Преодоление разрыва с полунепрерывной перегонки
Эта обработка стратегия сочетает в себе преимущества партии и бесперебойную работу, обеспечивая гибкость и эффективность в одной конструкции.
С новым высокой стоимости, малого спроса, специальных химических веществ постоянно выхода на рынок, есть растущее желание создать адаптационных процессов, которые позволяют производить широкий спектр химических веществ. Полунепрерывных дистилляции удовлетворяет эту потребность в эффективно. Эта технология дает возможность разделения разнообразных смесей, которые могут содержать большое количество химических веществ, и обладают комплексными термодинамическими поведения.
Традиционно дистилляции были предназначены для работы как в пакетном режиме, где по-прежнему взимается и свет тяжелых видов последовательно удаляется в дистиллят, или работать непрерывно, где столбец или несколько колонок, находятся вблизи стационарного состояния в отдельные комбикорм. В первом подходе, эффективность процесса приносится в жертву для разделения гибкость, а во второй, обратный применяется.
Полунепрерывных дистилляции представляет собой отход от этих традиционных подходов. Рассмотрим, например, колонны и резервуар конфигурации на рисунке 1. С помощью этого механизма с полунепрерывной политика, широкий спектр химических смесей могут быть разделены эффективно. Смеси, которые можно разделить включать файлы, близкой к идеальной тернаров, низкие - кипения азеотропов, а с использованием дополнительных бак продукта, близким к идеальному четверок.
В полунепрерывной перегонки, колонны, reboiler и конденсатора работать в течение всей кампании, с питанием поток добавил постоянно, а несколько режимов работы используются циклически. Каждый режим часто включает в себя различные танки корма, кормовые композиции или продукта судов. Эти кампании, в принципе, довольно просто, и многие из них оказались эффективными с неожиданными последствиями (1-5). Отметим, что до публикации этих документов, насколько нам известно, в литературе не существует на полунепрерывных дистилляции.
Два события заставили нас пристального изучения полунепрерывной перегонки. Первый связан с введением циклического, пакетный дистилляции, о чем свидетельствует Соренсен и Skogestad (6), который показал, как оптимизировать процесс дистилляции партии, в которой рефлюкс барабан заряжать и разряжать циклически сократить время для достижения высокого чистоты продукта.
Вторым событием стало использование новой партии колонке конфигураций, в том числе среднего судна колонок (MVCs) (7), мульти-судно столбцов (8), и тепло-интегрированный пакет колонны (9).
С учетом этих достижений и новых приложений без стационарных процессов, квазинепрерывная после операции естественно. Более того, его эволюция обоснованным и представляет собой значительный прогресс в методах обработки сегодняшнего дня. Проиллюстрируем как это работает и его преимущества при рассмотрении разделения различных видов смесей.
Пример 1: У-идеал тройной смеси
Рассмотрим разделение почти идеальную тройной смеси эквимолярных н-гексана, н-гептана и н-октана. В пакетной обработки, химических веществ выделяется в колонке (рис. 2а). Первоначально, по-прежнему взимается и н-гексан, собранных в дистиллята. Впоследствии, отстойных сократить (не соответствующие спецификациям продукта) берется, с к-гептана сосредоточены в дистиллята. Дальнейшее сокращение отстойных используется для восстановления н-октана на месте. В непрерывном режиме, либо прямое или косвенное поезда столбце используются (рис. 2, б и рис 2, c, соответственно).
В полунепрерывной установки, однако, это разделение осуществляется в MVC (рис. 3). Эта установка состоит из колонки подключены к большой сосуд посередине. Судно как каналы колонки и получает полный жидких sidedraw из лотка подачи выше задач. В примерах, представленных здесь, колонна состоит из 25 этапов, включая reboiler. Авторы (2) обеспечить дополнительные конструктивные и эксплуатационные характеристики.
Каждый цикл включает полунепрерывной кампании три режима работы:
1. Эквимолярных тройных корма начисляются почти пустой среднего судна. Потому что судно постоянно кормит колонны, среднего судно никогда полностью не опустел во время кампании.
