Desztillációs rendszerek komplex

vizsgálata: energia, exergia,

szabályozás, környezet

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék

Mizsey Péter

Kencse Hajnalka

Magyar Ipari Ökológiai Társaság

2009. május 29.

Előadásvázlat

1. Tanulmányozott desztillációs struktúrák bemutatása

2. A vizsgált ideális szénhidrogén elegyek és tulajdonságaik

3. A desztillációs rendszerek komplex vizsgálata:

3.1. Exergia analízis

3.2. Gazdaságossági vizsgálat

3.3. Szabályozhatóság és dinamikus viselkedés

3.4. Környezeti hatások felmérése

4. Következtetések

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

Col.1ABC

Col.2

A B

C

BC

Col.1ABC

Col.2

A B

CBC

Col.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

1. Tanulmányozott desztillációs rendszerek bemutatása

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

1. Hagyományosan csatolt rendszer – egyenes sorrend

2. Visszacsatolt hőintegrált desztillációs rendszer(DQB)

3. Termikusan csatolt kolonna, Petlyuk kolonna(FTCDC)

4. Előpárlásos hőintegrált desztillációs rendszer(SQF)

AB

BC

2. Vizsgált elegyek

Eset Betáp. összetétel (%)

Termék tisztaság

(%)

1. 33-34-33 99

2. 33-34-33 95

3. 33-34-33 90

Betáplálás: 100 kmol/h

 Elegy

(A-B-C)

αA αB αAB β* SI

1. Izopentán – pentán - hexán 3,62 2,78 1,3 0,68 0,47

2. Pentán - hexán – heptán 7,38 2,67 2,76 0,26 1,03

3. Bután – izopentán – pentán 2,95 1,3 2,26 0,154 1,74

- Szeparációs index:

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

- Előpárlók és belső recirkulációs áramok becslésére, nem-éles elválasztás esetén:

CA

CB*

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

Energetikai hatásfok

• Az energia hasznosítást lehet a termodinamikai I. főtétele

alapján számolni: ebben az esetben a folyamat hatásfoka

egyenlő az itt hasznosított energia és az összes belépő energia

hányadosával.

• A termodinamika I. főtételén alapuló szemlélet nem veszi

figyelembe azt a tapasztalati tényt, hogy az energia nem minden

formája alakítható át kölcsönösen egymásba teljességgel.

• Új szemlélet: az energiahasznosítás mérése a

termodinamika I. és II. főtételére alapozva.

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

Hőátadás

Anyagáramn, xi, T, p, H, S

Qbe

Qki

Munka

Wbe

Wki

AnyagáramFolyamat

• Termodinamikai I. főtétele (energia-megmaradási törvény):

( Anyagáram belső energiája + Hőáram + Munka )be – ( Anyagáram belső energiája + Hőáram + Munka )ki = 0

• Termodinamika II. főtétele:

A természetben nincs és egyetlen géppel – ún. Kelvin-géppel – sem hozható létre olyan folyamat, amelynek során egy

test hőt veszít és ez a hő egyéb változások nélkül teljes egészében, 100%-os hatásfokkal munkává alakulna át. A Kelvin-

gépet másodfajú perpetuum-mobilének nevezzük, tehát az állítás szerint nem létezik másodfajú perpetuum-mobile.

( Anyagáram entrópiája + Hőáram entrópiája )be – ( Anyagáram entrópiája + Hőáram entrópiája )ki = 0

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

Exergia

• Ha egy közeg entalpiája az adott körülmények között H és a közeg entalpiája a

környezettel való tökéletes termodinamikai egyensúly elérése után H0, akkor a

közegnek a környezethez viszonyított energiatöbblete: H – H0

• Azonban a környezettel egyensúlyra vezető hipotetikus folyamatban nyerhető

potenciális munka nem (H – H0 ), hanem annál kevesebb.

• A T hőmérsékleten energiát felvevő és azt T0 hőmérsékletre szállító munkagép

hatásfokának elméleti maximuma a Carnot hatásfok:

- ami meghatározza a maximálisan visszanyerhető munkát

• Exergiafüggvény általános definiciója:

Ex = (H – H0) – T0 (S - S0)

TT

C01

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

Az exergia definicíója: Az a maximális munka, amely abból a

hipotetikus átalakulásból lenne elérhető, amikor a

rendszerben áramló közegek adott állapotukból a rendszer

környezetével tökéletes termodinamikai egyensúlyba jutnak.

