Пути экономии энергии в ректификационных установках

Основными процессами разделения жидких, газовых и паровых смесей являются ректификация, абсорбция и экстракция. Причем, по энергозатратам процесс ректификации значительно превосходит все остальные процессы. Так, например, на ректификацию расходуется до 30 % всех энергозатрат НПЗ, в США на ректификацию расходуется более 3 % всей произведенной энергии.

Расчеты показывают [12], что в среднем потребление греющего пара на одну атмосферную колонну диаметром 1,4 м ~ 1,5 т/ч, что составляет сумму затрат более 110 тыс. евро в год.

При увеличении диаметра колонны в два раза потребление энергии (греющего пара) повышается в четыре раза. В настоящее время на предприятиях химической, нефтехимической и газовой отраслей промышленности встречаются колонны диаметром более 5–6 м. Снижение энергозатрат только на 10 % даст экономический эффект несколько сотен тысяч евро в год только на одной установке разделения.

Основными источниками энергосбережения при ректификации являются: снижение флегмового числа за счет повышения КПД колонны, использование тепла паров верха колонны, использование комплексов со связанными тепловыми потоками (минимизация энергозатрат), совмещенные (с абсорбцией, экстракцией и химической реакцией) процессы, рекуперация тепла и холода, снижение гидравлического сопротивления колонн, изменение последовательности разделения, применения АСУТП.

Рассмотрим основные пути снижения энергозатрат процессов разделения смесей при проведении процессов ректификации [12, 13]:

1. Минимальная реконструкция КУ (контактных устройств) в ряде случаев может снизить энергозатраты на 5–10 %. В качестве минимальной реконструкции массообменных тарелок можно отметить следующие изменения и дополнения в конструкциях:

улучшение структуры потоков за счет секционирования;

изменение формы и высоты перегородок;

установка отбойников;

организация второй зоны контакта фаз;

оптимизация свободного сечения КУ.

Эти мероприятия улучшают гидродинамическую обстановку на контактных устройствах и, как следствие, повышается эффективность разделения, что дает возможность понизить флегмовое число и затраты на греющий пар в кипятильнике колонны.

Минимальная реконструкция характеризуется малыми затратами средств и времени, и может быть выполнена во время планового капитального ремонта установки.

2. Оптимизация режимов работы может дать снижение энергозатрат до 10–30 %. Такими мероприятиями являются:

оптимизация флегмового числа в зависимости от расхода и состава питания;

оптимизация давления, при котором проводится процесс разделения;

для некоторых типов контактных устройств поддерживать нагрузку по сырью, которая обеспечит наивысшую эффективность этих тарелок.

3. Оптимизация технологической схемы особо актуальна при разделении многокомпонентных смесей, когда применяют несколько связанных колонн. Снижение энергозатрат может достигнуть до 20 – 60 %. При оптимизации обычно решаются следующие задачи:

выбор тарелок питания;

организация по высоте ректификационной колонны контуров подвода и отвода тепла;

ввод питания в виде пара с предыдущей колонны, т.е. организация парциального дефлегматора в ней.

4. Среди одних из дорогостоящих, но эффективных мероприятий является замена КУ на новые (последующая экономия энергоресурсов до 30–50 %):

тарелки с двумя зонами контакта фаз (комбинированные);

нерегулярные насадки;

регулярные (упорядоченные) насадки;

вихревые КУ;

КУ с нестационарным взаимодействием фаз и др.

Следует отметить, что в последние годы устаревшие барботажные тарелки часто меняются на новые высокоэффективные насадки. Это обеспечивает кроме снижения энергозатрат на единицу продукции существенное повышение производительности массообменных колонн [12, 13].

5. Очень перспективным является направление совмещения различных процессов в одном аппарате. Например: реакционно-массооб-менные процессы могут обеспечить снижение используемого тепла до 70–80 % за счет использования тепла химической реакции и т. д.

6. Рекуперация тепла продуктов разделения.

