Оптимизация ректификации фракции этан-пропен-пропан в простых и сложных колоннах (стр. 6 из 9)

Рассмотрим предложенные схемы более подробно.

Схема 1 представляет собой последовательность простых двухсекционных колонн, работающих в режиме первого заданного разделения (рис. 6а, в). Согласно этой схеме в качестве дистиллата колонны 1 выделяют практически чистый этан, а кубовый продукт колонны 1 поступает на дальнейшее разделение. В колонне 2 происходит отделение пропена и пропана.

работает в режиме второго заданного разделения, что позволяет выделить в качестве кубового

продукта тяжелокипящий пропан. Дистиллат колонны 1 направляют на дальнейшее разделение на этан и пропен в колонну 2.

Используя широко развитые методы синтеза схем, основанные на теории графов [5, 6, 7, 8], нами синтезированы технологические схемы разделения трехкомпонентной смеси этан - пропен - пропан, содержащие сложные колонны (рис.6 б, г, 7 б, г). Схемами-прообразами являются описанные схемы 1 и 2. Для трансформации схем 1 и 2 представим их в виде графов (рис. 6 в, г, 7 в, г). Структуры 3 и 4 получают путем стягивания по ориентированному ребру, эксплицирующему потоки между колоннами. Полученные схемы-образы являются структурами с частично (рис. 6 б, г, 7 б, г) связанными тепловыми и материальными потоками.

Синтезированная схема 3 (рис. 6 б) представляет собой сложную колонну с боковой укрепляющей секцией. Схема содержит два дефлегматора и один кипятильник. Схема 4 (рис. 7 б), напротив, отличается наличием двух кипятильников и одного дефлегматора, представляя тем самым сложную колонну со стриппинг-секцией.

Таким образом, нами предложено четыре схемы разделения, представленные на рис. 8.

Схема 1 Схема 2

Схема 3 Схема 4

Рис. 8. Технологические схемы разделения смеси этан-пропен-пропан

Разделение смеси по схемам из простых и сложных колонн

Итак, нами было предложено четыре схемы ректификации.

Сравнение энергопотребления схем проводили по критерию минимальных энергозатрат, которые вычисляли как сумму тепловых нагрузок на кипятильники колонн. Все аппараты технологической схемы работают при давлении 40 кг/см².

Все расчеты проводили на 20 тон/час исходной смеси различных составов с помощью программного комплекса PRO П. Известно, что концентрационный симплекс исходных составов питания делится на области оптимальности, в каждой из которой оптимальна своя технологическая схема. Размер и положение этих областей определяется составом питания разделяемой смеси при прочих равных параметрах. Поэтому нами были выбраны 4 различных состава, указанных в таблице 8.

Таблица. 8. Исследуемые составы питания

Состав 1	Состав 2	Состав 3	Состав 4
Этан	0,33	0,50	0,50	0,01
Пропен	0,33	0,10	0,40	0,55
Пропан	0,34	0,40	0,10	0,44

Этан

ПропенПропан

Рис. 9. Исходные составы питания концентрационного симплекса Состав 1 является эквимолярньм и находится в центре концентрационного симплекса, составы 2 и 3 и 4 смещены к его граням (рис. 9). Отметим также, что состав 4 является промышленным.

Мы также рассмотрели два различных набора значений по чистоте получаемых

продуктов. В первом случае концентрацию среднекипящего компонента задавали равной 95% мольн., во втором - 90%мольн., чистота остальных компонентов равна 99% для обоих вариантов.

В ходе расчетов для каждой технологической схемы нами были определены оптимальные положения тарелок питания, обеспечивающих минимальное энергопотребление в кубы колонн.

Для определения оптимальной тарелки питания в каждой колонне потребовалось проведение серии расчетов. В проектном варианте расчета в каждой колонне варьировали тарелку питания по высоте аппарата и сравнивали значения флегмового числа и тепловых нагрузок. В качестве примера на рис. 10 приведем зависимости энергозатрат на разделение и флегмового число от положения тарелки питания для первой схемы состава 1.

Тарелка питания

Рис. 10. Зависимость энергозатрат на разделение и флегмового числа от положения тарелки питания для схемы 1 состава 1. а - для колонны выделения этана, б - для колонны разделения пропена – пропана.