2. Дистиллят, в основном в н-гексан, снимается постоянно, хотя и в уменьшении суммы. Дна, состоящая из н-октан, также удалены постоянно в уменьшении количества. Среднего судна концентрируется в средней, н-гептана.
3. После середины судна становится достаточно сконцентрированы в промежуточной, практически опустели, и цикл возвращается в режим 1.
Профили для 240-ч полунепрерывной кампании показано на рисунке 4. На протяжении перспективе, дистиллята и днища композиции сохраняется около 98 моль% н-гексана и 98 мол% н-октан, соответственно. (В эту цифру и на Рисунке 5, М. Ф. выступает за мольная доля.) В течение каждого цикла, со средним уровнем судно стало больше концентрируется в средней и после достижения 98 моль п% - гептана, содержание судна были удалены продукции. В этом примере полунепрерывных кампании разделенных 100 м ^ 3 ^ SUP кормов в каждом цикле. При типичных задач и танк разбойные нападения, 3 циклов были завершены в 222 ч.
Пример 2: Добывающая дистилляции
Полунепрерывных разделения низкой температурой кипения азеотропной смеси ацетона и метанола могут быть выполнены с использованием воды в качестве экстрагента в столбце - бак конфигурации на рисунке 1. В одну кампанию, которая похожа на партию перегонки бежать аль Сафрит и др. (10), включает в себя три режима работы:
1. Удаление метанола продукта после его концентрируется в середине судна.
2. Удаление ацетона в дистиллята.
3. Восстановление экстрагента, вода.
Режим 1 - Зарядка и метанола: Stream S ^ 1 ^ к югу (рис. 1), эквимолярных смеси ацетона и метанола, зарядка средней емкости (танк T ^ 2 ^ к югу), когда он почти пуст. Заметим, что T ^ 2 ^ к югу никогда не опустели, так как она постоянно кормит колонке. В этом примере T ^ 2 ^ к югу загружается сначала с 50 м ^ 3 ^ SUP из ацетона / метанол. Метанол концентрируется в середине судна, а дистиллята. В этом судне, смесь подходов низкокипящих азеотропа метанола и ацетона (0,23 и 0,77 мольных долей в 55,4 ° С) и подается на T ^ 2 ^ к югу. Вода на дне накапливается в T ^ подпункта 5 ^ (которая загружается сначала с 50 м ^ ^ SUP 3 воды). Когда метанола чистоты (0,98 мольных долей) достигается в T ^ 2 ^ к югу, его содержимое сбрасывается в T ^ 3 ^ к югу.
Режим 2 - Добыча: После T ^ 2 ^ к югу почти опустел, содержание танк T ^ ^ 1 к югу сбрасывается в T ^ 2 ^ к югу, и, следовательно, этот канал для колонки рядом с азеотропной состава. Вода подается в верхней части колонны в поток S ^ ^ 8 к югу по фиксированной расхода (2 м ^ ^ SUP 3 / ч); заданной точке дистиллята контроллер состав приспособлена к 0,02 мольная доля метанола (предполагается, что мольная доля метанола примеси в дистилляте могут быть измерены точно и мгновенно), а также ацетон / вода дистиллята собирается в емкость продукта T ^ ^ 4 к югу. Как добывающей агент добавил, воды и метанола концентрата в середине судна, мольная доля воды в поддоне соответствует своей спецификации (0,98) и воды в продукте дна направляется к югу T ^ ^ 5.
Режим 3 - Вода восстановления: После достаточного ацетон, собранных в T ^ ^ 4 к югу, круговорот воды прекращается. Уставки контроллера для отгона состав вернулся в ближайшем азеотропной состава (0,75 мольной доли ацетона), и почти азеотропной дистиллят направляется T ^ ^ 1 к югу в потоке S ^ 10 ^ к югу. Вода, по-прежнему присутствует в середине судна, по-прежнему будет удалена в дно продукт, пока вода мольная доля в картере упадет ниже 0,96, после чего клапан дна продукт закрыт. Когда концентрация метанола достаточно высока, в T ^ 2 ^ к югу, ее содержимое, собранных в T ^ 3 ^ к югу; танка Т ^ 2 ^ к югу заряжается эквимолярных кормов, и процесс возвращается в режим 1.
