Теплова інтеграція потоків процесу розділення гетероазеотропної суміші фурфурол-вода на двох відгінних колонах

Abstract

Процес ректифікації азеотропних сумішей має місце в багатьох галузях хімічної промисловості. Цей процес потребує значних енерговитрат, як на підігрів та випаровування технологічних потоків, так і на конденсування пари та охолодження продуктів. Витрати зовнішньої енергії суттєво залежать від засобів організації процесів розділення. Пінч-аналіз є одним з сучасних методів проектування хіміко-технологічних систем з метою оптимального використання зовнішніх джерел енергії шляхом максимальної теплової інтеграції технологічних потоків системи, враховуючи обмеження конкретного виробництва, вимоги екологічної безпеки та захисту довкілля. В даній роботі розглядається теплова інтеграція процесів розділення гетероазеотропної суміші фурфурол-вода на двох колонах, в кожній з яких легкокиплячим є азеоптроп, а низькокиплячим – один з компонентів. Було розраховано тепловий та матеріальний баланс ректифікаційної установки та сформовано таблицю даних потоків, тобто проведено екстракцію даних хімікотехнологічної системи. Серед загальної множини теплових потоків було обрано підмножину для інтеграції. Для обраних теплових потоків, що підлягають тепловій інтеграції, було побудовано складені криві та проаналізовано їх взаємне розташування на температурноентальпійній діаграмі. Цей аналіз показав, що для визначеного значення мінімальної температурної різниці в теплообмінному обладнанні Тmin, отримуємо порогову задачу. Проблему було сформульовано для значення Тmin, трохи меншого, ніж порогове значення, що привело до невеликого збільшення споживання зовнішніх енергоносіїв. Було розглянуто опції подальшого удосконалення мережі теплообмінників та було виявлено наявність циклу через псевдопінч, що дало змогу прибрати теплообмінник з низьким навантаженням та перерозподілити це навантаження на інші. Відновлення Тmin в даному випадку неможливе, бо маємо жорсткі умови по відсутності гарячих утиліт. Продемонстрована значна економія витрат потужності зовнішніх утиліт. Для модернізації було підібране сучасне теплообмінне обладнання фірми Alfa Laval на усі позиції, що потребується.

The process of azeotropic mixtures rectification takes place in many branches of the chemical industry. This process requires significant energy consumption both for heating and evaporation of process streams, and for vapor condensation and cooling of products. The consumption of external energy essentially depends on the methods of separation processes organization. Pinch analysis is one of the modern methods for designing chemical-technological systems with the aim of optimal use of external energy sources by maximizing the heat integration of system process streams, taking into account the limitations of a particular manufacture, the requirements of environmental safety and environmental protection. In this paper the heat integration of the heteroazeotropic furfural-water mixture separation process by two columns was considered. In each column the azeoptrope is a light-boiling one, and one of the mixture components is a low-boiling one. The heat and material balances of the rectifying plant were calculated and the table of its streams was formed, that is, the data of the chemical-technological system were extracted. From the total set of heat streams, the subset was selected for heat integration. Composite curves for the selected heat streams subject to heat integration were built and their relative position on the temperature-enthalpy diagram was analyzed. This analysis showed that for a certain value of the minimum temperature difference in the heat exchange equipment Тmin, there is a threshold problem. The problem was formulated for a value of Тmin slightly less than the threshold value that led to a slight increase in the consumption of external energy carriers. Options for further improvement of the network of heat exchangers were considered, and the occurrence of a cycle through the pseudopinch was identified. It gave possibility to remove a heat exchanger with a low load and redistribute this load among to other ones. Restoring Тmin in this case is impossible, because a strict restriction on the absence of hot utilities is accepted. Significant savings in external utilities load have been demonstrated. For retrofit modern Alfa Laval heat exchange equipment was selected for all the necessary positions.