Отметим, что для других технологических схем зависимости энергозатрат и флегмового числа носят идентичный характер. Поэтому рассмотрим окончательные результаты расчетов, представленные в табл. 9

Таблица. 9. Результаты параметрической оптимизации технологических схем при чистоте пропена 95%

оптим. тар.	Qкип., ГДж/час		Q конд. ГДж/час		Qсумкип., ГДж/час	Qcyмконд., ГДж/час
кол 1/ко л 2	кол 1	/ко л 2	кол 1	/ко л 2	Qсумкип., ГДж/час	Qcyмконд., ГДж/час
Состав 1
схема 1	6/75	7,004	39,155	-6,8653	-39,098	46,167	-45,963
схема 2	81/17	51,94	10,28	-51,82	-10,16	62,21	-61,98
схема 3	31/40	328,41	-300,49	-28,143	328,41	-328,64
схема 4	78/15	47,146	33,414	-79,981	80,56	-79,981
Состав 2
схема 1	7/15	5,965	14,337	-5,413	-14,276	20,302	-19,689
схема 2	86/7	21,764	3,3177	-21,241	-3,2246	25,0817	-24,4656
схема 3	24/29	393,36	-419,03	-11,345	393,36	-430,37
схема 4	85/17	25,966	0,27609	-25,65	26,243	-25,65
Состав 3
схема 1	5/66	6,6171	40,975	-6,4001	-40,934	47,592	-47,334
схема 2	84/5	77,54	5,02	-77,47	-4,84	82,56	-82,31
схема 3	25/38	415,2	-405,2	-8,3288	415,2	-413,53
схема 4	70/20	57,097	1,0929	-57,947	58,19	-57,947
Состав 4
схема 1	10/77	5,2894	57,845	-5,2917	-57,721	63 ,135	-63,0127
схема 2	80/10	380,01	0,41624	-379,91	-0,41622	380,43	-380,33
схема 3	20/56	254,9	-44,025	-210,78	254,9	-254,81
схема 4	80/20	60,955	4,00	-64,815	64,955	-64,815

Из приведенных данных видно, что для всех исследуемых составов оптимальной является первая технологическая схема, которая обеспечивает минимальное энергопотребление в кубы колонн. Это можно объяснить ее структурой. Продуктом первой колонны является компонент (этан), относительная летучестькоторого в два раза превышает остальные компоненты. Выделение этою компонента из смеси облегчает дальнейшее разделение пары пропен-пропан во второй колонне.Рассмотрим результаты более подробно.

Номер состава питания

Рис. 11. Зависимость энергозатрат на разделение от соста

Из рис. 11 видно явное преимущество схемы 1 над остальными. Применение же схемы 3 нецелесообразно во всех случаях. Схема с боковой укрепляющей секцией, предназначенной для удаления тяжелых примесей из целевого компонента, требует больших энергозатрат на разделение. Энергозатраты в куб основной колонны этой схемы превышает остальные на порядок. Как показывает расчет для всех исследуемых составов, намного более выгодно проводить разделение пары пропен-пропан по схеме из последовательности простых двухсекционных колонн (схема 1). Что касается остальных технологических схем, то на первый взгляд их различие не так велико. Однако проанализируем полученные

Таблица. 10. Результаты сравнения технологических схем при чистоте пропена 95%

Q_i
	Номер исходного состава питания
	1	2	3	4	1	2	3	4
Схема 2	16.04	4.77	34.97	317.29	25.788	19.05	42.35	83.40
Схема 3	282.24	373.05	367.60	191.76	85.94	94.83	88.53	75.23
Схема 4	34.39	5.94	10.59	1.82	42.69	22.63	18.21	2.80

результаты более подробно. В табл. 10 представлены результаты сравнения технологических схем по отношению к оптимальной (схеме 1).

Для состава 1 первая технологическая схема является, несомненно, лучшим вариантом разделения. Ближайший конкурент (схема 2) превышает ее по энергозатратам на 25%.

Если взглянуть на абсолютную разницу в энергопотреблении схем, то для состава 2 видно, что разница между схемами 1, 2 и 4 не велика. Однако в процентном соотношении она достигает порядка 20%. Схемы 2 и 4 в некоторой степени могут быть конкурентоспособны между собой, их различие составляет 4%. Следует заметить, что состав 2, содержание пропена в котором минимально (10%), обеспечивает минимальные энергозатраты для схем 1,2, и 4 по отношению к другим исследуемым составам.