• Az exergia analízis segítségével energetikailag hatékonyabb

rendszerek tervezhetőek

• Hasznos eszköz a feleslegesen felemésztett vagy

megtakarítható energia kiszámolására

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

Példa:

T0=25 °C Telített vízgőz (0,19 bar)

Telített vízgőz (15 bar)

Tömeg

[kg]1 0.934

Entalpia, H

[KJ/kg]2609,5 2609,5

Hőmérs.

[°C]60 200

Entrópia, S

[KJ/kg K]7.9 6

Exergia[kJ]

252,8 818,8

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

STHEx 0

KondKondDW

ÜstÜstBetáploss T

TQExEx

T

TQExEx 00 11

BetápWDSEP ExExExW

SEPloss

SEP

wEx

wη

Az exergia analízis egyenletei

ahol Ex – exergia

H – entalpia,

S – entrópia,

Exloss – exergia veszteség,

WSEP – szeparációs munka,

- termodinamikai hatásfok, [%]

T0 – környezeti hőmérséklet, [K]

kmol

kJ

kW

kW

kmol

kJ

Kkmol

kJ

KondKondDW

ÜstÜstBetáploss T

TQExEx

T

TQExEx 00 11

Col.1ABC

Col.2

A B

CBC

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

A desztillációs rendszerek exergia mérlege

3.2. 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

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

A gazdaságossági vizsgálat eredményei

Termék tisztaság: 90%

0

2

4

6

8

0.4 0.7 1 1.3 1.6 1.9

Szeparációs Index

Év

es

ös

szk

ölt

sé

g *

105

US

D/é

v

DQBSQFFTCDCHagyományos csat.

Termék tisztaság: 95%

0

3

6

9

12

0.4 0.7 1 1.3 1.6 1.9

Szeparációs Index

Éve

s ö

sszk

ölt

ség

*10

5

US

D/é

v

DQBSQFFTCDCHagyományos csat.

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

Termék tisztaság: 99%

0

5

10

15

20

0.4 0.7 1 1.3 1.6 1.9

Szeparációs Index

Éve

s ös

szkö

ltség

*10

5

US

D/é

v

DQBSQFFTCDCHagyományos csat.

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

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

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

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

3.4. Környezeti hatások felmérése

• A desztillációs rendszerek környezetre gyakorolt hatása arányos az

energiaigényükkel

• A kibocsátott gázok okozta üvegházhatás mértékét CO2

ekvivalensben (CO2 e) fejeztem ki

• A feltételezett fosszilis tüzelőanyagok:

földgáz, fűtőolaj, kőszén, barnaszén

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

-42

-36

-30

-24

-18

-12

-6

0

FTCDC SQF DQB

Energia integrált desztillációs rendszerek

CO

2e e

mis

szi

ó r

el.

cs

ök

ke

né

se

[%

]

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Hagyományoscsat.

DQB FTCDC SQF

Desztillációs struktúra

CO

2e

[kg

]

FöldgázFűtőolaj

KőszénBarnaszén

Környezeti hatások felmérésének eredményei

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0.47 1.03 1.74

Szeparációs Index

CO

2e [

kg

]

Conv. Dir.

FTCDC

DQB

SQF

Hagyományos csat.

Földgáz

4. Következtetések

• Az exergia analízis előrejelzi, hogy az energia-integrált desztillációs struktúrák közül a visszacsatolt hőintegrált struktúra (DQB) a leghatékonyabb, energia megtakarítás szempontból

• Gazdaságossági vizsgálat alapján is a visszacsatolt hőintegrált desztillációs struktúra bizonyult a legkedvezőbbnek;

• 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

• A tanulmányozott energia-integrált desztillációs rendszerek közül a visszacsatolt hőintegrált struktúra (DQB) adta a legjobb eredményt minden vizsgált szempontból

1. Desztillációs

rendszerek

2. Vizsgált

elegyek

3.1. Exergia

analízis

3.2. Gazdaság.

vizsgálat

3.4. Környezeti

hatások4. Következt.3.3. Dinamikus

viselkedés

Köszönetnyilvánítás

• OTKA 49849 and OTKA 46218 projektek támogatásáért