Московский государственный университет тонких химических

Московский государственный университет тонких химических технологий
Московский государственный
университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
им. М.В.Ломоносова
Современные технологии
ректификации
Проф. А.В.Тимошенко
 2011
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
2
Технологии ректификации являются одним из
крупнейших потребителей энергоресурсов в
мире. В развитых странах на эти процессы
расходуется до 6% всего энергопотребления.
При нефтепереработке на ректификацию
используется от 22 до 51% всего потребления
энергии
В США затраты энергии, потребляемой
ректификацией, эквивалентны 45 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.
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Основные проблемы технологий ректификации:
Высокое энергопотребление при низком КПД,
составляющем 5-8%;
Высокие капитальные затраты на создание установок;
Значительные площади, занимаемые
ректификационными колоннами.
Как снизить энергопотребление?
Отказаться от малоэффективного процесса
ректификации?
Повысить эффективность массообмена при
ректификации, т.е. улучшить кинетику процесса?
Повысить термодинамическую эффективность
ректификации?
3
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Повысить эффективность
массообмена при ректификации, т.е.
улучшить кинетику процесса?
4
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
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%.
Новые тарельчатые устройства с высоким КПД
5
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
6
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Как повысить термодинамическую эффективность
ректификации?
Выбрать «правильную» последовательность
выделения компонентов, т.е. определить структуру
установки?
Применить установки с тепловым насосом?
Применить теплоинтеграцию потоков?
7
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова

8
Повысить термодинамическую эффективность
ректификации?
Выбрать «правильную» последовательность
выделения компонентов, т.е. определить структуру
установки
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова

Повысить термодинамическую эффективность
ректификации?
Применить установки с тепловым насосом?
SD
9
HP
IHIDIC
9
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова

Повысить термодинамическую эффективность
ректификации?
Применить установки с тепловым насосом?
SD


10

HP
IHIDIC
Производительность «горячего» компрессора;
Увеличение капитальных затрат;
Проблемы передачи тепла между секциями IHIDIC.
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова

Повысить термодинамическую эффективность
ректификации?
Применить установки с тепловым насосом?
SD
11
HP
IHIDIC
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова

Повысить термодинамическую эффективность
ректификации?
Применить установки с тепловым насосом?
SD
12
HP
IHIDIC
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова

Повысить термодинамическую эффективность
ректификации?
Применить установки с тепловым насосом?
SD
13
HP
IHIDIC
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова

Повысить термодинамическую эффективность
ректификации?
Применить установки с тепловым насосом?
SD
14
HP
IHIDIC
такого комплекса.
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Внутренние элементы HIDIC
15
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Области применения HP и HIDIC:
Ректификация бинарных термически стабильных смесей с
близкими относительными летучестями компонентов,
Объекты:
Выделение товарного этилена из этан-этиленовой фракции
пиролиза
Выделение товарного пропилена из пропан-пропиленовой
фракции пиролиза или продуктов дегидрирования пропана
подсистемы разделения других продуктов каталитического
крекинга, пиролиза на стадиях выделения товарных
олефинов
Эффективность:
До 50% снижения энергозатрат для HP;
До 90% теоретически снижения энергозатрат для HIDIC
(достигнуто 60% на разделении смеси бензол-толуол).
16
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Повысить термодинамическую эффективность
ректификации?
Применить теплоинтеграцию потоков?
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.
17
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова


Причина термодинамических потерь при
ректификации обусловлена
необратимыми процессами смешения в зонах
питания и на концах колонны;
конечными движущими силами процесса
ректификации.
F
XF
18
Yn
Xn
V
L
Yn-1
Xn-1
Конечные движущие силы процесса можно отнести к
«полезной» необратимости
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Основные особенности термодинамически обратимой
ректификации:
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.
19
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Основные особенности термодинамически обратимой
ректификации:
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 = HIDIC);
20
Полностью распределенные между кубом и
дистиллятом компоненты с промежуточной
относительной летучестью.
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
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
21
W1
C
W
Линия материального баланса ТОР
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Колинеарность линии материального
баланса ноде жидкость-пар предопределяет
структуру технологической схемы
22
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Удаление зон «вредной» необратимости
зоны необратимого смешения
зоны обратимого смешения
23
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Удаление зон «вредной» необратимости
зоны необратимого смешения
зоны обратимого смешения
24
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Удаление зон «вредной» необратимости
зоны необратимого смешения
зоны обратимого смешения
25
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Удаление зон «вредной» необратимости
26
Простейший комплекс с полностью
связанными тепловыми и материальными
потоками (FTCDS, Petlyuk column)
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Реализация FTCDS в виде колонны с перегородкой (DWC)
27
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
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
28
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Реализация DWC
A
A
1
A
1
5
2
5
B
ABCD
1
2
ABCD
B
5
2
ABCD
6
B
6
7
C
3
7
3
4
8
C
7
4
4
D
а
C
3
D
б
D
в
Примеры структуры DWC с одной перегородкой для разделения
четырехкомпонентных смесей. «Колонна Кайбеля» - (а), схема практически
реализованной «колонны Кайбеля»-(б), схема колонны с вертикальной и
горизонтальной перегородками (PTCDS)– (в).
29
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Объекты для которых возможно применение FTCDS (в том
числе в виде DWC)
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
С -С
определенных
условиях могут
работать при условно
постоянном давлении
2
30
С2
С3
и-С4
и-С5
6
н-С4
С6
н-С5
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова


