Összetett vizsgálati módszer energiaintegrált desztilláció
tanulmányozására
Előadó: Kencse Hajnalka
Témavezető: Dr. Mizsey Péter
Budapeti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemKémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék
Doktoráns Konferencia 2007
Előadásvázlat
• Tanulmányozott desztillációs struktúrák bemutatása
• A vizsgált ideális szénhidrogén elegyek és tulajdonságaik
• A desztillációs rendszerek összetett vizsgálata:
Gazdaságossági vizsgálat
Szabályozhatóság és dinamikus viselkedés
Környezeti hatások felmérése
• Következtetések
Tanulmányozott desztillációs struktúrák bemutatása
1. Hagyományosan csatolt kolonna - egyenes sorrend
2. Visszacsatolt hőintegrált desztillációs rendszer(DQB)
3. Termikusan csatolt kolonna, Petlyuk kolonna(FTCDC)
4. Előpárlásos hőintegrált desztillációs rendszer(SQF)
Col.1ABC
Col.2
A B
C
BC
Col.1ABC
Col.2
A B
CBCCol.1 Col.2
ABC
A
B
C
V12
L12
L21
V21
L D
S
Q
W
Col.1 Col.2
ABC
A
B
C
Col.1 Col.2
ABC
A
B
C
V12
L12
L21
V21
L D
S
Q
W
Col.1ABC
Col.2
A
B
C
AB
BC
Tanulmányozott elegyek
Elegy1. pentán hexán heptán
2. izopentán pentán hexán
3. bután izopentán pentán
Eset Betáp. összetétel (%)
Termék tiszt. (%)
1. 33-34-33 99
2. 33-34-33 95
3. 33-34-33 90
Betáplálás: 100 kmol/h
Az elegyek tulajdonságai Elegy αA αB αAB β* SI
1.Pentán - hexán -
heptán7,38 2,67 2,76 0,26 1,03
2.Izopentán – pentán -
hexán3,62 2,78 1,3 0,68 0,47
3.Bután – izopentán –
pentán2,95 1,3 2,26 0,154 1,74
CA
CB
*
-előpárlók és belső recirkulációs áramok becslésére, nem-éles elválasztás esetén használt tervezési paraméter:
- Szeparációs index:
Gazdaságossági vizsgálat
Éves összköltség = Beruházási költségek + Üzemeltetési költségek
Beruházási költség számítás:
Douglas, J. M., Conceptual design of chemical processes, McGraw-Hill Book Company
- Marshall & Swift index: 1164,3 (Chemical Engineering, vol. 111)
- 10 éves amortizáció
- kolonnák paramétereinek becslése: ASPEN folyamatszimulátor segítségével
Üzemeltetési költség:
- hűtővíz és fűtőgőz
Éves összköltség ábrázolása a Szeparációs Index (SI) függvényében:
Termék Tisztaság: 90%
2
3
4
5
6
7
8
0,4 0,9 1,4 1,9
Szeparációs Index
Éves Ö
sszkö
ltség
*10
5 US
D/é
v
Visszacsat. Hőintegrált
Előpárlásos Hőintegrált
Petlyuk kolonna
Hagyományos.
Termék Tisztaság: 95%
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0,4 0,9 1,4 1,9
Szeparációsn Index
Éves ö
sszkö
ltség
*10
5 U
SD
/év
Visszacsat. Hőintegrált
Előpárlásos Hőintegrált
Petlyuk kolonna
Hagyományos
Termék Tisztaság: 99%
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0,4 0,9 1,4 1,9
Szeparációs Index
Éves Ö
sszkö
ltség
*10
5 US
D/é
v
Visszacsat. Hőintegrált
Előpárlásos Hőintegrált
Petlyuk kolonna
Hagyományos
Szabályozhatósági vizsgálat
• célja, hogy megtaláljuk a legmegfelelőbb szabályozási struktúrát a különböző
desztillációs rendszerekre
Átviteli mátrix (G) számítása:
x’(t) = A x(t) + B u(t)
y(t) = C x(t) + D u(t)
G(s) = C (s I - A)-1 B + D
Szinguláris értékek szerinti felbontás: G = UΣVH
Alkalmazott szabályozhatósági mutatók:
- Kondíciós szám (CN)
- Morari féle belső szabályozhatósági index (MRI)
- RGA-szám
A desztillációs rendszerek szabályozott és módosított jellemzői
• Szabályozott jellemzők: XA
XB
XC
• Módosított jellemzők: D – Desztillátum tömegáram L – Reflux tömegáram R – Reflux arány B – Fenéktermék tömegáram Q – Üstfűtés S – Oldaltermék tömegáram
Col.1 ABC
Col.2
XA XB
XC
BC
L D L D
Q
B
Szabályozhatósági mutatók, frekvencia függvényében, 1. elegyre:
CN
0
10
20
30
40
50
60
1,00E-05 1,00E-03 1,00E-01 1,00E+01 1,00E+03
Frekvencia [rad/s]
CN
DSQ LSB LSQRSB RSQ
MRI
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
