ВЛИЯНИЕ БОКОВОГО ОТБОРА НА ЭНЕРГОЗАТРАТЫ СЛОЖНОЙ КОЛОННЫ В ПРОЦЕССАХ РЕГЕНЕРАЦИИ МЕТАНОЛА И ДИЭТИЛЕНГЛИКОЛЯ ИЗ ВОДНЫХ СТОКОВ ГАЗОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

SIDE DRAW INFLUENCE ON ENERGY CONSUMPTION OF A COMPLEX COLUMN IN THE METHANOL AND DIETHYLENE GLYCOL RECOVERY PROCESSES FROM WATER WASTE OF GAS PRODUCTION ENTERPRISES

Danila Rudakov

Candidate of Science, Associate Professor of Chemistry and technology of basic organic synthesis department, MIREA – Russian Technological University,

Russia, Moscow

Elena Anokhina

Candidate of Science, Associate Professor of Chemistry and technology of basic organic synthesis department, Associate Professor, MIREA – Russian Technological University,

Russia, Moscow

Andrey Timoshenko

Doctor of Science, Professor of Chemistry and technology of basic organic synthesis department, Professor, MIREA – Russian Technological University,

Russia, Moscow

Работа выполнена в рамках Государственного задания РТУ МИРЭА тема № 0706-2020-0020.

АННОТАЦИЯ

Проведено математическое моделирование и оптимизация двух вариантов схем ректификационного разделения смеси Метанол – Вода – Диэтиленгликоль как простых двухотборных колоннах, так и одной сложной колонне с боковой секцией. Исследовано влияние количества бокового отбора на энергозатраты в кипятильнике сложной колонны. Показано, что энергозатраты в кипятильнике сложной колонны и флегмовое число в боковой секции линейно зависят от величины бокового отбора.

ABSTRACT

Mathematical modeling and optimization of two variants of the distillation flowsheets for the Methanol – Water – Diethylene glycol mixture separation in simple two-withdrawal columns and in one complex column with side section have been carried out. The influence of the side draw flowrate on the complex column reboiler duty was investigated. It is shown that the energy consumption in complex column reboiler and the side section reflux ratio in the linearly depending from the side draw flowrate.

Ключевые слова: энергозатраты; ректификация; боковой отбор; сложные колонны; теплоинтеграция.

Keywords: energy consumption; distillation; side draw; complex columns; heat integration.

Газовая промышленность принадлежит к основным отраслям топливно-энергетического комплекса России. Известно, что транспортировка газа осложнена рядом технологических проблем, одна из которых – возможное гидратообразование [1]. При подготовке газа к транспортировке с целью предотвращения гидратообразования использует добавление метанола и осушку диэтиленгликолем. В конечно счёте эти компоненты вместе с нефтепродуктами идут в водные промышленные стоки [2]. Концентрации диэтиленгликоля и метанола в стоках существенно больше санитарных норм на техническую воду, что требует обеспечение мер по дополнительной очистке стоков. Несмотря на многообразие методов обработки вод техногенного происхождения, существуют ситуации, когда традиционные методы, при всей их эффективности, приводят к непомерно высоким затратам на создание и эксплуатацию очистных сооружений.

Задачей настоящего исследования является исследование энергетической эффективности технологической схемы ректификационного разделения смеси Метанол – Вода – Диэтиленгликоль. Ректификация – один из самых энергоёмких разделительных процессов химической технологии, который зачастую определяет экономическую эффективность всего химико-технологического процесса. В ряде случаев на разделение ректификацией затрачивается до 70 % всей энергии производства [3]. В таком случае очевидно, что даже небольшое снижение энергозатрат обеспечит значительный экономический эффект для технологии в целом.

Известно, что использование комплексов с частично связанными тепловыми и материальными потоками (ЧСТМП) в ряде случаев позволяет существенно снизить энергозатраты на разделение. На практике такой комплекс может быть реализован в сложной колонне с боковой секцией [3, 4]. Комплекс с ЧСТМП для выделения метанола и диэтиленгликоля из сточных вод, полученный на основе двухколонной схемы представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Схемы узла выделения метанола и диэтиленгликоля. а – двухколонная схема, б – комплекс с ЧСТМП

Все расчёты проводили в программном комплексе Aspen Plus версии 10. Для моделирования парожидкостного равновесия в исследуемой системе рассмотрели применение моделей NRTL и Glycol с параметрами  из базы данных Aspen Properties. В ходе проверки их адекватности установлено, что модель Glycol наилучшим образом описывает парожидкостное равновесие в системе Метанол – Вода – Диэтиленгликоль. Средние относительные погрешности описания состава паровой фазы и температуры не превышают 1 %.

Исходный поток F, содержащий 14 % масс. метанола, 0.5 % масс. диэтиленгликоля и 85.5 % масс воды в количестве 8000 кг/ч поступает в первую колонну К1, где в качестве дистиллята отбирается 95% метиловый спирт. Кубовая жидкость, представляющая собой смесь воды и диэтиленгликоля, направляется на разделение во вторую колонну К2, где вода выделяется в виде верхнего продукта, а 5% раствор ДЭГ в воде – в виде нижнего. Суммарное содержание метанола и ДЭГ в очищенной воде не должно превышать 9.8 ppm. Т.к. в исходной смеси содержится небольшое количество ДЭГ, то для обеспечения устойчивой работы ректификационной колонны мы выделяли в кубе не чистый диэтиленгликоль, а его 5% раствор в воде.

