СКАЧАТЬ:  nasha-laboratornaya-po-model-1.zip [769,64 Kb] (cкачиваний: 55)

Лабораторная работа №1

по дисциплине: «Моделирование систем»

Цель работы: исследование и проектирование химико-технологического процесса по технологической схеме стабилизации газового конденсата.

Краткая теория

Химико-технологическая система (ХТС) – это совокупность взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как одно целое аппаратов, в которых осуществляется определенная последовательность технологических операций (подготовка сырья, собственно химическое превращение, выделение целевых продуктов). Элемент ХТС – это аппарат, в котором протекает какой-либо типовой химико-технологический процесс.

Процессы химической технологии это сложные физико-химические процессы, протекающие как в пространстве, так и во времени. В них участвуют потоки энергии (тепло и холод) и многофазные и многокомпонентные потоки вещества. При разработке схемы конкретного процесса химической технологии следует, путем оптимизации, найти наилучший (по принятому критерию) вариант решения из конечного множества альтернативных. Такой путь выбора варианта схемы часто называют синтезом схем. Синтезу схем предшествует физико-химическое исследование исходной смеси, проводимое с целью выявления ограничений на получение требуемых (конечных) продуктов. Такое исследование можно назвать предсинтезом схем. Предсинтез схем позволяет в большинстве случаев как существенно снизить размерность оптимизируемого множества альтернативных вариантов, так и на самом начальном уровне отбросить нереализующиеся варианты при синтезе оптимальных схем. Еще одним этапом разработки схемы химико-технологического процесса (ХТП) является выбор оптимальных вариантов конструкции и функционирования конкретных аппаратов и узлов схемы. Разработку схемы химико-технологического процесса можно рассматривать как иерархическую задачу, разделив ее на несколько уровней иерархии. При этом результаты более низкого уровня определяют результаты на более высоком уровне, а при неоднозначности решения на более высоком уровне возможен возврат на более низкий. Каждый уровень иерархии может состоять из нескольких подуровней связанных или не связанных между собой обратными связями.

Входными переменными (параметрами) ХТС являются физические параметры входных потоков сырья или исходных продуктов, а также параметры различных физико-химических воздействий окружающей среды на процесс функционирования ХТС. Входные переменные по характеру воздействия на ХТС можно разделить на три типа. I. Неизменные входные параметры. Ими называются такие параметры, значения которых могут быть измерены, но возможность воздействия, на которые отсутствует. Значения указанных параметров не зависят от режима процесса (например, состав исходного сырья). II. Управляющие параметры. Это такие параметры, на которые можно оказывать прямое воздействие в соответствии с теми или иными требованиями, что позволяет управлять процессом (например, регулируемое давление в реакторе). III. Возмущающие параметры. Такими называются параметры, значения которых случайным образом изменяются с течением времени и которые недоступны для измерения (например, различные примеси в исходном сырье).

Выходные параметры. Под выходными понимаются параметры, величины которых определяются режимом процесса и которые характеризуют его состояние, возникающее в результате суммарного воздействия входных, управляющих и возмущающих параметров. Иногда выходные параметры называют также, параметрами состояния. Подчеркивая тем самым их назначение описывать состояние процесса.Параметрами технологического режима элементов ХТС называют совокупность основных факторов (параметров) внутри элемента (температура, давление, применение и активность катализатора, флегмовое число), которые влияют на скорость технологического процесса, выход и качество химических продуктов. [3]

Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель исходной смеси, сборники дистиллята и кубового остатка. Дефлегматор, холодильник-конденсатор и подогреватель представляют собой обычные теплообменники. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).[3]

Практическая часть

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

Рис.1. Технологическая схема процесса стабилизации газового конденсата

Входной поток – это головной нагнетательный поток из установки дегидратации и демеркаптанизации.

Задача расчета материально-теплового баланса: при заданных параметрах разделяемой смеси, спецификациях теплообменников, клапана и колонны произвести моделирующий расчет.

