1.3 Энерготехнологическая система разделения углеводородов
Наиболее современным и активно исследуемым направлением по снижению энергопотребления в процессе ректификации является ее приближение к гипотетическому термодинамически обратимому процессу (колонны с тепловым насосом или внутренней тепловой интеграцией, комплексы разделения с частично или полностью связанными тепловыми и материальными потоками). Такие системы разделения позволяют снизить энергозатраты на 20-60%, тем не менее, до настоящего времени они находят узкое применение в крупнотоннажном химическом и нефтехимическом производстве из-за сложности конструирования и управления.
В качестве компромиссного варианта между повышением энергоэффективности и сложностью аппаратурного оформления процесса рассматривается интеграция ректификации с органическим циклом Ренкина (ОЦР), где ребойлер колонны является генератором пара для турбодетандера, а колонна – конденсатором отработанного пара [1].
Интеграция ребойлера колонны и ОЦР позволяет увеличить эффективность цикла производства электроэнергии и уменьшить капитальные затраты с помощью объединения теплообменного оборудования [12].
Рассмотрим принципиальную схему энерготехнологической установки разделения углеводородных газов (рисунок 1.6).
Рисунок 1.6 – Принципиальная технологическая схема совмещения ректификационной колонны и энергоустановки на основе ОЦР
Жидкость с низа колонны сжимается насосом до более высокого давления. Жидкость высокого давления нагревается и испаряется в ребойлере (испарителе). Пар из испарителя с относительно высоким давлением направляется в турбодетандер. Здесь кинетическая энергия органического пара, приобретенная им при адиабатном расширении в соплах, на рабочих лопатках преобразуется в механическую работу турбинного вала, а затем с помощью соединенного с ним электрического генератора в электроэнергию. Расширение пара в турбодетандере происходит до давления, равного давлению внизу тарельчатой секции. Отработанный пар из турбодетандера направляется в низ тарельчатой секции, где происходит его конденсация за счет контактирования с потоком флегмы. Аппаратурное оформление верхней части колонны аналогично традиционной схеме ректификации: пары с верха тарельчатой секции конденсируются, конденсат направляется в емкость орошения, и далее часть его возвращается в тарельчатую секцию (поток орошения), а часть отводится как верхний продукт [1].
Таким образом, в качестве рабочей жидкости используется нижний продукт колонны, а тарельчатая секция является конденсатором отработанной рабочей жидкости. Данная рабочая жидкость является сухой рабочей жидкостью из-за наклона кривой насыщенного пара на диаграмме T-S. Для такой рабочей жидкости нет необходимости в перегреве пара перед подачей его в турбодетандер.
Тепловая нагрузка на испаритель в случае энерготехнологической системы разделения увеличена по сравнению с нагрузкой ребойлера обычной колонны, из-за повышенного давления, но практически вся эта энергия идет на производство электроэнергии.
Повышение давления в цикле приводит к росту разности температур потока на выходе из турбодетандера и температурой кипения рабочей жидкости. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению расхода рабочей жидкости. Массовый расход уменьшается из-за того, что тепло выходящего потока из детандера для разделения данного количества продуктов должно быть постоянным. Фактический объемный расход уменьшается более резко из-за увеличения давления, которое влияет на плотность рабочей жидкости.
Эффективность ректификационно-энергетической системы зависит только от природы и состава кубовой жидкости колонны, а не от разности температур между верхней и нижней части колонны. Это является преимуществом предлагаемой технологии в сравнении с использованием теплового насоса, для осуществления интеграции которого достаточно важна разница температур верхнего и нижнего продуктов.