1,00E-05 1,00E-03 1,00E-01 1,00E+01 1,00E+03
Frekvencia [rad/s]
MR
I
DSQ LSB LSQRSB RSQ
RGAno
02468
10121416
1,00E-05 1,00E-03 1,00E-01 1,00E+01 1,00E+03
Frekvencia [rad/s]
RG
An
o
DSQ LSB LSQRSB RSQ
CN
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100
Frekvencia [rad/s]
CN
DDQ DLB DLQ LDBLDQ LLB LLQ RDBRDQ RLB RLQ
MRI
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
1E-05 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100
Frekvencia [rad/s]
MR
I
DDQ DLB DLQ LDB
LDQ LLB LLQ RDB
RDQ RLB RLQ
RGA-no
0
1
2
3
4
5
6
7
8
1E-05 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100
Frekvencia [rad/s]
RG
An
o
DDQ DLB DLQ LDB
LDQ LLB LLQ RDB
RDQ RLB RLQ
PetlyukKolonna:
CN
0
10
20
30
40
50
60
70
0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100
Frekvencia [rad/s]
CN
LSB RSB DSQ
LSQ RSQ
MRI
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
1E-05 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100
Frekvencia [rad/s]
MR
I
LSB RSB DSQ
LSQ RSQ
RGA no
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1E-05 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100
Frekvencia [rad/s]R
GA
no
LSB RSB DSQ
LSQ RSQ
VisszacsatoltHőintegrált
ElőpárlásosHőintegrált
DLB
LSQ
LSB
Dinamikus viselkedés, időtartományban
Betáp összetétel zavarás
Hagyományos D-L-B
Módosított jellemz.
Visszacsat. Hőint.
D-L-B
Módosított jellemz.
Petlyuk
L-S-QMódosított jellemz.
Előpárl. Hőint.
L-S-B Módosított jellemz.
IAE
10-4
TTSzSz
[óra][óra]
IAE
10-4
TSz
[óra]
IAE
10-4
TSz
[óra]
IAE
10-4
TSz
[óra]
XA
3,6 11 1,3 0,50,5 9 1,61,6 6,3 1,51,5
XB
15 2,62,6 2,7 0,80,8 3 2,72,7 4,3 1,41,4
XC
4,8 1,61,6 0,2 0,40,4 5 1,51,5 12 1,51,5
Környezeti hatások felmérése
• a desztillációs rendszerek környezetre gyakorolt hatása arányos az energiaigényükkel
• Az energiaigénynek megfelelő CO2 emissziót számoltuk, különböző fosszilis tüzelőanyagok esetében, mint:
Földgáz Fűtőolaj Kőszén Barnaszén
CO2 emisszió, 1. elegy, Termék Tisztaság
99%
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
DIR DQB FTCDC SQF
Desztillációs struktúra
CO
2 [
kg]
Term. Földgáz
Fűtőolaj
Kőszén
Barnaszén
CO2 emisszió átlagos csökkenése a hagyományos desztillációs struktúrához
viszonyítva
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
FTCDC SQF DQB
Desztillációs struktúra
CO
2 e
mis
szió
cs
ökk
enés
[%
]
Következtetések:• Gazdaságossági vizsgálat alapján a visszacsatolt hőintegrált
desztillációs struktúra bizonyult a legkedvezőbbnek;
• Terméktisztaságok növekedésével az előpárlásos struktúra költségei közelítik a visszacsatolt hőintegrált struktúráét;
• Szabályozhatósági mutatók alapján kiválasztható a megfelelő szabályozási struktúra a vizsgált desztillációs rendszerekre;
• Dinamikus viselkedés vizsgálata azt mutatja, hogy a legjobban szabályozható desztillációs struktúra a visszacsatolt hőintegrált struktúra
• A visszacsatolt hőintegrált desztillációs rendszernek legkisebb a környezetre gyakorolt hatása
• Az energiaintegrált desztillációs rendszerek közül a visszacsatolt hőintegrált struktúra adta a legjobb eredményeket minden vizsgált szempontból
Köszönetnyilvánítás:
• Oláh György Doktori Iskola támogatásáért
• OTKA T046218 és OTKA T042600 projektek támogatásáért
Állandó paraméterű lineáris szabályozott szakasz egyenletei:
x’(t) = A x(t) + B u(t) x(nx1), u(rx1), y(qx1) - oszlopvektor
y(t) = C x(t) + D u(t) A(nxn), B(nxr), C(qxn), D(qxr) – állandó mátrix
Átviteli mátrix (G): G(s) = C (s I - A)-1 B + D
MRI - a rendszer szabályozhatóságának mutatója;MRI = minimális szinguláris érték (σmin);
CN - Kondíciós szám :
RGAno = || RGA(G) – I ||sum
min
max