Тип тарелок в колоннах – клапанные, с КПД η= 0.6. Гидравлическое сопротивление контактных устройств было задано равным 0.9 кПа. Определение оптимального количества тарелок в колоннах проводилось по методу Джиллиленда, который предполагает и нахождение оптимальной тарелки питания.

Сложная колонна с боковой укрепляющей секцией (Рисунок 1б) была получена на основе двухколонной  (Рисунок 1а) посредством использования метода трансформации графа схемы [5]. Поток питания поступает в колонну ОК. В качестве дистиллята основной колонны отбирается 95% метанол, в кубе 5% диэтиленгликоль, а в дистилляте боковой секции – очищенная вода. Отбор в боковую секцию осуществляется в виде пара ниже тарелки питания. Поток жидкости из боковой секции возвращают на ту же тарелку.

Оптимизируемыми переменными являлись положение тарелки подачи питания, положение тарелки бокового отбора пара, а также количество отбора (V_БС). Оптимизация схем с ЧСТМП проводилась с использованием комбинации метода последовательного квадратичного программирования SQP (для непрерывных переменных, таких как количество бокового отбора) и метода сканирования факторного пространства (дискретные переменные – положения тарелки подачи питания и бокового отбора).

Процедура оптимизации представлена ниже:

1) В качестве начального приближения задаем некоторую величину бокового отбора (V_БС, кг/ч);

2) Задаем некоторое положение тарелки бокового отбора (N_БО);

3) Варьируем тарелку подачи питания N_F, при этом для каждого значения N_F отыскивается оптимальная величина V_БС по методу SQP;

4) Возвращаемся на п.2, задаем новое значение N_БО, выполняем п.3. Варьируем N_БО до тех пор, пока не достигнем минимума Q_кип. Результаты оптимизации приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Оптимальные параметры рассмотренных вариантов схем

Величина бокового обора, а также его уровень являются одними из ключевых параметров работы сложной колонны. Именно правильно подобранное количество отбора пара в боковую секцию позволяет обеспечить выделение продуктов требуемого качества, кроме этого количество бокового отбора влияет на энергозатраты в кипятильнике сложной колонны. Исходя из материального баланса боковой укрепляющей секции:

D_БС + L_БС = V_БС,                                                                        (1)

где L_БС – количество жидкости, возвращаемой из БС в основную колонну, D_БС – количество дистиллята секции. Боковой отбор (V_БС) при допущении о постоянстве количества флегмы по высоте БС зависит от флегмового числа (R_БС) в боковой секции как:

V_БС = D_БС × (R_БС+1)                                                                      (2)

И, соответственно:

R_БС= V_БС / D_БС – 1                                                                       (3)

Очевидно, что с ростом количества бокового отбора происходит рост флегмового числа в боковой секции. С учетом того факта, что в процессе ректификации увеличение флегмового числа ведет к росту удельных тепловых нагрузок, в рассматриваемом случае (рисунок 1б) это должно приводить к увеличению тепловой нагрузки на кипятильник основной колонны, поскольку именно он обеспечивает в том числе и паровой поток, отбираемый в боковую секцию.

Этот вывод подтверждают результаты математического моделирования (рисунок 2). Учитывая тот факт, что флегмовое число в основной колонне практически не зависит от величины отбора потока пара в боковую секцию, поскольку количество парового и жидкостного потоков выше тарелки бокового отбора до конденсатора остаются практически неизменными, всё увеличение паропроизводительности кипятильника связано с увеличением V_БС.

Рисунок 2. Зависимость энергозатрат (а) и флегмовых чисел (б) от величины бокового отбора

Таким образом, при использовании схем с частично связанными тепловыми и материальными потоками для разделения смеси диэтиленгликоль – метанол – вода следует применять минимально возможную величину бокового отбора, обеспечивающего заданное качество продуктовых потоков.

Список литературы:

1. Бекиров Т.М., Ланчаков Г.А. Технология обработки газа и конденсата. М., Недра. 1991.
2. Ланчаков Г.А., Кульков А.Н., Зиберт Г.К. Технологические процессы подготовки природного газа и методы расчета оборудования. М., Недра, 2000.
3. Тимошенко А.В., Анохина Е.А., Рудаков Д.Г., Тимофеев В.С., Тациевская Г.И., Матюшенкова Ю.В. Энергосбережение в ректификации с использованием комплексов со связанными потоками // Вестник МИТХТ, 2011,Т. 6, №4, с.28–39.
4. Кочарян С.О., Рудаков Д.Г., Тимошенко А.В. Энергетическая эффективность сложной колонны при разделении продуктов пиролиза в зависимости от состава питания // Тонкие химические технологии, 2017. Т.12, № 3, С. 33-43.
5. Тимошенко А.В., Анохина Е.А., Буев Д.Л. Применение графов траекторий ректификации для синтеза технологических схем разделения // Теор. основы хим. технологии. 2004. Т. 38, №2, С 172-175.