8 Повысить термодинамическую эффективность ректификации?

Возможность значительного снижения
энергозатрат на разделение путем
приближения процесса к термодинамически
обратимой ректификации
газофракционирующей установки ОАО
«Тобольскнефтехим»
Проф. А.В.Тимошенко
 2010
2
Технологии ректификации являются одним из
крупнейших потребителей энергоресурсов в
мире. В развитых странах на эти процессы
падает до 6% всего энергопотребления.
При нефтепереработке на ректификацию
расходуется от 22 до 51% всего потребления
энергии
В США экономия только 10% энергии,
потребляемой ректификацией, эквивалентно 4,5
млн. тонн условного топлива.
Мощность установок по перерабатываемому
сырью уже как правило превышает 1 млн. тонн
в год, а при плановой мощности ЦГФУ
Тобольскнефтехим в 3 млн. тонн в год,
достигнута производительность 3,8 млн. тонн/г
и планируется дальнейшее ее увеличение.
Как снизить энергопотребление?
Отказаться от малоэффективного
процесса ректификации (КПД 5-8%)?
Повысить эффективность
массообмена при ректификации, т.е.
улучшить кинетику процесса?
Повысить термодинамическую
эффективность ректификации?
3
Повысить эффективность
массообмена при ректификации, т.е.
улучшить кинетику процесса?
Замена тарельчатых колонн на колонны с
регулярной насадкой :
Смесь циклогексанол – циклогексанон:
уменьшение гидравлического
сопротивления в 10 раз, понизить
температуру и уменьшить флегмовое
число в 2 раза. Экономия греющего пара
около 45%. При этом уменьшен диаметр
колонн и более чем в 2 раза – высота слоя
насадки.
Смесь стирол-этилбензол:
снижение гидравлического
сопротивления почти в 5 раз,
снижение флегмового числа на 30% и
экономию греющего пара около 30%.
4
Повысить термодинамическую
эффективность ректификации?
 Выбрать «правильную»
последовательность выделения
компонентов, т.е. определить
структуру установки?
 Применить установки с тепловым
насосом?
 Применить теплоинтеграцию
потоков?
5

6
Повысить термодинамическую эффективность
ректификации?
Выбрать «правильную» последовательность
выделения компонентов, т.е. определить структуру
установки

7
Повысить термодинамическую эффективность
ректификации?
Применить установки с тепловым насосом?
7

Повысить термодинамическую эффективность
ректификации?
Применить установки с тепловым насосом?
SD


8

HP
IHIDIC
Производительность «горячего» компрессора;
Увеличение капитальных затрат;
Проблемы передачи тепла между секциями IHIDIC.

Повысить термодинамическую эффективность
ректификации?
Применить установки с тепловым насосом?
SD
9
HP
IHIDIC

Повысить термодинамическую эффективность
ректификации?
Применить установки с тепловым насосом?
SD
10
HP
IHIDIC

Повысить термодинамическую эффективность
ректификации?
Применить установки с тепловым насосом?
SD
11
HP
IHIDIC
Российские ученые Ф.Б.Петлюк,
Л.А.Серафимов, В.М.Платонов –
основоположники принципиально
нового подхода к технологии
ректификации, обеспечивающего
максимальную термодинамическую
эффективность реального процесса
разделения.
Как правило, повышение
термодинамической эффективности
влечет за собой и значительное
снижение энергопотребления
12


Причина термодинамических потерь при
ректификации обусловлена
необратимыми процессами смешения в
зонах питания и на концах колонны;
конечными движущими силами процесса
ректификации.
F
XF
13
Yn
Xn
V
L
Yn-1
Xn-1
Конечные движущие силы процесса можно
отнести к «полезной» необратимости
Основные особенности термодинамически обратимой
ректификации:
14

Бесконечное число ступеней разделения;

Малые движущие силы (бесконечно малое изменение
концентраций и потоков контактирующих фаз);

