СКАЧАТЬ:  nasha-laboratornaya-po-model-2.zip [291,05 Kb] (cкачиваний: 61)

Лабораторная работа №2

по дисциплине: «Моделирование систем»

Цель работы: При ограничении на максимальную нагрузку на кипятильник и требуемом качестве пропилена в дистилляте определим минимально возможное количество тарелок в колонне. Максимально допустимые по модулю нагрузки на кипятильник и требуемое содержание пропилена в дистилляте примем равными:  нагрузка на кипятильник – 70000 МДж/час, содержание пропилена – 96.1 %масс.

Краткая теория

В основе использования специальных методов ректификации лежит принцип перераспределения полей концентраций (ПППК). Этот принцип основывается на некоторой совокупности технологических приемов, с помощью которых состав исходной смеси можно перевести из одной области ректификации в другую. Например, изменение давления в системе приводит к изменению (количественному или качественному) топологии концентрационного пространства. Это свойство систем используется в так называемых двухколонных агрегатах работающих при различном давлении. Добавление в исходную смесь автоагента (рецикла по одному из компонентов смеси) приводит, естественно, к изменению состава исходной смеси вплоть до перевода его в другую область ректификации. Затруднения в разделении n-компонентной смеси часто легко преодолеваются при добавлении к ней дополнительного компонента. Этот компонент часто называют разделяющим агентом или экстрагентом.Считается, что хорошим агентом для разделения смеси близко кипящих компонентов  является тот, при добавлении которого не образуется азеотропов с компонентами базовой смеси и относительная летучесть в ней изменяется в нужную сторону на достаточную величину. При этом выбор разделяющего агента обычно происходит по оценке изменения коэффициента относительной летучести  в присутствии разделяющего агента. Кроме того, при добавлении к трудноразделимой смеси разделяющего агента возникает новая система, со своими физико-химическими особенностями. Поэтому, задача выбора разделяющего агента по сути дела является задачей выбора благоприятной для разделения структуры фазовой диаграммы.

Условно, методы ректификационного разделения систематизировать по ряду признаков.

По типу подвергаемой разделению смеси – жидкие, газообразные, гомогенные, гетерогенные и т. д.

По виду используемой аппаратуры или механизму организации массообмена при ректификации – колонны пленочные, роторные, насадочные, тарельчатые клапанные, тарельчатые сетчатые и т.д.

По характеру организации процесса. В дальнейшем нас будет интересовать лишь систематизация методов ректификационного разделения по последнему признаку.

Возможные методы ректификации можно разделить на две большие группы. В первой собраны методы ректификации гомогенных смесей, во второй – гетерогенных. Ректификация гомогенных смесей может проводиться как в периодическом режиме, так и в непрерывном.

Можно выделить несколько видов непрерывной ректификации.

1. Непрерывная ректификация в колоннах с одним потоком питания.

2. Непрерывная ректификация в колоннах с несколькими потоками питания.

3. Непрерывная ректификация в двухколонной системе с перепадом давления. В несколько особом положении по отношению к другим видам непрерывной ректификации находится термодинамически обратимая ректификация. Она также может проводиться как в колонне с одним потоком питания, так и в колонне с несколькими потоками питания. Непрерывную ректификацию в колонне с одним потоком питания можно реализовать тремя основными способами.

А. Простая непрерывная ректификация.

Б. Автоэкстрактивная ректификация.

В. Ректификация со среднекипящим разделяющим агентом. Непрерывную ректификацию с несколькими потоками питания можно реализовать следующими способами.

A. Азеотропная ректификация. Б. Автоэкстрактивная ректификация.

В. Ректификация со среднекипящим разделяющим агентом.

Г. Экстрактивная ректификация. Д. Реэкстрактивная ректификация.

Е. Режим «холодный низ».

Ж. Режим «горячий верх».

