Ректификационная технология Линас. Путь к созданию высокорентабельных производств

А.Ф.Сайфутдинов, О.Е.Бекетов, В.С.Ладошкин, Г.А.Нестеров*

ЗАО НПП Линас-Техно, Новосибирск, Россия
* - представительство Линас-Техно в США, Нью-Йорк, США

1. Глобальная тенденция повышения спроса высокочистых химических продуктов

      Среди товаров, спрос на которые постоянно возрастает на глобальном рынке материалов, все большее место приобретают высокочистые материалы и реагенты. Уровень прибыльности производства таких товаров высок и постоянно увеличивается. Поэтому развитие, модернизация и удешевление технологий и производств высокочистых химических продуктов имеют высокую инвестиционную привлекательность.
      С одной стороны существует высокая потребность в инвестициях для модернизации химических производств и обновления основных фондов, а с другой стороны эта потребность сопровождается низкой реальной привлекательностью инвестиций вообще в экономику России. Это противоречие может разрешаться путем развития отечественных технологий высоко конкурентных товаров при сравнительно низких инвестициях.
К таким технологиям, обладающим низким уровнем капитальных затрат и рядом других значительных экономических преимуществ, относится ректификационная технология под названием "технология Линас".
      Настоящая статья посвящена высокорентабельной и экономически эффективной ректификационной технологии Линас. Промышленное применение технологии и колонны Линас охватывает широкий спектр технологических задач, связанных с разделением веществ, как на грубых сырьевых переделах, так и для тонкого разделения смесей.

2. Принципиальные проблемы современной ректификации

      Наиболее распространенной промышленной технологией разделения является ректификация. Основы современной промышленной ректификации в настоящем ее виде были заложены около 40-50 лет назад и с тех пор практически не претерпели изменений.
      Ректификация потребляет огромное количество энергии, как для нагрева, так и для охлаждения. Поэтому значительные усилия тысяч исследователей и разработчиков были сосредоточены именно в этой области, но не принесли значительных улучшений промышленной технологии. Высота ректификационных колонн часто превышает 30 метров. Соответственно большие затраты на изготовление, эксплуатацию и ремонт колонн в значительной степени ухудшают экономические показатели производств и повышают себестоимость продукции.
      Рассмотрим кратко состояние современной ректификации и ее основные проблемы.
      Современная промышленная ректификация основана на использовании тарельчатых и насадочных колонн.
      Расстояние между тарелками в тарельчатой колонне составляет приблизительно 0,4…0,5 метра. В теории количество тарелок колонны должно соответствовать числу теоретических ступеней разделения. Однако на практике эффективность тарелок колонны обычно не превышает 50%. Поэтому реальная высота разделения в тарельчатой колонне примерно в 2 раза превышает теоретическую. То есть одна теоретическая тарелка "размазывается" по высоте колонны на две и более тарелок.
      Насадочные колонны имеют более высокую эффективность. Но высота теоретической ступени разделения для промышленных насадочных колонн большой производительности составляет от 0,4 метра и выше. Это связано с байпас-эффектом, степень влияния которого увеличивается с ростом диаметра колонны.
      Главное противоречие насадочных колонн заключается в том, что повышение эффективности процессов тепло- и массообмена требует увеличения удельной поверхности насадок. Это неизбежно приводит к росту гидравлического сопротивления колонны и к снижению ее производительности.
      Помимо этого, тщательный анализ процессов тепло- и массопереноса внутри колонн показывает ряд других недостатков и противоречий таких как:

1. При проектировании современных колонн не учитывается микробаланс тепломассообменных процессов по ступеням разделения.
2. Тепломассообменные процессы в каждой точке объема колонны также несогласованны из-за разницы в физических свойствах низкокипящих и высококипящих компонентов разделяемой смеси.
3. Существующий способ подачи флегмы количественно и качественно не соответствует оптимальному распределению низкокипящих и высококипящих компонентов по высоте ректификационной колонны.

      В результате этого колонны становятся очень высокими, громоздкими и требующими избыточного расхода энергии. Это в конечном итоге приводит к повышенным затратам на ректификацию.

