Розділ 8 Дистиляція¹

Дистиляція є класичним прикладом процесу, в якому енергія використовується для приведення системи у впорядкований стан. Зазвичай кінцеві продукти дистиляційних колон знаходяться в тому ж фізичному стані, що і початкова сировина, і мають той же сумарний енерговміст². Отже, енергія, що використовується в процесі, лишень проходить через систему, чим збільшує її ентропію³, щоб знизити ентропію кінцевих продуктів.

Існує ряд відомих методів, котрі застосовуються для визначення ефективності більшості процесів, що відбуваються, наприклад в котлах, компресорах, машинах і т. д. Ці методи лише частково, тобто неявно, можуть бути застосовані до процесу дистиляції, в якому енергію витрачають для досягнення впорядкованості, а не для отримання іншого виду енергії. Ентропійний аналіз, що застосовується в даному розділі, визначає міру ефективності та вказує способи її підвищення.

Значна енергія може бути заощаджена шляхом більш якісного регулювання процесів, що пригнічує коливальні режими і забезпечує функціонування у встановлених межах. Існують також способи економії енергії, що відносяться до пристроїв підведення і відведення тепла з колони. Мінімізація робочого тиску в колоні може значно підвищити її ефективність. Проте для реалізації планів економії енергії і виключення небезпеки затоплення або перевищення тиску необхідне ретельне регулювання процесу.

На нових установках з метою зниження споживання палива використовують теплові насоси і об'єднані системи підведення тепла. Такі технічні рішення ще більше потребують контролю через наявну внутрісистемну взаємодію установок, що конкурують між собою у споживанні енергії. Нові технічні рішення унаочнюються декількома прикладами для виявлення способів регулювання, які можуть бути використані як для економії енергії, так і для полегшення експлуатації установки.

8.1. Цілі і принципи

Основою цього розділу стала більш рання робота автора [ 1 ]. В одному розділі неможливо повністю розглянути всі питання регулювання процесу дистиляції. Через це читачеві надаються лише базові знання про основні цілі і принципи роботи колон, яких, проте, достатньо для того, щоб окреслити для себе існуючі можливості економії енергії.

Д истиляція (від лат. distillatio - стікання краплинами) - розділення рідких сумішей на фракції, що відрізняються за складом. Базується на відмінностях за складом рідини та пари, що виділяється із цієї рідини. Здійснюється частковим випаровування рідини і наступною конденсацією виділеної пари. Ентропія - це величина, що введена в термодинаміку, для визначення кількості не зворотно розсіяної енергії, тобто енергії, що не може бути використана для виконання роботи.

З Ентальпія (теплова функція чи тепловміст) - термодинамічний потенціал, що характеризує стан термодинамічної рівноваги системи при виборі в якості незалежних змінних тиску, ентропії та числа часток.

Це дасть йому уявлення про вигоди більш якісного регулювання процесів та інших способах економії енергії, за якими може бути отримана кількісна оцінка вигод, що надаються.

8.1.1. Вимоги до якості кінцевого продукту

Основним призначенням процесу дистиляції є отримання кінцевого продукту достатньо високої якості, що задовольняє умовам подальшої обробки цього продукту. Продукти ж, які йдуть на продаж, повинні задовольняти комплексу гарантійних умов, обумовлених в контракті з покупцем або встановлених деякими органами влади, наприклад федеральним урядом.

Не дивлячись на те що лише незначне число кінцевих продуктів процесу дистиляції дійсно йде на продаж, до більшості з них висувається довільно встановлений комплекс вимог, неначебто всі вони продавались. У багатьох випадках цьому є логічне пояснення, згідно якому кінцевий продукт повинен мати певну чистоту для виключення можливих труднощів його подальшої переробки на даному виробництві. Проте дуже часто вимоги до кінцевого продукту встановлюються довільно з метою полегшення способів обліку його кількості і міжцехових розрахунків.

Коли кінцевий продукт перестане відповідати висунутим вимогам, на нього накладають деякі види штрафних санкцій відповідно до діючого порядку у виробничій або ринковій практиці. Продукт може бути проданий, як матеріал нижчого ґатунку, якщо на нього є ринковий попит. Санкції можуть бути достатньо жорсткими, якщо врахувати, що вартість виробництва продукту, що не задовольняє встановленим вимогам, може бути ледь нижче вартості продукту, що повністю відповідає цим вимогам, а продавати його доведеться за значно нижчою ціною, ніж якісний продукт.

Інший підхід до проблеми стандартизації продукту - спрямування нестандартного матеріалу в збірний бак, де він може бути змішаний з продуктом підвищеної чистоти, як результат отримаємо суміш, що відповідає висунутим вимогам. Проте змішування є незворотнім процесом, на який витрачається додаткова енергія. Виробництво надчистого продукту вимагає більше енергії, ніж її можна заощадити при виготовленні кінцевого продукту недостатньої чистоти. При змішуванні двох продуктів з метою задоволення встановлених вимог завжди витрачатиметься більше енергії, ніж при безпосередньому отриманні продукту необхідної якості.

Продукт низької якості часто повторно спрямовують в бак вихідного продукту. Цей захід менш ефективний, ніж змішування з продуктом вищої якості, оскільки зміна ентропії зростає із зміною складу суміші (табл. 1.3). Більш того, колона, призначена для обробки певної сировини, не завжди може переробити нестандартну вихідну сировину, якою є кінцевий продукт. При цьому знижується ефективність роботи установки і часто вносять свій вплив обмеження по температурі чи тиску або відбувається, так зване, захлинання⁴ колони.

⁴ Захлинання - процес порушення нормального режиму роботи колони, причиною якого є надмірна подача теплоти в колону або збільшення швидкості подачі рідини, що викличе надто інтенсивний рух рідини з дна колони до верхньої частини. Назва процесу завдячує характерному звуку, що чутно і-колони.

Ці вирази є незалежними один від одного. Оскільки лише одна з трьох витрат може бути використана для регулювання якості кінцевого продукту, то лише одне рівняння в цьому сенсі має цінність.

Зазвичай F та zі, даються у вигляді незалежних змінних. Тоді витрата D або В може бути вибрана для регулювання якості продукту. Проте кожне з наведених вище рівнянь (8.3) - (8.5) має два невідомі параметри: x_і та у_і. В цьому випадку для вирішення системи необхідно визначити ще одну залежність між хі, та у_і яка базується на обліку енергії, що підводиться.

Фактично зовнішній матеріальний баланс не чинить безпосереднього впливу на склад кінцевого продукту. Як показано на рис. 8.2 регулювання витрат D або В не чинить прямої дії на роботу колони, а лише впливає на рівень рідини в накопичувачі дистиляту або в основі колони. Витрати ж рідини і пари усередині колони визначають склад кінцевого продукту.

Проте витрати усередині колони виміряти та відрегулювати важко, а в деяких випадках взагалі неможливо. Кількість пари визначається не лише підведенням тепла, але також витратою і ентальпією вихідної сировини. Витрата рідини в будь-якій точці є функцією витрати та ентальпії як флегми, так і вихідної сировини. Окрім того, в більшості колон внутрішні витрати пари та рідини вищі за витрати кінцевих продуктів, тож їх різницю більш точно регулюють витратою кінцевого продукту.

Рис. 8. 2. Склад продуктів всередині колони залежить від внутрішніх витрат