Энергетическая оптимизация многоколонных ректификационных комплексов

Леонтьев В. С. Энергетическая оптимизация многоколонных ректификационных комплексов. Предложены алгоритмы энерго- и ресурсосберегающей оптимизации многоколонных ректификационных комплексов с целенаправленным изменением структуры аппаратурно-технологической схемы за счет применения PSD-модулей, использования компонентов разделяемой смеси в качестве разделяющих агентов после их выделения и очистки, и объединения технологических узлов в аппаратурно-энергетические блоки, максимально утилизирующие внутреннюю энергию технологических потоков. На примерах энергетической оптимизации для перекиси водорода и тетрагидрофурана показано, что предложенный подход приводит к качественно новым технологиям выделения химических продуктов.

Структурно-энергетическая оптимизация (СЭО) многоколонных ректификационных комплексов является наиболее сложной задачей при разработке процессов ректификации. Она не только обладает большой вариантностью, но и относится к классу многоуровневых многопараметрических оптимизационных задач, когда на каждом из этапов используются свои ограничения и критерии оптимальности. Особенно трудно оптимизировать комплексы, имеющие внутренние рецикловые потоки, а также модули для разделения азеотропных смесей.

Количество вычислительных работ можно резко сократить, используя алгоритмы целенаправленного поиска оптимума, с анализом и экспертной оценкой получаемых результатов на определенных шагах.

Когда структура технологической схемы не меняется, проводится последовательная оптимизация стадий по алгоритмам одноколонных аппаратов [1, 2] с выбором оптимальных характеристик для каждой стадии (см. рис. 1).

Оптимизация многоколонных ректификационных комплексов с изменением структуры технологической схемы часто приводит к качественно новым результатам по сравнению с оптимизацией без изменения структуры.

Определив оптимальную последовательность технологических операций, проводимых на ректификационных колоннах, можно заметно снизить энергозатраты и сократить количество стадий.

На основе обобщения результатов разработки ряда технологий разделения с использованием разделяющих агентов, в частности, при разделении близкокипящей неазеотропной системы тетрафторэтилен — трифторэтилен, с использованием дифторхлорметана в качестве разделяющего агента [3]; разделения азеотропной смеси дифторхлорметан — гексафторпропилен с использованием в качестве разделяющего агента октафторциклобутана [4]; обезвоживания тетрагидрофурана с использованием в качестве разделяющего агента фурана; обезвоживания этилового и пропиловых спиртов с использованием циклогексана в качестве разделяющего агента [5], получения тетрагидрофурана из малеинового ангидрида с использованием комбинированного разделяющего агента — н-бутанол + дибутиловый эфир [6]; и др. технологий было установлено, что использование примесей, содержащихся в реакционных смесях и образующих азеотропы с другими компонентами или изменяющих их летучести, в качестве разделяющих агентов после их выделения, очистки и вводе в определенные точки технологического процесса, приводит к сокращению стадий, снижению энергетики, повышению выхода целевых продуктов и рекомендовано в качестве обязательного элемента оптимизации. Алгоритм оптимизации модулей ректификации с использованием разделяющих агентов, в том числе примесных, представлен на рис. 2.

Для разделения гомогенных азеотропов, состав которых чувствителен к давлению, достаточно широко используется PSD-метод [7–9], заключающийся в разделении смеси на двух колоннах, работающих при различных давлениях, имеющих внутренний рецикловый поток. Были разработаны алгоритмы и выработаны практические рекомендации по поиску энергетического оптимума для произвольной PSD-системы, учитывающие совокупность технологических и аппаратурных характеристик [10, 11]. При оптимизации многоколонных ректификационных комплексов, рекомендуется оценивать возможность использования PSD-модулей как элемента общей схемы разделения.

При оптимизации многоколонных ректификационных комплексов с изменением структуры технологической схемы выделения продуктов целесообразно:

• на первом этапе из множества схем разделения выбрать те варианты схем, которые на практике обеспечивают получение продуктов заданной степени чистоты при максимальном их выходе;
• на основе анализа фазовых равновесий компонентов разделяемой смеси оценить возможность применения PSD-технологий для разделения азеотропов и использования компонентов смеси в качестве разделяющих агентов;
• провести теплофизический анализ потоков, выявить наиболее энергоёмкие стадии процесса и сформировать аппаратурно-энергетические блоки с максимальным использованием внутренней энергии технологических потоков.

Алгоритм оптимизации многоколонных ректификационных комплексов с изменением структуры технологической схемы приведен на рис. 3.

