Дипломная работа: Разработка энергосберегающей технологии ректификации циклических углеводородов

Рис.7. Суперструктура (а) и технологическая схема (б) разделения четырехкомпонентной смеси

В продолжение метода автором [54,55] разработан систематический алгоритм перечисления всех возможных конфигураций технологических схем с полностью связанными тепловыми и материальными потоками, содержащих один кипятильник и один дефлегматор.

Автором предложен ряд правил, с помощью которых происходит синтез суперструктуры:

Вверху и внизу граничных ветвей всегда есть бинарная составляющая;

Подгруппу, содержащую более трех компонентов, не следует подвергать четкому разделению на подгруппы, содержащие два и более компонентов;

Каждая подгруппа имеет три линейных сегмента за исключением потоков питания и продуктов.

Число различных конфигураций схем разделения j-компонентной смеси на чистые продукты определяется рекуррентным соотношением:

(3)

где Ri – число конфигураций подграфа i-компонентной смеси.

Авторами [56] разработана универсальная "суперструктура" для синтеза схем, состоящих из простых двухсекционных колонн, смешанных последовательностей, а также комплексов с полностью связанными тепловыми и материальными потоками. Корневой вершиной суперструктуры является исходная смесь. Полный граф образуют вершины двух типов: 1) вершины, соответствующие всем возможным фракциям и продуктам, которые можно получить при разделении исходной смеси; 2) вершины, соответствующие операторам разделения. Каждому такому оператору соответствуют две разделительные секции. Общая структура включает в себя последовательное чередование продуктовых фракций и аппаратов, связанных друг с другом потоками (ребрами графа).

В работе [57] было показано, что множество технологических схем из простых двухсекционных колонн содержит в себе все возможные варианты организации деления исходной смеси и, соответственно, все возможные взаимосвязи секций разделительных аппаратов. Поэтому такие последовательности могут служить основой для синтеза других множеств технологических схем необратимой ректификации зеотропных смесей.

В работах [58,59] предложена стратегия синтеза множества схем, состоящих из колонн с разным числом секций, основанная на трансформации графов структур схем из простых двухсекционных колонн.

В данном методе используются ориентированные графы. При этом их вершинами выступают входы и выходы колонн, а ориентированными ребрами – потоковые связи. Тогда, схема ректификации (рис.8а) приобретает вид ориентированного мультиграфа с кратными разнонаправленными ребрами – образ секции колонны и одинарными ориентированными ребрами – образ потоковых связей между колоннами (рис.8б). Для упрощения структуры графа каждую кратную пару ребер можно заменить одним неориентированным ребром (рис.8в).

Рис.8. Иконографическое (а) и графовое (б, в) представление технологической схемы ректификации, ориентированные ребра – потоки, неориентированные ребра – секции, – вершины-выходы, – вершины-входы колонн.

Используя такую операцию перехода от иконографического изображения схемы к графовому, авторы представляют разделение трехкомпонентной смеси (рис.8а) как граф G1 (рис.9). Он имеет две идентичные по свойствам вершины (ВС), соответствующие кубовому продукту первой (выход) и питанию (вход) второй колонны. Объединением этих двух вершин и удалением из графа ориентированного ребра получается граф G2. Видно, что он является образом сложной колонны с боковой секцией. Вершина (ВС) (граф G2) есть вход жидкой фазы из боковой секции и выход паровой фазы в боковую секцию. Граф G3, соответствующий сложной колонне с боковым отбором, можно получить из G2 объединением вершин (ВС) и (В). Аналогичным образом осуществляется и операция перехода G4 ® G5 ® G6.

Рис.9. Преобразование графов, соответствующих схемам из простых колонн (G1, G4), в графы, соответствующие сложным колоннам с боковыми секциями (G2, G5) и с боковыми отборами (G3, G6).

Технологические схемы, соответствующие исходным графам (G1, G4), называют схемами-прообразами, а все ТСР, соответствующие графам, полученным путем их трансформации, - схемами-образами. При этом полученные графы имеют на одно ребро и на одну вершину меньше, чем их прообраз. Эта операция названа авторами [58, 59] операцией стягивания (u). При этом, если стягивание проводится по ориентированному ребру ее обозначают (). В целом рассмотренные преобразования представляют собой отображения одного множества графов на другое (одного множества схем на другое). Если обозначить множество схем из простых колонн П, множество схем из одной сложной колонны с боковыми секциями как Ф, множество схем из одной сложной колонны как I, то

Таким образом, метод трансформации графов структуры схем-прообразов предоставляет строгий алгоритм синтеза всех возможных вариантов ТСР, включающих сложные колонны.

Тополого-графовый подход к синтезу технологических схем ректификации многокомпонентных смесей обеспечивает выбор научно обоснованного энергосберегающего технического решения.

Концентрационные области исходных составов питания, для которых оптимальна единственная технологическая схема ректификации

Поскольку существует поливариантность технологических схем разделения, то важным этапом выбора оптимальной схемы является эффективный анализ конечного множества вариантов. В описанных выше методах синтеза решается задача выбора оптимальной по выбранному критерию технологической схемы для точно заданного исходного состава питания, но вне рассмотрения остается обратная задача - выделение концентрационных подмножеств исходных составов питания, для которых оптимальной является та или иная схема разделения. Далее такие подмножества мы будем называть областями оптимальности. Решению этой задачи посвящена работа [60, 61]. Авторами было исследовано 35 тройных и 20 четырехкомпонентных систем.

Для оценки технологических схем ректификации (ТСР) использовали критерий, величина которого пропорциональна суммарным энергетическим затратам на разделение для всей схемы при ректификации. Расчет проводили с помощью ЭВМ, определяя минимальное флегмовое число по методу Андервуда, приведенного в [62]. Систематические исследования систем показали, что каждый вариант ТСР в зеотропных системах имеет свою S-область концентраций в симплексе составов. Концентрационный симплекс 3-компонентных систем распадается на две S-области, а четырехкомпонентных на пять, т.е. по числу возможных вариантов ТСР зеотропных систем. Все области являются связанными. Разбиение концентрационного симплекса на S-области называется портретом системы в пространстве множества составов. Такой портрет системы объясняет как качественное, так и количественное поведение системы и дает ответ на вопрос о выборе энергетически выгодного варианта разделения для заданного состава.

Общей закономерностью исследованных систем является сохранение качественного портрета. Изменяются только размеры S-областей за счет перераспределения пространства составов в зависимости от физико-химических свойств исследуемых систем и составляющих их компонентов. Из этого следует, что любой вариант технологической схемы из возможного множества в зависимости от состава исходной смеси может выступать как оптимальный. Анализ диаграмм 3-компонентных систем показывает, что равноценными могут быть две схемы, для 4-компонентных систем - 2,3 либо 4 схемы.

Выявлено также, что в зависимости от расположения состава X в S-области возможны следующие ситуации:

1) состав X находится в какой-либо части S-области, и чем ближе к ее центру, тем больше отличается по своей количественной характеристике оптимальная схема от остальных схем, т.е. имеет место случай явного превосходства одного варианта ТСР перед другими;

2) состав X находиться на границе S-области. В данном случае несколько ТСР являются равноценными и оценка возможна по более усложненным критериям.

Расположение изоэнергетического многообразия существенно зависит от соотношения относительных летучестей компонентов и S-области для исследованных смесей могут занимать как менее 1%, так и более 90% всего концентрационного пространства.