Траектории потоков и танки на 240-х (10-г) кампании, показаны на рисунках 5а-г. Операция по 2 циклов показал, во второй цикл близится к завершению после 10 D.
Преимущества и недостатки
Выгоды полунепрерывных рабочем диапазоне от повышения производительности, в которых смеси могут быть разделены гораздо быстрее, чем пакетной обработки, с экономическими соображениями, где меньше капиталовложений, чем обычно требуется для непрерывного поезд, чтобы преимущества, такие как повышение производительности контроллера.
Полунепрерывных захватывает дистилляции многих желательных признаков постоянного и периодического дистилляции. От непрерывной обработки, к ним относятся легкость управления с обратной связью и отсутствие отстойных сокращений и столбцов демпинга, и с пакетной обработки, процесс гибкость и снизить инвестиционные затраты. Кроме того, благодаря середине судна, легче отделить тройных смесей с помощью одного столбца.
Наконец, децентрализованное дистиллятов / дно конфигурации для управления двойного состава выполняет хорошо. Хотя эта конфигурация редко оказываются эффективными для непрерывного столбца, она способствует нормальному функционированию циклических полунепрерывной кампании (5). Эти и другие преимущества, а также ограничения, приведены в таблице.
Полунепрерывных перегонки является наиболее перспективным для промежуточных пропускную, где дистилляции кампании, вероятно, будут работать в течение нескольких дней до года. Для низкого уровня производства и короткие производственные циклы, периодическая перегонка является предпочтительным, в то время непрерывной работы рекомендуется использовать, если:
Пропускная способность больших и производство времена давно
Финансовые выгоды получают путем автоматизации технологических процессов
Конструкция колонки или в поезде, могут быть оптимизированы для выполнения одной службы.
Процесс сравнения
Прежде чем рассматривать детальное сравнение полунепрерывна партии и непрерывной дистилляции, признают, что на первый взгляд, полунепрерывного операции, как представляется, более конкурентоспособными с пакетной дистилляции, чем с поезда непрерывных столбцов. Это особенно верно, когда речь Предполагается, что процесс будет осуществляться в течение многих лет. В таких случаях непрерывного поезда часто оказывается выше инвестиций, так как дизайн может быть оптимизирована для конкретной службы. Тем не менее, когда жизнь процесса является неопределенным, а пропускная способность невелика, завод гибкость становится все более важной и полунепрерывного конструкций стать конкурентоспособными.
Подобно тому, как это трудно использовать количественные критерии (экономического или иным образом) исключительно для определения пакета или непрерывная перегонка является предпочтительным для конкретного разделения, так же, трудно сравнить количественно полунепрерывных с непрерывным и деятельности партии. Чтобы помочь в этом сравнении, было бы полезно рассмотреть вопрос о трех критериев: капитальные вложения, эксплуатационные расходы и растений, гибкость. Кроме того, такие критерии, как токсичность или коррозионная активность, которые зачастую не так легко определить количественно, может существенно влиять на процесс принятия решений. Эти критерии, используемые здесь, чтобы сравнить полунепрерывных и периодическая перегонка до сравнения полунепрерывного и непрерывных методов. При необходимости, в предыдущем примере, связанных с близким к идеальному тройной смеси идет речь.
Полунепрерывных по сравнению с партия
Капитальные затраты - полунепрерывных конфигурации как правило, требует больших капиталовложений, чем партии колонке, потому что два дополнительных емкостей для проведения необходимы, и более сложной децентрализованной системы управления (с участием одной петли) осуществляется.
Эксплуатационные затраты - Несмотря на капитальные затраты, как правило, несколько больше по полунепрерывный установки, происходит значительная экономия эксплуатационных расходов. Во-первых, поскольку ни одна колонна свалок и перезаряжается являются необходимыми, эти трудоемкие операции можно избежать. Кроме того, без свалок и зарядки, квазинепрерывная доходов дистилляции быстрее, освобождая деятельности оборудование для дополнительных отделений. Во-вторых, обсуждается Оппенгеймер и Соренсен (11), непрерывной дистилляции обычно требует меньших конденсатора и reboiler служебных обязанностей для достижения эквивалентной увольнений по сравнению с пакетные операции. Так как конденсатор и reboiler делать работает постоянно, полунепрерывной перегонки обычно требует меньших служебных обязанностей для достижения эквивалентной увольнений. Наше моделирование также подтвердил это.
