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