 70 1,113 2,334 21,914 60 70 0,991 2,344 22,738 В общем, флегмовое число уменьшается с уменьшением температуры.
Минимальные энергозатраты наблюдаются при оптимальном расходе 70 моль час и температуре подачи ЭА 700С. Далее мы определили величину минимального и оптимального расхода разделяющего агента от его температуры и положения тарелок питания. При этом для каждого набора параметров фиксировали энергозатраты на разделение. Результаты представлены в табл. 8. Таблица 8. Зависимость величины минимального и оптимального расхода ЭА от его температуры и положения тарелок питания NЭА NF Расход ЭА, моль час Флегма Т1 при опт. расходе Энергозатраты при опт. расходе ЭА, ГДж час Энергозатраты при мин. расходе ЭА, ГДж час Опт. Мин. Колонна 1 Суммарные Колонна 1 Суммарные ТЭА 600С 4 10 80 50 1.750 2.357 22.912 2.357 22.936 4 11 80 50 1,728 2,339 22,893 2,337 22,978 4 12 50 50 1,765 2,457 23,333 2,457 23,333 5 10 50 50 1,870 2,457 23,333 2,457 23,333 5 11 60 50 1,764 2,372 23,217 2,371 23,255 5 12 50 50 1,770 2,378 23,239 2,378 23,239 ТЭА 700С 4 10 60 50 1,544 2,358 22,880 2,356 22,962 4 11 70 50 1,521 2,340 22,869 2,338 22,940 4 12 70 50 1,563 2,374 22,906 2,370 22,996 5 10 100 50 1,555 2,425 23,051 2,455 23,330 5 11 70 50 1,550 2,372 23,196 2,371 23,250 5 12 60 50 1,558 2,378 23,210 2,378 23,238 ТЭА 800С 4 10 60 50 1,349 2,360 22,885 2,359 22,920 4 11 60 50 1,327 2,342 22,860 2,342 22,867 4 12 50 50 1,370 2,377 22,889 2,377 22,889 5 10 70 50 1,451 2,455 23,306 2,453 23,376 5 11 90 50 1,348 2,373 23,194 2,373 23,221 5 12 90 50 1,357 2,380 23,207 2,378 23,284 ТЭА 900С 4 10 60 50 1,171 2,360 22,822 2,358 22,883 4 11 60 50 1,146 2,340 22,870 2,341 22,841 4 12 50 50 1,191 2,375 22,850 2,376 22,850 5 10 90 50 1,263 2,452 23,261 2,449 23,335 5 11 90 50 1,160 2,370 23,180 2,370 23,210 5 12 90 50 1,170 2,378 23,188 2,378 23,204 ТЭА 1000С 4 10 50 50 1,003 2,359 22,843 2,359 22,843 4 11 70 50 0,991 2,344 22,738 2,342 22,827 4 12 50 50 1,023 2,376 22,860 2,376 22,860 5 10 50 50 1,095 2,452 23,226 2,452 23,226 5 11 60 50 0,992 2,371 23,155 2,371 23,177 5 12 50 50 0,999 2,379 23,183 2,379 23,183 Как видно из таблицы 8, минимальные энергозатраты в кипятильниках колонн обеспечиваются при следующих значениях рабочих параметров температуре подачи ЭА 1000С, расходе ЭА 70 моль час, уровнях подачи экстрактивного агента и исходной смеси на 4 и 11 тарелки соответственно.
Заметим, что независимо от температуры подачи ЭА оптимальные уровни подачи экстрактивного агента и исходной смеси находятся на 4 и 11 10-ой для Т 900С тарелках соответственно.
Далее рассмотрим изменение энергозатрат в колонне регенерации от положения тарелки питания при различных температурах подачи экстрактивного агента.
Результаты представим в табл. 9. Таблица 9. Зависимость энергозатрат в колонне регенерации от положения тарелки питания Температура, оС Оптимальная тарелка питания Энергозатраты, ГДж час 100 11 22,550 90 11 22,208 80 11 22,871 70 11 22,942 60 11 23,020 Как видно из табл. 9, с изменением температуры экстрактивного агента положение оптимальной тарелки питания в колонне регенерации не меняется.
Таким образом, мы провели параметрическую оптимизацию схемы экстрактивной ректификации.
В итоге нами был получен набор оптимальных параметров работы технологической схемы, при котором энергопотребление минимально температура подачи ЭА 100 оС оптимальный расход ЭА 70 моль ч F ЭА 1 0,7 NЭА NF 4 11 тарелка питания колонны регенерации - 11