Гибкость - дополнительную гибкость очевидно, как в типах химических примесей, которые могут быть отделены полу - постоянно, и в график работы возможно. В качестве примера процесса гибкость, добывающей дистилляции в примере 2 будет трудно выполнить в пакетном колонки, из-за большого количества экстрагента, которые концентрируются в месте. Что касается операционной политики, для обычной колонки партии, то, как правило, только одна политика отдельных почти идеальную тройной смеси, а несколько существуют для полунепрерывного установок. Например, для выделения почти идеальную тройной смеси (пример 1), альтернативы можно было бы удалить н-гексан и н-гептана последовательно в дистиллят, и сосредоточиться н-октана на дне.
Полунепрерывных по сравнению с непрерывным
Капитальные затраты - полунепрерывных механизм, который включает лишь одну колонку, как ожидается, имеют более низкую стоимость капитала, чем в поезде непрерывных столбцов. Разница зависит от стоимости дополнительных резервуаров по сравнению с теми дополнительных столбцов. Обратите внимание, что полунепрерывных конфигурация контроллеров меньше, меньше теплообменники, снижение затрат материальных и структурную поддержку менее чем два непрерывных столбцов в серии.
Операционные расходы - это, как правило, ниже, поезд непрерывных столбцов, чем для полунепрерывного колонке. Одной из причин является добавил перемешивания в полунепрерывных установки, что увеличивает потерял работу, и приводит к увеличению расходов полезности. Еще одним фактором является сложность реализации тепла интеграции в полунепрерывных конфигурации, и эта практика широко используется в непрерывной обработки снизить стоимость коммунальных услуг.
Гибкость - Из трех стратегий операционной непрерывного фракционирования, как правило, наименее гибкий, с полунепрерывной всего. Это, пожалуй, доминирующее внимание при принятии решения о работать постоянно или полунепрерывно. Когда спрос на продукцию, как ожидается, продолжаться в течение длительного периода, превысил прогнозируемый срок этого процесса непрерывной работы является выгодным. Здесь колонке гибкость не является значимым, и, следовательно, одна из ключевых преимуществ полунепрерывных операции не применяются. С другой стороны, если рынок является неопределенным, особенно в отношении спроса, полунепрерывного маршрут становится все более привлекательным. Его привлекательность возрастает с увеличением степени неопределенности.
Другая проблема состоит в интеграции полунепрерывных конфигурации с вверх и вниз по оперативной группы в процессе (2). Наконец, непрерывные процессы запустить около стационарного состояния, и, следовательно, можно ожидать, что будет легче контролировать. Как будет рассмотрено в следующем разделе, это не может быть, потому что простые децентрализованные системы управления выполняет также и в квазинепрерывной дистилляции.
Децентрализованное управление
С учетом более сложных операционной политики в полунепрерывных работает, и модель централизованного управления на базе стратегии представляется необходимым. Тем не менее, децентрализованной пропорционально-интегрально-дифференциальный (PID) системы управления (с участием одной петли) работает хорошо, и удивительно, что DB-управления конфигурацией является очень эффективным (5).
Эта конфигурация, как показано на рисунке 6 для разделения почти идеальную тройной смеси, обеспечивает двойной контроль состава во всех видах полунепрерывного цикла. Самое главное, она утверждает, бесперебойного функционирования колонке, несмотря на неоднократные переключения между режимами.
Чтобы понять, успех DB-конфигурации, в первую трудности, возникающие в непрерывной дистилляции, которые коренятся в ограничении массовых баланс между расходом корма, F, дистиллят, D, и основания, B:
F = D B
и соответствующие балансы видов. Это приводит к составу контроллеров быть очень связаны, что затрудняет контроль один состав, когда расход связан с другим контроллером состав временно сокращена, в результате чего колонна быстро стать неработоспособным.