Объекты для которых возможно применение DWC или FTCDS
Разделение ШФЛУ (выделение и разделение бутановой и
пентановой фракций)
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,
С -С
которые при
определенных
условиях могут
работать при условно
постоянном давлении
2
31
С2
С3
и-С4
и-С5
6
н-С4
С6
н-С5
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
D, м
Qконд,
МВт
Qкип, МВт
2,3
1,8
2
2
23
63
50
120
14
35
9
49
1,19
10,74
--10,36
2,5
4,2
2,35
4,0/3,1/3,82
9
20,95
--19,84
7,06
20,7
--17,91
Qкип,
МВт
R
FTCDS
K2.4
K2.5
K10.4
K10.5
NF
S
Nобщ
Параметр
P, ата
Оценка снижения энергозатрат на разделение и
выделение пентановой фракции
27,76
17,91
С2
С3
и-С4
и-С5
- 35%
С2 -С6
н-С4
32
С6
н-С5
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Разделение продуктов риформинга или
пироконденсата (Uhde)
С5
С6-7
33
С8
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Комплексы с частично связанными
тепловыми и материальными потоками (PTCDS)
Часто применяются в нефтепереработке,
но практически не используются в
нефтехимических производствах.
По термодинамической эффективности
такие комплексы лежат между обычной
ректификацией и FTCDS.
Желательно,
но
не
обязательно
поддерживать постоянное давление в
комплексе.
34
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Преимущества PTCDS по сравнению с FTCDS заключается в
В меньшем числе ступеней разделения иногда практически
равном числу ступеней при обычной ректификации;
Снижении числа паровых связей;
Более простом управлении и регулировании;
Возможности применения при экстрактивной ректификации.
35
S
PTCDS
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
36
FTCDS (-33.7%)
Qконд,
МВт
Qкип,
МВт
7,1
9,25
8
8
8
8
31
69
35
85
35
100
20
38
22
42
8
40
2,4
23,68
0,68
25,03
--25,2
5,6
7
4,5
7,2/5,32
4,724
7,4/5,3/7,34
37,96
69,07
0
75,98
--75,72
31,01
70,25
28,4
41,24
--67,17
Qкип,
МВт
D, м
Схема 9
R
Схема 5
K1.2
K1.3
K5.2
K5.3
K9.2
K9.3
NF
Схема 1
Nобщ
Параметр
P, ата
PTCDS (-31.2%)
101,26
69,64
67,17
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Области применения
FTCDS и PTCDS в том числе в виде DWC:
Ректификация многокомпонентных смесей, которая
желательно протекает при практически одинаковом (без
учета гидравлического сопротивления) давлении.
Объекты:
подсистемы ЦГФУ, ГФУ
подсистемы разделения продуктов алкилирования бензола,
подсистемы разделения продуктов каталитического
крекинга, пиролиза на стадии предварительного
фракционирования
37
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Применение комплексов PTCDS в том числе в виде DWC
при экстрактивной ректификации
В октябре 2004 г. в Гельзенкирхене (Германия) на заводе компании
«ARAL Aromatics GmbH» была пущена в эксплуатацию одноколонная
установка выделение толуола с чистотой более 99.99 %масс. из глубоко
гидрированного сырого бензола. Производительность установки по
толуолу 30000 т/год, колонна отличается простотой обслуживания даже
в условиях изменения состава сырья и качества получаемого продукта.
38
Московский государственный университет тонких химических технологий
им. М.В.Ломоносова
Благодарю за
внимание !
119571, Москва, пр. Вернадского 86,
МИТХТ им. М.В.Ломоносова,
тел.(495)9368211, факс (495)4348711
timoshenko@mitht.ru
39