Дифференциальный подвод тепла к исчерпывающей и
отвод тепла от укрепляющей секций колонны (нулевые
потоки пара в нижнем сечении и нулевое значение
потока жидкости в верхнем сечении);

Полностью распределенные между кубом и
дистиллятом компоненты с промежуточной
относительной летучестью.
Основные особенности термодинамически обратимой
ректификации:
15

Бесконечное число ступеней разделения;

Малые движущие силы (бесконечно малое изменение
концентраций и потоков контактирующих фаз);

Дифференциальный подвод тепла к исчерпывающей и
отвод тепла от укрепляющей секций колонны (нулевые
потоки пара в нижнем сечении и нулевое значение
потока жидкости в верхнем сечении);

Полностью распределенные между кубом и
дистиллятом компоненты с промежуточной
относительной летучестью.
Первый класс фракционирования и полностью
распределенные между кубом и дистиллятом компоненты с
промежуточной относительной летучестью
A
AW1- прямое разделение;
D2C – обратное разделение
separation;
D
D2A – множество составов
дистиллята при нечетком
разделении;
D2
yF
xF
W1C – множество составов куба
при нечетком разделении;
VL – нода жидкость - пар
B
16
W1
C
W
Линия материального баланса ТОР
Колинеарность линии материального
баланса ноде жидкость-пар предопределяет
структуру технологической схемы
17
Удаление зон «вредной» необратимости
зоны необратимого смешения
зоны обратимого смешения
18
Удаление зон «вредной» необратимости
зоны необратимого смешения
зоны обратимого смешения
19
Удаление зон «вредной» необратимости
зоны необратимого смешения
зоны обратимого смешения
20
Удаление зон «вредной» необратимости
21
Простейший комплекс с полностью
связанными тепловыми и материальными
потоками (FTCDS, Petlyuk column)
Термодинамически эквивалентные структуры FTCDS
1
22
2
3
Схемы 1 и 3 имеют лучшую
управляемость
4
Реализация FTCDS в виде колонны с перегородкой
23
Реализация FTCDS в виде колонны с перегородкой
В настоящее
время в мире
уже
реализовано
более 100
установок
ректификации,
работающих по
принципу
FTCDS, как
правило, в
виде DWC
24
Возможно ли применение FTCDS в структуре ЦГФУ?
Условием применения является равенство давления во
всех колоннах комплекса FTCDS.
В структуре ЦГФУ ОАО «Тобольскнефтехим» имеются
два блока, которые при определенных условиях могут
работать при условно постоянном давлении
С2
С3
и-С4
и-С5
С2 -С6
25
н-С4
С6
н-С5
Возможно ли применение FTCDS в структуре ЦГФУ?
Условием применения является равенство давления во
всех колоннах комплекса FTCDS.
В структуре ЦГФУ ОАО «Тобольскнефтехим» имеются
два блока, которые при определенных условиях могут
работать при условно постоянном давлении
С2
С3
и-С4
и-С5
С2 -С6
26
н-С4
С6
н-С5
С2
3
1
4
n-C5
C5+
2
С3
и-С4
i-C5
5
и-С5
6
С2 -С6
н-С4
27
С6
н-С5
- 35%
C6+
Комплексы с частично связанными
тепловыми и материальными потоками
Часто применяются в нефтепереработке,
но практически не используются в
нефтехимических производствах
По термодинамической эффективности
такие комплексы лежат между обычной
ректификацией и FTCDS.
Сохраняется требование постоянства
давления в комплексе. Следовательно
возможно применение там где и FTCDS
28
i-C5
С2
C5+
n-C5
С3
и-С4
и-С5
C6+
С2 -С6
н-С4
29
С6
н-С5
- 17%
Таким образом, применение комплексов с
полностью или частично связанными
тепловыми и материальными потоками
возможно в ЦГФУ нефтехимических
предприятий, в частности, ОАО
«Тобольскнефтехим» и обеспечивает
существенное снижение энергетических
затрат на разделение.
30
Благодарю за внимание !
31