Разработанные алгоритмы позволяют проводить оптимизацию многоколонных ректификационных комплексов при минимальных затратах временных и материальных ресурсов и ориентированы на применение коммерческих прикладных программ, таких как CHEMCAD, ASPEN+, HYSYS, SiDiCo и др., предназначенных для моделирования химико-технологических процессов.

На примере процесса выделения и очистки перекиси водорода (ПВ), получаемой окислением 2-пропанола, покажем, как изменение структуры технологической схемы на основе анализа теплофизических свойств потоков, с формированием аппаратурно-энергетических блоков со связанными энергетическими потоками существенно снижает затраты греющего пара на проведение процесса.

Общее потребление пара на технологию без энергетической оптимизации колеблется от 9 до 18 т на 1 т 100 %-ной ПВ в зависимости от выпускаемого сорта (см. табл. 1).

Таблица 1 — Потребление греющего пара по стадиям процесса получения ПВ

Были вычленены самые энергоемкие стадии процесса: стадии окисления, выделения Н₂О₂ — сырца, и очистки и концентрирования ПВ, выделения ацетона и легколетучих примесей, — и решена задача увязки в единые энергетические комплексы данных стадий с использованием внутренней энергии технологических потоков.

Схема выделения и очистки ПВ до оптимизации приведена на рис. 4, после структурно-энергетической оптимизации — на рис. 5.

Анализом состава и теплофизических характеристик потоков по всей технологической цепочке было показано, что максимально использовать внутреннюю энергию потоков без механической или эжекционной компрессии последних можно только увязав в первый аппаратурно-энергетический комплекс стадии дросселирования и выделения ацетона с использованием колонны с боковым отбором товарного ацетона (см. рис. 5 — штриховая линия) и во второй — стадии выделения ПВ из реакционной массы, ее очистки и концентрирования (см. рис. 5 — сплошная линия).

Моделированием процесса многокомпонентной ректификации было показано, что только при определенных режимах работы колонн второго аппаратурноэнергетического комплекса (давлениях, температурах, концентрациях Н₂О₂ в кубах колонн) и характеристиках оборудования (эффективность, гидравлическое сопротивление) можно реализовать безопасную схему работы со связанными тепловыми потоками при получении 50 %-ной ПВ: вакуум и температуры на первой колонне должны составлять Р_1ост = 19,3...21,3 кПа, t_в=30...35 °С, t_к = 65...67 °С; концентрация ПВ в кубе колонны С₁=35 %, колонна должна иметь эффективность N>20 т. т. при гидравлическом сопротивлении ΔР₂<2 кПа; вакуум и температуры на второй колонне должны составлять Р_1ост=40...42,7 кПа, t_в=75.77 °С, t_к=87...89 °С; концентрация ПВ в кубе колонны С₂=50 %, колонна должна иметь эффективность N>20 т. т. при гидравлическом сопротивлении ΔР₂<2 кПа. Требующимися совокупными характеристиками оборудования обладают только колонны с регулярными насадками. Для ПВ в качестве материала насадки целесообразно использовать листовой фторопласт-4 с волнообразным гофром и просечками. Относительные габариты тарельчатой и насадочной колонн выделения ПВ приведены на рис. 5 б.

Таким образом, за счет структурно-энергетической оптимизации стадий выделения ПВ потребление пара снижается на 20.. .30 % на всю технологию.

Использование компонентов реакционной смеси в качестве разделяющих агентов в оптимизируемой технологии существенно снижает энергозатраты, уменьшает число стадий разделения и повышает выход целевого продукта. Продемонстрируем это на примере выделения ТГФ, получаемого из фурфурола.

В реакционных смесях производства ТГФ присутствует фуран в количествах 1...2 %, который является легколетучей примесью. По принятой технологии он удалялся из промышленного цикла на специальной колонне. В то же время фуран образует с водой гетероазеотроп с содержанием воды 1,18 % (при атмосферном давлении), который хорошо расслаивается. Расчетными методами и экспериментально было изучено влияние добавок фурана на работу колонны обезвоживания и показано, что при организации в колонне технологических режимов, обеспечивающих соотношение 5...6 частей фурана на 1 часть обезвоживаемого тетрагидрофурана, содержащего до 5 % воды, происходит осушка тетрагидрофу-рана до остаточной влажности менее 0,05 %. Максимальный эффект достигался при вводе фурана в две точки: в линию флегмы и ниже питания на 2...3 тарелки. Проведение процесса под давлением повышало содержание воды в гетероазеотропе и снижало удельные энергозатраты.