Кроме отмеченных выше путей снижения энергозатрат можно отметить также следующие мероприятия [1]:

1. Обеспечение минимальных потерь теплоты в окружающую среду путем тщательной термоизоляции ректификационных колонн. При этом затраты на изоляцию должны компенсироваться стоимостью сэкономленной теплоты.

2. Расходы греющего пара и охлаждающей воды, как известно, возрастают с увеличением коэффициента избытка флегмы а, достигая наименьших значений при минимальном флегмовом числе , т.е. при а = 1. Соответственно увеличиваются затраты. Вследствие уменьшения числа тарелок стоимость колонны с ростом а или снижается до некоторого значения, а затем возрастает из-за опережающего увеличения диаметра колонны, а также рабочих поверхностей дистилляционного куба и конденсатора. Оптимально в экономическом (в том числе и энергетическом) соотношении флегмовое число , соответствующее минимуму суммарных затрат.

3. Значительная экономия греющего пара и охлаждающей воды может быть достигнута в результате использования теплоты паров, уходящих из колонны, дистиллята, кубового остатка и конденсата греющего пара.

Частичный предварительный нагрев исходной смеси можно провести, пропустив ее через дефлегматор или холодильники дистиллята и кубового остатка. При этом, помимо экономии теплоты на подогрев исходной смеси, снижается расход охлаждающей воды в дефлегматоре и холодильниках. Поэтому при расчете ректификационной установки следует выбрать рациональную тепловую схему, основанную на технико-экономическом расчете. Теплота вторичных энергоресурсов сможет использоваться и на иные производственные нужды.

4. При ректификации гомоазеотропных смесей в двух колоннах при двух разных давлениях пары из колонны с большим давлением могут быть использованы для обогрева колонны низкого давления; при этом отпадает, разумеется, необходимость в конденсаторе первой колонны.

5. Большая экономия теплоты может быть достигнута путем применения принципа теплового насоса по схеме, изображенной на рис. 3.32, а. Здесь пар, уходящий из колонны, сжимается компрессором до давления, соответствующего требуемой температуре его конденсации в нагревательной камере дистилляционного куба. При этом, очевидно, не нужно устанавливать конденсатор; кроме того, сокращаются расходы пара и охлаждающей воды. Рассматриваемая схема выгодна во всех случаях, когда стоимость энергии, потребляемой компрессором, уступает затратам на греющий пар и охлаждающую воду. Экономичность установки возрастает по мере уменьшения разности температур кипения компонентов ректифицируемой смеси.

Рис. 3.32. Ректификационная установка с тепловым насосом: а – установка с компрессором для сжатия паров, уходящих из укрепляющей части колонны: 1 – колонна; 2 – компрессор; 3 – флегма; 4 – дистиллят; б – установка с пароструйным инжектором: 1 – колонна; 2 – сосуд-расширитель; 3 – инжектор; 4 – инжектирующий пар; 5 – поток кубового остатка; 6 – смесь сжатых паров

6. В случаях, когда кубовым остатком при ректификации является вода, выгодно обогревать дистилляционный куб острым паром, а не через поверхность нагрева. Помимо удешевления ректификационной установки, в данном случае может быть достигнута значительная экономия теплоты путем использования принципа теплового насоса с помощью пароструйного инжектора (рис. 3.32, б). Здесь кубовый остаток переходит из куба в сосуд-расширитель, где создается разряжение благодаря присоединению его парового пространства к всасывающему штуцеру пароструйного инжектора. Из последнего сжатая смесь инжектирующего пара и вторичных паров, образовавшихся в сосуде-расширите-ле, подается под нижнюю тарелку исчерпывающей колонны; неиспарившаяся и охлажденная часть кубового остатка отводится из системы. Как и в случае выпарных аппаратов, достигаемая экономия теплоты зависит от разности давлений в дистилляционном кубе и сосуде-расшири-теле и от коэффициента инжекции.

Выбор технических решений по модернизации установок разделения должен производиться с использованием технико-экономического анализа рассматриваемых вариантов.

Дата добавления: 2014-01-20