Можно выделить два основных вида непрерывной ректификации гетерогенных смесей. Непрерывная ректификация в колонне с одним потоком питания и непрерывная ректификация в колонне с несколькими потоками питания.Первый вид реализуется следующими способами. А. Простая непрерывная ректификация. Б. Гетероазеотропная ректификация. В. Гетероэкстрактивная ректификация. Во всех трех случаях состав исходной смеси, и орошение могут быть как гомогенными, так и гетерогенными. При непрерывной ректификации гетерогенных смесей в колонне с несколькими потоками питания могут быть реализованы все те же способы, что и для гомогенных смесей.

Практическая часть

Технологическая схема процесса стабилизации газового конденсата имеет вид (рис.1).

Рис.1. Схема разделения пропан-пропиленовой фракции

Задача расчета: при заданных параметрах разделяемой смеси, спецификации колонны, требуемом качестве разделения подобрать оптимальную тарелку питания, при которой нагрузка на кипятильник является минимальной.

Пропан и пропилен являются близко кипящими веществами, поэтому их очень трудно разделить друг от друга. Тем не менее, ректификация при повышенном давлении и достаточном количестве контактных устройств является стандартной технологией.

Парожидкостное равновесие смесей пропан/пропилен, этан/этилен подвержено влиянию взаимодействия между компонентами. Для компенсации неидеальностей в этих смесях используются специальные параметры бинарного взаимодействия (BIPs) при расчетах фазового равновесия по уравнениям Соаве-Редлиха-Квонга или Пенга-Робинсона.

Спецификация колонны:

• Модуль колонны:   –   SCDS olumn
• Тип конденсатора (Condenser Type)  – Полный (Total or None)
• Давление верха колонны (Top Pressure) –  15.5 бар
• Перепад давления в конденсаторе (Cond press drop)  – 1 бар
• Перепад давления в колонне (Colm press drop)  – 1.5 бар

Количество тарелок (No. of stages)      –          150

• Тарелка питания (Feed tray for stream #) – 110

Эффективность тарелок (Stage efficeincy)

• Верхняя тарелка (Top stage) – 0.6
• Последняя тарелка (Last stage) – 0.6

Режим работы конденсатора (Condenser mode)       Массовая доля компонента в дистилляте (12 Distillate component mass fraction)  составляет 95%. В качестве компонента из списка компонентов (Сomponent) выбран пропилен.

Режим работы кипятильника (Select Reboiler mode) – Массовая доля компонента в кубовом продукте (12 Bottom component mass fraction)  составляет 95%. В качестве компонента из списка компонентов (Сomponent) выбран пропан.

Оценочные значения температуры (Temperature Estimates):

• Верха колонны (T Top)  –  40 ºС
• Низа колонны (T Bottom)  –  50 ºС

Расчет коэффициентов фазового равновесия осуществлялся по методу Пенга–Робинсона. Расчет производился в системе измерения Alt SI.

Зададим параметры потока питания для этого выполним команду Specifications/Feed streams. В окне Edit Streams в соответствующие поля введем значения параметров состояния, температуры, давления и состав потока питания согласно рис. 2.

Рис.2 Параметры потока питания

В параметрах математической модели ректификационной колонны на вкладке General (Общие) зададим тип конденсатора колонны: Partial (Парциальный).

Для парциального конденсатора (тип 1) с двумя фазами дистиллят представляет собой паровую фазу из конденсатора (сдувки). Вся жидкость в виде флегмы возвращается в колонну.

Поскольку мы применяем парциальный конденсатор, то нам необходимо определить боковой поток из тарелки №1 (конденсатор). Для этого в графическом режиме создадим боковой поток (рис.1) а затем зададим режим и численное значение выбранного режима на вкладке Specifications параметров колонны (рис.3):

Рис 3. Определение бокового потока

В поле Stage (контактное устройство) указываем номер контактного устройства. В данном случае для конденсатора колонны номер контактного устройства будет равен "1". В списке Side product mode (Режим для бокового продукта) выбирается один из возможных режимов:

– Liquid mass flow (Массовый поток жидкости);

– Liquid mole flow (Мольный поток жидкости);

– Liquid ratio (Отношение потока дистиллята к потоку конденсата);

– Vapor ratio (Отношение сдувок к потоку паровой фазы из конденсатора);

– Vapor mole flow (Мольный поток пара);

– Vapor mass flow (Массовый поток пара).