Проектная задача:

1. наивысшая точка росы полученного газа (поток 5) должна быть -10°С или ниже;
2. стабилизированный конденсат должен иметь мольное содержание пропана не более 1%

Исходные данные для расчета:

1. параметры потока питания:

¾              температура – 20°С;

¾              давление – 15 бар;

1. покомпонентный мольный расход питания:

¾              азот – 1500 кг/ч;

¾              метан – 33500 кг/ч;

¾              этан – 7500 кг/ч;

¾              пропан – 4500 кг/ч;

¾              изобутан – 500 кг/ч;

¾              Н-бутан – 500 кг/ч;

¾              Изопентан – 1000 кг/ч;

¾             

Н-пентан – 400 кг/ч;

¾              Н-гексан – 600кг/ч.

Создаем новый проект и называем его 1. Далее выбираем в программе систему единиц измерения. Для этого выбираем команду Engineering Units Selection меню Format. В соответствии с заданием выбираем систему единиц METRIC.

Приведенная выше технологическая схема состоит из следующих модулей-пиктограмм:

¾              питания (1);

¾              теплообменников (2, 3);

¾              испарителя (4);

¾              клапана (5);

¾              ректификационной колонны (6);

¾              продукта (8 и 9).

Выберем компоненты системы. Для этого выполним команду ThermoPhysical/Component List и выберем следующие компоненты:

¾              азот;

¾              метан;

¾              этан;

¾              пропан;

¾              изобутан;

¾              Н-бутан;

¾              Изопентан;

¾              Н-пентан;

¾              Н-гексан.

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 Типовое окно редактирования потока

Выберем параметры сходимости (рис.3).

Рис.3.  Окно настройки параметров сходимости решения «Convergence Parameters».

Введем параметры оборудования.

1. Для теплообменника №2. Выберем раздел Specifications (Спе­ци­фи­ка­ция), в поля Pressure Drops (Перепад давления) введем значение перепада давления между входом и выходом для обеих сторон теплообменника: для Stream1 (Потока 1) – 0.3 бар (bar), для Stream4 (Потока 4) – 0.3 бар (bar). В поле Vapor fraction stream 2 (Доля отгона пара потока 2) зададим точку росы равную 1.0(рис. 4).

Рис. 4.Настройка теплообменника №2

1. Для теплообменника №3. Выберем раздел Specifications (Спе­ци­фи­ка­ция), в поле Pressure Drop (Перепад давления) введем значение перепада

давления, равное 0.3 бар (bar), в поле Temperature of stream 3 (Температура потока 3) введем значение  –20.0°С (рис.5).

Рис. 5. Настройка теплообменника №3

1. В данном случае сепаратор №4 по умолчанию используется как устройство контакта фаз при температуре и давлении входного потока и в спецификации не нуждается.
2. Для клапана №5 введем значение давления на выходе, равное 9 бар.

Рис. 6. Настройка клапана

1. Для колонны №6 вводим следующие параметры: тип конденсатора – 0 полный конденсатор или нет конденсатора, давление вверху колонны – 9 бар, перепад давления в колонне – 0,3 бар, число тарелок – 12, тарелка питания – тарелка 1(рис.7), массовый расход кубовой жидкости будет равен 1000 кг/ч (рис.8).

На вкладке Сходимость установим значение температуры вверху 40°С, внизу – 120°С (рис.9).

Рис. 7. Настройка колонны (General)

Рис. 8. Настройка колонны (Specifications)

Рис. 9. Настройка колонны (Convergence)

Используя команду Run/Sensitivity Study (Счет/Исследование чувстви­тельности), исследуем влияние колебаний давления и расхода потока пи­тания на расход стабильного конденсата (поток 9) и содержание в нем про­
пана, а также расход и температуру потока 5. Проверим, удовлетворяет ли
предельный случай колебания давления и расхода потока питания заданной
точке росы потока 5.

Исходные данные:

Температуру в кипятильнике колонны установим равной 240 °С. Остальные параметры оборудования оставить без изменения.