Этот эффект был положен в основу оптимизации технологии ТГФ. Было предложено проводить обезвоживание на колонне с расслаивателем, где в качестве разделяющего агента использован примесный компонент — фуран, предварительно выделенный из технологической смеси и накопленный в количестве необходимом для запуска процесса обезвоживания. Фурана, присутствующего в реакционной смеси, достаточно для автоматической компенсации его технологических потерь после запуска процесса.

В качестве базовой для оптимизации была взята технология выделения ТГФ, с использованием в качестве осушающего агента этиленгликоля и содержащая 7 стадий (см. рис. 6 а). Двухколонная схема с использованием фурана в качестве осушающего агента приведена на рис. 6 б). Расход греющего пара сокращен в 6,5 раз, выход целевого продукта повышен с 87 до 97 %.

Выводы

При энергетической оптимизации многоколонных ректификационных комплексов без изменения структуры технологической схемы оптимизация проводится по алгоритмам одноколонных аппаратов.

При энергетической оптимизации многоколонных ректификационных комплексов с изменением структуры технологической схемы необходимо решить три основных задачи:

• на основе анализа фазовых равновесий компонентов разделяемой смеси оценить возможность применения PSD-технологий для разделения азеотропов и использования компонентов смеси в качестве разделяющих агентов;
• оценить влияние на энергетику изменения последовательности стадий процесса разделения и использования колонн с боковыми отборами целевых и примесных продуктов с формированием зон отбора;
• провести теплофизический анализ потоков, выявить наиболее энергоёмкие стадии процесса и сформировать аппаратурно-энергетические блоки с максимальным использованием внутренней энергии технологических потоков.

Список источников

1. Леонтьев В. С. Компьютерное моделирование процессов ректификации // Сб. Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии. Часть 1. Современные направления развития технологии и аппаратурного оформления процессов ректификации в спиртовых производствах. Под редакцией Леонтьева В. С. С-Пб., Издательство «Теза», 2004. С. 61–82.
2. Леонтьев В. С., Никифоров Б. Л. Оптимизация работы одноколонных ректификационных установок периодического действия // XVII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Тезисы докладов. Том 2. Материалы и нанотехнологии. Казань, 21–26 сентября 2003. С. 245.
3. Леонтьев В. С. Очистка тетрафторэтилена с использованием компонентов реакционной смеси в качестве разделяющих агентов. // Фторсодержащие мембранно-каталитические полимерные материалы и системы. Сборник научных трудов. СПб.: Серебряный век, 2010. С. 99–101.
4. Леонтьев В. С., Никифоров Б. Л. Вопросы технико-экономической оптимизации установок экстрактивной ректификации на примере производств фторорганических соединений // Соединения фтора. Химия, технология, применение. Сборник научных трудов. С-Пб.: Теза, 2009. С. 343–351.
5. Мищенко А. С., Кизюн Г. А., Михненко Е. А. Производство биотоплива на спиртовых заводах Украины // IV Международная научно-практическая конференция "Прогрессивные технологии и современное оборудование — важнейшие составляющие успеха экономического развития спиртовой и ликероводочной промышленности. М.: Пищевая промышленность, 2003. С. 121–125.
6. Платонов Г. Г., Леонтьев В. С., Использование разделяющего комбинированного агента в узле осушки возвратных продуктов в производстве тетрагидро-фурана из малеинового ангидрида // Научные основы создания унифицированных блоков и модулей для аппаратурного оформления универсальных химико-технологических схем. Сборник научных трудов. Часть 1. Л., НПО ГИПХ, 1990. C. 81–84.
7. Frank T. C. Break azeotropes with pressure-sensitive distillation // Chemical Engineering Progress, 1997, Vol. 93, Issue 4, pp. 52–63.
8. Horwitz B. A. Optimize pressure-sensitive distillation // Chemical Engineering Progress, 1997, Vol. 93, Issue 4, pp. 47–51.
9. Abu-Eishah S. I., Luyben W. L. Design and control of a two-column azeotropic mixtures // Ind. End. Chem. Proc. Des. Dev., 1985, 24, p. 132.
10. Леонтьев В. С. Энергетическая оптимизация двухколонных систем для разделения азеотропов, чувствительных к изменению давления // Сборник тезисов докладов II Конгресса химических технологий. СПб., 2001. С. 91–92.
11. Леонтьев В. С. Разработка алгоритмов энергетической оптимизации ректификационных комплексов // XVII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Тезисы докладов. Том 2. Материалы и нанотехнологии. Казань, 2003. С. 246.