Рассмотрим бинарной смеси поступает непрерывный столбец на рисунке 7. Когда, например, состав дна опускается ниже спецификации, клапан регулятора начинает закрываться, увеличение объемных отложений в поддоне. В результате увеличивается скорость Бойлап, равно как и количество тяжелых видов накладных пара. Это стимулирует состава дистиллята ниже спецификации и увеличения отложений в отлив барабана, который повышает уровень жидкости рефлюкс, дальнейшее увеличение картер отложений. Следовательно, с жидкой непрерывно подается на колонку, когда дно состав остается ниже спецификации, спираль действие вызывает отлив барабана или поддон переполнение, что делает колонки из строя.
Эта спираль действий не происходит для полунепрерывного разделения показано на рисунке 6. Как и в непрерывный стаж, когда, бинарных корма, состав дна опускается ниже спецификации, дно расход уменьшается, задержка в картер увеличивается, пара Бойлап скорость увеличивается, и, в связи с увеличением в тяжелых видов в дистиллят , дистиллятов расход уменьшается.
Для установки полунепрерывного, однако, соответствующим увеличением расхода рефлюкс не влияет на поддоне налет. Скорее, из-за полного жидких sidedraw, это увеличение потока переносится на середину судна и не накапливаются в столбце. Это полное жидких sidedraw позволяет DB-контроль конфигурации отказаться от состава нарушения без поддона и рефлюкс барабан переполнения. Заметим, что эти желательные характеристики управления распространяется на тройных и многокомпонентных смесей, а также.
Хотя в приведенных для бинарных корма, DB-контроль конфигурации выполняет хорошо для многокомпонентных увольнений. Это объясняется высокой циклической кампаний, таких как добывающая дистилляции показано ранее.
Чтобы подвести итоги
При выборе методов процесса дистилляции химических веществ, полунепрерывной кампании часто привлекательным вариантом. Кроме того, в процессе разработки, другие процессы могут извлечь выгоду из полунепрерывных операции.
Этот вид сочетает в себе дистилляции преимущества, связанные с периодическими и непрерывными кампании эксплуатации. Два атрибуты, связанные с пакетной дистилляции, снижение стоимости инвестиций и гибкость, сохраняются в полунепрерывных дистилляции. Как и в непрерывных процессов, таких преимуществ, как автоматизация процесса и не требующие отстойных порезы или столбца свалки, также преимущества полунепрерывных политики.
Тем не менее, полунепрерывной кампании является не просто объединение партии и непрерывной обработки. За почти идеальную тройной смеси Есть случаи, когда полунепрерывных политики оказывается выше партии или semibatch 1, например, разделение трех видов в одной колонке, которая, когда работают в непрерывном режиме, является нецелесообразным. Кроме того, полунепрерывного управлении MVC облегчает увольнений не так легко достичь с помощью методов партии.
Есть несколько признаков уникальна для полунепрерывного дистилляции. К ним относятся гибкость MVC в кампании, широкий спектр химических систем, которые могут быть отделены эффективно и утилита конфигурации, DB-контроля. Хотя эти самостоятельные значимость, они также способствуют предпочтение полунепрерывных дистилляции сравнению с традиционными методами для многих увольнений. нет
ЛИТЕРАТУРА
1. Phimister JR, и WD Сейдер ", полунепрерывных операции на Ближнем борту ректификационной колонны", в "Пятая Международная конференция" Основы автоматизации проектирования процессов ", Айше симпозиум серии № 323. 96, М. Ф. Мэлоун и др.., Ред., Айше, Нью-Йорк, с. 302-305 (2000).
2. Phimister, JR, и WD Сейдер ", полунепрерывных, на Ближнем - Судно дистилляции тройных смесей", Айше J., 46 (8), с. 1508-1520 (2000)
3. Phimister, JR, и WD Сейдер ", полунепрерывных, на Ближнем - судно. Добывающих дистилляции", вычи. Черна. Eng., 24, с. 879-885 (2000).
4. Phimister, JR, и WD Сейдер ", полунепрерывных, давление - Swing дистилляции", штат Индиана Eng. Химреагент Рез., 39, с. 122-130 (2000).