В окне Sensitivity Analysis (Анализ чувствительности) с помощью коман­ды New Analysis (Новый анализ) зададим имя анализа – 1. Выполним команду Edit Independent Variable (Определение независимой переменной). В окне Independent Variable (Независимая переменная) вы­берем Stream (Поток), в поле Object (ГО номер объекта) введем номер потока – 1, из списка Variable выберем 2 Pressure. Установим Variable Units (Единицы измерения переменной) 4 Pressure. Для задания интерва­лов варьирования переменной анализа в поле Vary this variable from (На­чальное значение переменной) введем значение 150 psi (10.342 бар), в поле to (Конечное значение переменной) – 250 psi (17.237 бар), в поле in equal steps (С равными шагами) – 10 (рис.10).

Рис. 10. Настройка независимой переменной

Для задания второй входной переменной выполним команду Edit inde­pendent Parameter (Optional) (Определение независимого параметра (Произвольного)). В окне Independent Parameter (2nd Independent Variable) (Независимый параметр (2-ая независимая переменная)) вы­берем Stream (Поток), в поле Object ГО (ГО номер объекта) введем номер потока - 1, из списка Variable выберем 5 Total mole rate (Полный мольный расход). Установим Variable Units (Единицы измерения переменной) 1 Mole Rate (Мольный расход). Для задания интервалов варьирования пере­менной анализа в поле Vary this variable from (Начальное значение пере­менной) ввести значение 4000, в поле to (Конечное значение переменной) – 6000, в поле in equal steps (С равными шагами) – 10 (рис.11).

Рис.11. Настройка второй независимой переменной

Для задания выходных переменных выполнить команду Edit Recorded Variables (Определение перечня зависимых переменных). В качестве Dependent Variable 1 (Зависимой переменной 1) используем Stream (Поток), в поле Object ГО введем номер потока – 9. В списке Variable (Пе­ременная) выберем Comp mole rate (Мольный расход компонента), в спи­ске Соmр (Компонент) – пропан. В списке Variable units – 1 Mole rate. В качестве Dependent Variable 2 (Зависимой переменной 2) используем Stream (Поток), в поле Object введем номер потока – 5. В списке Variable (Переменная) выберем 1 Temperature, а в списке Variable units – 2 Temperature (рис. 12).

В процессе расчета получили следующие графики:

Рис. 12. Настройка зависимых переменных

Проделав данные настройки, сохраним окна нажатием клавиши ОК.

После сохранения настроек нажимаем на клавишу Run All, которая запускает программу на расчет. После этого нажимаем на клавишу Plot Results,  для того чтобы вывести графики. Меню исследования чувствительности представлено на рис. 13.

Рис. 13. Sensitivity Analysis

После расчета получим следующие графики.

Рис. 4. Зависимость расхода пропана от давления

Рис. 5. Зависимость расхода пропана от температуры

Рис. 6. Зависимость давления от температуры

Из данных рисунков мы видим, что с увеличением температуры мольный расход пропана увеличивается, а с повышением давления, наоборот, уменьшается.

Мольная доля пропана при этом не превышает 1%.

CHEMCAD 5.2.0                                                        Page 1

Job Name: 1 наша   Date: 05/18/2011  Time: 18:16:10

Stream No.                      9

Stream Name                      

Temp  C                  119.9993

Pres  bar                  9.3000

Enth  MJ/h                -2292.0

Vapor mole fraction       0.00000

Total kmol/h              14.0543

Total kg/h              1065.2471

Total std L m3/h           1.6746

Total std V m3/h           315.01

Flowrates in kg/h

Nitrogen                   0.0000

Methane                    0.0000

Ethane                     0.0000

Propane                    0.1133

I-Butane                  24.8053

N-Butane                  68.6490

I-Pentane                359.7594

N-Pentane                158.1664

N-Hexane                 453.7537

Применение контроллеров

1. Давление после вентиля должно быть прямопропорционально давлению потока №1. Коэффициент пропорциональности равен 0.8.

