СКАЧАТЬ:  otchet-po-kolonne.zip [579,34 Kb] (cкачиваний: 98)

Теоретическая часть

Для  разделения нефти на фракции, отличающиеся пределами температуры кипения, применяется процесс ректификации. Ректификацию многокомпонентных смесей, к  которым относится и нефть,  проводят в колонных аппаратах, осуществляя многократный контакт между потоками жидкой и паровой фаз. Движущая сила ректификации - разность между фактическими и равновесными  концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающими данному составу жидкой фазы. Парожидкостная система  стремится к равновесию, в результате чего пар обогащается  низкокипящими, а жидкость -  высококипящими компонентами.

Процесс ректификации по аппаратурному оформлению и условиям проведения достаточно многообразен. Наибольшее распространение получили ректификационные колонны: тарельчатые (клапанные, сетчатые, колпачковые и т.д.) и насадочные. В зависимости от характеристики исходного сырья процесс ректификации можно проводить под атмосферным давлением, избыточным давлением, вакуумом. Разделение нефти на фракции путем перегонки (дистилляции) основано на различии температур кипения ее компонентов. При нагревании компоненты с более низкой температурой кипения переходят в пары, а компоненты с высокой температурой кипения остаются в жидкости. Пары после конденсации образуют дистиллят, неиспарившаяся жидкость - остаток. Такой процесс называется простой перегонкой. Для более четкого разделения сложной смеси, каковой является нефть, применяют перегонку с ректификацией.

Процесс ректификации проводится в ректификационных колоннах при взаимодействии на тарелках двух встречных потоков: газового - снизу вверх и жидкостного - сверху вниз. В среднюю часть колонны (зона эвапорации) вводится сырье. Выше ввода сырья находится концентрационная зона колонны, а ниже - отгонная зона. С верха концентрационной части колонны получают продукт необходимой чистоты - ректификат, а с низа отгонной части - остаток. Для работы ректификационной колонны необходимо, чтобы с тарелки на тарелку непрерывно стекала орошающая жидкость - флегма. Она образуется за счет возвращения в колонну части готового продукта, называемого орошением. Изменением подачи флегмы регулируется температура верха колонны, тем самым определяется качество получаемого дистиллята. 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.

Цель работы: смоделировать процесс разделения близко кипящих смесей в ректификационной колонне с парциальным конденсатором и выполнить оптимизацию полученной технологической системы с использованием встроенных инструментов CHEMCAD.

Порядок работы:

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.

Схема разделения пропан–пропиленовой фракции выглядит следующим образом:

В качестве входных данных потока питания (1) были выбраны следующие параметры:

• температура  – 40 ºС
• давление – 17 бар                  
• компонентный состав и их расход:                            

ü Этан – 10 кг/час

ü Пропилен  – 10500 кг/час

ü Пропан –  4400 кг/час

ü н-Бутан –  90 кг/час

Спецификация колонны:

рис.1 Задаем тип конденсатора

Модуль колонны:                                                                 –         SCDS column

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.

При заданных параметрах разделяемой смеси, спецификации колонны, требуемом качестве разделения подберём оптимальную тарелку питания, при которой нагрузка на кипятильник является минимальной.

Рекомендуется производить поиск оптимальной тарелки питания в интервале тарелок [25;125] с помощью инструмента «Sensitivity study» (Анализ чувствительности). Для  ускорения процесса расчета рекомендуется разбить интервал на 10 участков.

Далее, сузив интервал поиска до 10-20 тарелок, уточним результат поиска. Произведём расчет колонны с оптимальной тарелкой питания.

Выяснили, что самой оптимальной тарелкой будет тарелка №73.

Задание 2 .  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,

а затем зададим режим и численное значение выбранного режима на вкладке Specifications параметров колонны:

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:

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 (95%) 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:

Параметры контроллера зададим следующим образом:

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) 0.95.

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 95% массовых.

Получаем следующие выходные данные:

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 – 90000 МДж/час, содержание пропилена – 95,3 % 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 75 до 85 с шагом 10.

В качестве независимого параметра выберем число тарелок в колонне:

Настройка зависимых параметров будет выглядеть следующим образом:

В результате получаем следующее:

По графикам на рисунке видно, что нагрузка на кипятильник не превышает 90 000 МДж/ч при числе тарелок 126. А номер тарелки питания примем равной  75  .