5. Колонны Phimister, JR, и WD Сейдер ", дистиллятов-Боттомс Контроль среднего судна дистилляции", штат Индиана Eng. Химреагент Рез., 39 (6), с. 1840-1849 (2000).
6. Соренсен, Е. и С. Skogestad, "Оптимальное операционную политику периодическая перегонка с упором на циклических операционной политики," Proc. Инженерные системы (PSE), Кенджу, Корея, с. 440-456 (май / июнь 1994).
7. Хасебе, ST и др., "Оптимальное проектирование и эксплуатация комплексных Колонка дистилляции партии". в "Взаимодействие между процессом проектирования и управления процессами", JD Перкинс, под ред. препринт Международной федерации по автоматическому управлению (МФБ), семинар, Лондон (1992).
8. Skogestad, С. и др. /., "Multi-периодическая перегонка судна", Айше J., 43, с. 971-978 (1997).
9. Хасебе, С. и др. /., "Оптимальные политики Операции Всего Reflux и Multi-Влияние системы пакетного дистилляции", вычи. Химреагент Eng., 23, с. 523-532 (1999).
10. Сафрит, BT, и др.., "Расширение непрерывного обычных и добывающей Insights дистилляции целесообразности пакетного дистилляции", штат Индиана Eng. Химреагент Рез., 34, с. 3257-3264 (1995).
11. Оппенгеймер, О., Е. Соренсен, "Сравнительное Потребление энергии в пакетном режиме и непрерывной дистилляции", вычи. Химреагент Eng., 21, стр., S529-S534 (1997).
Джеймс Р. PHIMISTER и Уоррен D. Сейдер, Университет штата Пенсильвания
Джеймс Р. PHIMISTER является одним из руководителей Рядом-мисс проекта на риск-менеджмента и процессов принятия решений Центр школы Уортон, Univ. штата Пенсильвания в Филадельфии (тел.: (215) 732-3736, факс: (215) 573-213o; Электронная почта: <a href="mailto:jphimist@wharton.upenn.edu"> jphimist@wharton.upenn.edu </ A>; сайте: <a target="_blank" href="http://opim.wharton.upenn.edu/risk/nearmiss.html" rel="nofollow"> http://opim.wharton.upenn .edu / риск / nearmiss.html </ A>). Недавно он был назначен Герберт J. Холломан членом Национальной академии инженерных наук. Он имеет степень бакалавра техники и MS в области химического машиностроения Univ. Эдинбурга, MS и аспирантов в области химического машиностроения Univ. Пенсильвания. Его дипломная работа тема полунепрерывной перегонки, за которую он получил Merrill-Lynch Innovation Award. Он является членом Айше, Американской ассоциации по развитию науки и Американского химического общества.
Уоррен D. Сейдер является профессором химического машиностроения в Univ. штата Пенсильвания в Филадельфии (тел.: (215) 898-7953, факс: (215) 5732093, E-почта: <a href="mailto:seider@seas.upenn.edu"> seider@seas.upenn.edu </ >). Он участвовал в процессе анализа, моделирования, проектирования и управления. Он соавтор "FLOWTRAN моделирование - Введение" в 1974 году и осуществляет координацию разработки курс Пенн на протяжении почти 20 лет, которая включает проекты, представленным в многочисленных инженеров-практиков в области Филадельфии. В 1999 году он соавтором "Принципы проектирования процесса: синтез, анализ и оценка". Он является автором и соавтором более 8o журнальных статей и является автором или редакцией шесть книг. Сейдер был удостоен Аиш вычислительным в области химической инженерии премии в 1992 году. Он служил в качестве директора Айше от 1984-1986, служил в качестве председателя CAST Div., И в настоящее время Комитет по публикациям. Он помог организовать кэш-памяти (средств автоматизации для химического машиностроения образования) Комитет в 1969 году и служил в качестве ее председателя. Он получил степень бакалавра в Политехническом институте в Бруклине, а также MS и кандидат от Univ. Мичиган, все в химическом машиностроении. Сейдер является членом редакционного совета Компьютеры и химической инженерии ..