Перед вентилем №5  установим контроллер №9. Настройку контроллера произведем следующим образом (рис.7)

Рис.7. Настройка контроллера №9

Сравним значение давления после вентиля №5 с давлением потока:

CHEMCAD 5.2.0                                                        Page 1

Job Name: 1 наша   Date: 05/18/2011  Time: 19:07:43

Stream No.                      1             7

Stream Name                                    

Temp  C                   25.0000*     -19.8992

Pres  bar                 15.0000*      12.0000

Enth  MJ/h           -1.8361E+005       -5367.2

Vapor mole fraction        1.0000*   0.00035006

Total kmol/h            2386.9127       33.2258

Total kg/h             47047.1853     2047.3948

Total std L m3/h         139.5817        3.5241

Total std V m3/h         53499.42        744.71

Flowrates in kg/h

Methane                31521.6115        0.7877

Ethane                  7057.0782      113.4760

Propane                 4234.2467      334.9476

I-Butane                 470.4719      101.7526

N-Butane                 470.4719      145.6173

I-Pentane                940.9437      568.3364

N-Hexane                 564.5662      519.2299

Nitrogen                1411.4154        0.0103

N-Pentane                376.3775      263.2370

Контроллер работает правильно, т.к.  давление после вентиля №5 составляет 12 бар (15*0.8).

1. Найти  значение входного потока №1, чтобы расход потока №5 составлял 45000 кг/ч.

Вставим в поток №5 контроллер №7 и выполним его настройку следующим образом:

Рис.8. Контроллер №7

Проверим правильность настройки контроллера. Сравним потоки №1 и №5.

CHEMCAD 5.2.0                                                        Page 1

Job Name: 1 наша   Date: 05/18/2011  Time: 19:35:24

Stream No.                      1             5

Stream Name                                    

Temp  C                   25.0000*      -0.6259

Pres  bar                 15.0000*      14.1000

Enth  MJ/h           -1.8361E+005  -1.8155E+005

Vapor mole fraction        1.0000*       1.0000

Total kmol/h            2386.9127     2353.6906

Total kg/h             47047.1853    45000.0096

Total std L m3/h         139.5817      136.0579

Total std V m3/h         53499.42      52754.79

Flowrates in kg/h

Methane                31521.6115    31520.8284

Ethane                  7057.0782     6943.6026

Propane                 4234.2467     3899.2979

I-Butane                 470.4719      368.7190

N-Butane                 470.4719      324.8543

I-Pentane                940.9437      372.6059

N-Hexane                 564.5662       45.3351

Nitrogen                1411.4154     1411.4053

N-Pentane                376.3775      113.1399

Чтобы поток №5 составлял 45000 кг/ч расход потока № 1 должен быть равен 47047.2 кг/ч.

1. Добавить в схему технологическую линию подачи индикаторного газа в поток осушенного газа №5.

Исходные данные:

¾   Индикаторный газ – этилмеркаптан;

¾   Температура – 20 °С;

¾   Давление – 20 бар;

¾   Расход – 20 кг/ч.

Установить содержание индикаторного газа в потоке №5 равным 5 ппм.

Добавим в список компонентов этилмеркаптан, нарисуем дополнительную технологическую линию №11. Объединение потоков осуществим с помощью смесителя №1 (рис.10).

В поток после контроллера №7 вставим контроллер №8 и настроим его следующим образом:

Рис.9. Контроллер №8

Выполним расчет схемы и проверим содержание этилмеркаптана в потоке №5.

CHEMCAD 5.2.0                                                        Page 1

Job Name: 1 наша   Date: 05/18/2011  Time: 20:01:06

Stream No.                      5

Stream Name                      

Temp  C                   -0.6259

Pres  bar                 14.1000

Enth  MJ/h           -1.8155E+005

Vapor mole fraction        1.0000

Total kmol/h            2353.6906

Total kg/h             45000.0096

Total std L m3/h         136.0579

Total std V m3/h         52754.79

Flowrates in kg/h

Methane                31520.8284

Ethane                  6943.6026

Propane                 3899.2979

I-Butane                 368.7190

N-Butane                 324.8543

I-Pentane                372.6059

N-Hexane                  45.3351

Nitrogen                1411.4053

N-Pentane                113.1399

Ethyl Mercaptan            0.2249

Содержание этилмеркаптана в потоке №5 составляет 5ппм, т.е. 0.000005 от общего потока (45000*0.000005=0.225).

Рис. 10. Технологическая схема с контроллерами

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.