Для выбранного режима в поле Specification (Спецификация) вводится численное значение выбранного режима работы конденсатора.

В результате выполнения расчета схемы получаем следующее:

Рис. 4 Сдувка

Рис. 5 Кубовой остаток

Рис. 6 Дистилят

И сдувки, и дистиллят выходят из первой тарелки колонны. Поскольку фазы этих потоков различаются, то и составы этих потоков (для данной смеси) различаются. В рассматриваемой технологической схеме в колонне для заданного режима работы конденсатора (12 Distillate component mass fraction) требуемая массовая доля пропилена (96.1%) относится к потоку c №2, а не к потоку №4

Получим содержание пропилена в дистилляте, равное 95% масс., изменяя содержание пропилена в сдувках. Для этого воспользуемся модулем CHEMCADa – Контроллером (Controller – CONT. Схема будет выглядеть следующим образом (рис.7):

Рис.7 Модифицированная схема разделения пропан пропиленовой фракции

Параметры контроллера зададим следующим образом (рис8):

Рис.8 Параметры контроллера

Контроллер в режиме (Controller Mode) обратной связи (Feed-backward) выполняет следующие функции:

– подстраивает переменную (Adjust this variable) "Спецификация конденсатора колонны" (UnitOp; ID number=1; Variable=11 Condenser spec.);

– до тех пор, пока другая переменная (Until this) "Массовая доля пропилена в потоке №4" (Stream; ID number=4; Variable=Comp Mass frac.; Component= 2 Propylene);

– не станет равной (Is equal to this target) значению-константе (Constant) 0.961.

Таким образом, контроллер пытается изменить содержание пропилена в сдувках в заданных пределах (0.95-0.97) таким образом, чтобы содержание пропилена в дистилляте стало равным 96,1% массовых.

Получаем следующие выходные данные:

Рис.9 Сдувка

Рис.10 Кубовый продукт

Рис.11 Дистилят

При ограничении на максимальную нагрузку на кипятильник и требуемом качестве пропилена в дистилляте определим минимально возможное количество тарелок в колонне. Максимально допустимые по модулю нагрузки на кипятильник и требуемое содержание пропилена в дистилляте примем равными:  нагрузка на кипятильник – 70000 МДж/час, содержание пропилена – 96.1 %масс. Поиск решения выполняется с помощью инструмента «Sensitivity study» (Анализ чувствительности).

В качестве независимой переменной выбираем номер тарелки питания: поиск оптимальной тарелки питания будем производить в интервале от 50 до 130 с шагом 10.(рис. 12)

Рис.12 Окно редактирования первой независимой переменной

В качестве независимого параметра выберем число тарелок в колонне

( рис.13):

Рис. 13 Окно редактирования второй независимой переменной

Настройка зависимых параметров будет выглядеть следующим образом (рис.14):

Рис.14 Окно редактирования зависимых переменных

В результате получаем следующее (рис.15):

Рис.15 Расчет при содержании пропилена в дистиляте 96.1% массовых

По графикам на рисунке видно, что нагрузка на кипятильник не превышает 70 000 МДж/ч при числе тарелок 136. А номер тарелки питания примем равной 74.

Вывод: в данной лабораторной работе мы смоделировали пропан–пропиленовую ректификационную колонну с парциальным конденсатором. В ходе выполнения оптимизации технологической системы мы нашли минимальное число тарелок в колонне и определили номер тарелки питания.

Список использованной литературы

1. Гартман Т.Н., Клушин Д.В. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов. Учеб. пособие для ВУЗов-М.: «Академкнига», 2006г.
2. Тугашова Л.Г. , Таирова Г.Р. Моделирование и оптимизация химико-технологических процессов с применением программы СhemCad. Лабораторный практикум.-Альметьевск: АГНИ, 2009г.
3. Закгейм А.Ю., Введение в моделирование химико-технологических процессов. 1982г.