3. Ректификационная технология Линас

      Специалисты компании Линас-Техно, нашли совершенно новое решение в согласовании дистилляционных процессов тепломассообмена и разработали новую промышленную ректификационную технологию под названием "технология Линас".
      Технология Линас основана на модифицированной пленочной ректификации.
      Как известно, традиционная пленочная колонна имеет несколько серьезных достоинств. Это, прежде всего, простота конструкции, очень низкое сопротивление парогазовому потоку и очень хорошая разделительная способность. Пленочная колонна среди всех ректификационных колонн имеет самую низкую высоту теоретической тарелки, приблизительно равную 5 мм, но при условии скорости парогазового потока не более 0,01м/c. При повышении скорости парогазового потока внутри колонны до реальных промышленных скоростей в 1,5-2,0 м/с наблюдается эффект "размазывания" пленки по вертикали, что приводит к непропорционально резкому увеличению высоты колонны.
      Эта основная проблема пленочной ректификации решена в технологии Линас. Стабильность пленочного режима внутри колонны Линас сохраняется при скоростях парогазового потока до 1,5-2,0 м/с.
      Это достигнуто благодаря значительному повышению интенсивности процессов тепломассообмена в радиальном направлении по сечению колонны.
      Технология Линас также решает задачи оптимизации процессов тепломассообмена за счет образования флегмы непосредственно в колонне и за счет оптимального распределения этой флегмы по высоте колонны. Следствием этого является снижение потерь тепла, используемого для образования флегмы. Новая организации процесса образования и распределения флегмы приводит к тому, что весь получаемый наверху колонны дистиллят является конечным. То есть отсутствует классический возврат флегмы в голову колонны.
      Помимо этого, условия тепло- и массопереноса при использовании технологии Линас адаптированы к физическим свойствам разделяемых веществ.

4. Промышленное применение технологии Линас

      Первое промышленное применение технологии Линас было осуществлено три года назад на Ангарском химическом заводе для выделения фторорганического соединения из многокомпонентной смеси. Высота колонны составляла только 1,4 м. Эксплуатация колонны в условиях необыкновенно высокой коррозионной активности разделяемой смеси не вызвало никаких реальных производственных проблем.
      Недавно компания Линас-Техно запроектировала и изготовила первую промышленную нефтеперерабатывающую установку НПУ-8 производительностью по сырью 8000 тонн в год, основанную на технологии Линас. НПУ-8 находится в городе Миассе во временной эксплуатации. На установке получен стандартный прямогонный бензин, товарное дизельное топливо и топочный мазут. Высота ректификационной колонны всего 1,5 метра, и в процессе работы в колонне содержится не более 1,5 кг разделяемых продуктов.
      Следует отметить, что аналогичные ректификационные колонны имеют высоту не менее 10 метров.
      Промышленная эксплуатация НПУ-8 подтвердила все достоинства технологии и колонны Линас.
      Общий вид установки НПУ-8 представлен на фото ниже.

      Технические данные нефтеперерабатывающей установки НПУ-8, основанной на технологии Линас представлены в таблице 1. Для сравнения даны параметры аналогичной тарельчатой колонны.

Таблица 1

      Как видно из приведенных показателей, параметры ректификационной колонны Линас существенно лучше по сравнению с традиционными колоннами.

      В процессе разработки технологии "ЛИНАС" в период 1994-2002 г.г. были произведены успешные работы по разделению реальных многокомпонентных смесей и модельных образцов смесей. Результаты этих работ позволили разработать теоретические основы новой технологии, расчетные методики. Были разработаны пригодные для промышленности технические решения по аппаратурному оформлению процесса.
      В области химических и нефтехимических технологий были разработаны основные параметры следующих технологических процессов разделения смесей:

• Ректификация трифторметансульфокислоты
• Ректификация сырого глицерина с получением динамитного глицерина.
• Получение этилового спирта.
• Выделение растворителей из производственных отходов, например, этилацетата и ацетона.
• Концентрирование органических и неорганических кислот из слабых водных растворов, например уксусной и азотной.
• Переработка отходов химических производств, например, выделение дихлорэтана из отходов хлороганического синтеза.
• Разделение изомеров, например, смеси изо-бутанол - n-бутанол.

      В настоящее время компания Линас-Техно разрабатывает ряд новых промышленных процессов. В частности, процесс вакуумной ректификации отработанного моторного масла совместно с голландскими фирмами и процесс ректификации бензола и толуола.

5. Технические преимущества промышленного применения технологии Линас

      Промышленное применение технологии Линас по сравнению с существующей технологией ректификации, реализуемой в тарельчатых и насадочных колоннах, имеет следующие преимущества:

1. Значительное снижение габаритных показателей колонн и металлоемкости - высота ректификационных колонн уменьшена в 3-10 раз по сравнению с традиционными тарельчатыми и насадочными колоннами при одинаковом диаметре обечайки.
2. Быстрый выход на рабочий режим, благодаря малому содержанию разделяемых веществ в колонне.
3. Возможность разделения веществ с ограниченной термической стойкостью (термическое разложение, конденсация и поликонденсация, смолообразование, химический переход в нежелательную примесь), обусловленная малым временем нахождения жидкой фазы в зоне проведения ректификационного процесса - от 2 до 60 секунд.
4. Повышение эксплуатационной надежности при полном отсутствии условий отложения загрязнений на внутренних полостях колонн. Это происходит за счет создания благоприятного строго контролируемого диапазона температур на внутренних поверхностях колонн, использования только вертикальных поверхностей без застойных зон, постоянно омываемых флегмой, и, как указывалось выше, малого времени контакта жидкой фазы с поверхностью.
5. Минимальная потребность в средствах автоматизации для управления собственно колонной.
6. Повышенная промышленная и экологическая безопасность за счет снижения рисков потенциальной опасности установок при их эксплуатации - снижение в 50-100 раз количества разделяемых веществ внутри колонны.
7. Повышение сейсмической устойчивости колонн, увеличение сложности поражения колонн воздушными террористами, снижение площади наземных разрушений при падении высотных конструкций за счет возможности использования невысоких несущих металлоконструкции сооружений для размещения колонн и вспомогательного оборудования установок.
8. Повышение надежности методов моделирования и масштабирования. Базовым элементом колонн Линас является одна ректификационная трубка, в которой смоделированы все необходимые условия проведения процесса. По сути, после испытаний пилотной установки метод масштабирования состоит в увеличении числа трубок до соответствия необходимой производительности колонны. Например, результат масштабирования для нефтеперерабатывающих установок с производительностью от 10.000 до 500.000 тонн в год представлен ниже на рис.1. H - высота колонн, D - диаметр колонн.

Рис.1

6. Экономические показатели технологии Линас

      Технические преимущества при промышленном применении технологии и колонны Линас существенно улучшают экономические показатели.
      Снижение затрат и издержек может происходить на каждом этапе работ от изготовления до эксплуатации колонн за счет следующих расходов:

1. Изготовление колонного оборудования - в 1,5-2 раза
2. Изготовление несущих металлоконструкций и обслуживающих площадок колонн - в 1,5-2 раза.
3. Приобретение, техническое обслуживание и ремонт средств автоматизации колонны - в 1,5-2 раза.
4. Монтаж колонного оборудования и металлоконструкций - в 2-3 раза.
5. Затраты на техническое обслуживание колонного оборудования - в 1,5-5 раз.
6. Затраты на ремонт колонного оборудования - в 1,5-5 раз.
7. Энергетические затраты на работу колонны - на 10-15%.
8. Страховые издержки за счет снижения уровня рисков, как при создании установок, так и при их промышленной эксплуатации - в 1,5-2 раза.

      Оценивая выше указанные возможности снижения затрат, можно констатировать, что применение технологии Линас улучшает такие основные экономические показатели, как удельные капитальные вложения, удельный показатель фонда оплаты труда, энергосбережение.
      Нефтехимическая и химическая отрасли промышленности отличаются большим многообразием установок по составу сырья, получаемым продуктам и мощности. Технологии Линас за счет надежного моделирования и масштабирования позволяет снижать финансовые риски при создании новых установок.

7. Будущее технологии Линас

      Достижения технологии Линас означают создание новой ректификационной технологии, дающей возможность вывода промышленной ректификации на принципиально новый уровень эффективности.
      Технологию Линас можно смело отнести к прорывной "high-tech" технологии. Так как она носит глобальных характер, и может использоваться во всех звеньях химической технологии. А это в значительной степени повлияет на возможные пути развития других технологий, в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, фармацевтической и других областях промышленности. Технология Линас может открыть дорогу к созданию и использованию новых технологий (например, синтеза), в которых "узким местом" является необходимость разделения смесей химических веществ.
      Потенциальными производствами продуктов основного органического синтеза, где может быть востребована технология Линас, могут быть следующие производства: метанола, уксусной кислоты, бутилацетата, этилена и пропилена, бензола и анилина, орто- и пара-ксилола, моноэтаноламина, стирола, винилхлорида, фенола и ацетона, бутиловых спиртов, моноэтиленгликоля.

      Признаками "high-tech" технологии, гарантирующей крупные сдвиги в технологическом преобразовании производства и обеспечивающей бурный рост экономических показателей, может являться комплекс достижений, в который входит:

• высокая техническая культура технологии, заложенная в использовании фундаментальных физических принципов и свойств веществ;
• мировая новизна и производственные "ноу-хау";
• новые теоретические основы расчета;
• высокая надежность моделирования процессов и масштабирования оборудования;
• современное компактное оборудование с автоматизированной системой управления технологическим процессом;
• высокая промышленная и экологическая безопасность, как оборудования, так и процесса в целом.

      Из-за длительного цикла жизни промышленных ректификационных установок их замена на компактные колонны Линас будет происходить в течение ряда лет. Промышленность сравнительно консервативна и инерционна в принятии новых революционных технологий, но экономическая целесообразность являются наиболее приоритетной и эффективной движущей силой развития. Технология Линас значительно дешевле и лучше, чем традиционные технологии, и это обеспечит ей успех.

А.Ф.Сайфутдинов, О.Е.Бекетов, В.С.Ладошкин, Г.А.Нестеров.
Ректификационная технология Линас. Путь к созданию высокорентабельных производств.
Вестник химической промышленности. ОАО "НИИТЭХИМ", Москва. Вып.4(24), 2002, стр.26-41.

Главная страница

Публикации

© 1999-2017 Линас