        *   Net Flows   *

      Temp    Pres     Liquid     Vapor     

Stg     C     bar      kmol/h     kmol/h           

  1   36.8    15.50    3214.41                            

  2   39.6    16.50    3302.04    3473.68                     

  3   39.7    16.51    3302.90    3561.31                     

  4   39.8    16.52    3303.74    3562.17                     

  5   39.8    16.53    3304.43    3563.01                     

  6   39.9    16.54    3305.19    3563.70                     

  7   40.0    16.55    3306.00    3564.47                     

  8   40.0    16.56    3306.72    3565.27                     

  9   40.1    16.57    3307.40    3565.99                     

 10   40.1    16.58    3308.23    3566.67                     

 11   40.2    16.59    3308.88    3567.50                     

 12   40.3    16.60    3309.67    3568.15                     

 13   40.3    16.61    3310.40    3568.94                     

 14   40.4    16.62    3311.15    3569.68                     

 15   40.5    16.63    3311.89    3570.42                     

 16   40.5    16.64    3312.61    3571.16                     

 17   40.6    16.65    3313.37    3571.88                     

 18   40.7    16.66    3314.08    3572.64                     

 19   40.7    16.67    3314.97    3573.35                     

 20   40.8    16.68    3315.67    3574.24                     

 21   40.9    16.69    3316.46    3574.94                     

 22   40.9    16.70    3317.22    3575.73                     

 23   41.0    16.71    3317.93    3576.50                     

 24   41.1    16.72    3318.82    3577.20                     

 25   41.2    16.73    3319.52    3578.09                     

 26   41.2    16.74    3320.28    3578.79                     

 27   41.3    16.75    3321.11    3579.55                     

 28   41.4    16.76    3321.96    3580.38                     

 29   41.4    16.77    3322.64    3581.24                     

 30   41.5    16.78    3323.39    3581.92                     

 31   41.6    16.79    3324.19    3582.66                     

 32   41.7    16.80    3325.06    3583.46                     

 33   41.7    16.81    3325.75    3584.34                     

 34   41.8    16.82    3326.64    3585.03                     

 35   41.9    16.83    3327.46    3585.91                     

 36   42.0    16.84    3328.25    3586.73                     

 37   42.0    16.85    3329.06    3587.52                     

 38   42.1    16.86    3329.82    3588.33                     

 39   42.2    16.88    3330.68    3589.09                     

 40   42.2    16.89    3331.45    3589.96                     

 41   42.3    16.90    3332.23    3590.72                     

 42   42.4    16.91    3333.11    3591.50                     

 43   42.5    16.92    3333.93    3592.38                     

 44   42.5    16.93    3334.74    3593.20                     

 45   42.6    16.94    3335.55    3594.01                     

 46   42.7    16.95    3336.32    3594.82                     

 47   42.8    16.96    3337.17    3595.59                     

 48   42.8    16.97    3338.20    3596.44                     

 49   42.9    16.98    3338.82    3597.47                     

 50   43.0    16.99    3339.53    3598.09                     

 51   43.0    17.00    3340.47    3598.80                     

 52   43.1    17.01    3341.30    3599.74                     

 53   43.2    17.02    3342.16    3600.57                     

 54   43.2    17.03    3342.98    3601.44                     

 55   43.3    17.04    3343.82    3602.25                     

 56   43.4    17.05    3344.74    3603.10                     

 57   43.4    17.06    3345.52    3604.01                     

 58   43.5    17.07    3346.34    3604.79                     

 59   43.6    17.08    3347.20    3605.61                     

 60   43.6    17.09    3347.95    3606.47                     

 61   43.7    17.10    3348.75    3607.22                     

 62   43.7    17.11    3349.58    3608.02                     

 63   43.8    17.12    3350.49    3608.85                     

 64   43.9    17.13    3351.42    3609.76                     

 65   43.9    17.14    3352.08    3610.70                     

 66   44.0    17.15    3352.99    3611.35                     

 67   44.0    17.16    3353.89    3612.26                     

 68   44.1    17.17    3354.59    3613.16                     

 69   44.2    17.18    3355.47    3613.86                     

 70   44.2    17.19    3356.40    3614.74                     

 71   44.3    17.20    3357.18    3615.67                     

 72   44.3    17.21    3357.97    3616.45                     

 73   44.4    17.22    3358.80    3617.24                     

 74   44.4    17.23    3359.47    3618.07                     

 75   44.5    17.24    3360.46    3618.74                     

 76   44.5    17.25    3361.20    3619.73                     

 77   44.6    17.26    3362.08    3620.48                     

 78   44.6    17.27    3362.81    3621.35                     

 79   44.7    17.28    3363.75    3622.08                     

 80   44.7    17.29    3364.43    3623.03                     

 81   44.8    17.30    3365.34    3623.70                     

 82   44.8    17.31    3366.12    3624.62                     

 83   44.9    17.32    3366.63    3625.39                     

 84   44.9    17.33    3368.67    3625.90                     

 85   44.9    17.34    3735.50    3627.95    

 86   45.0    17.35    3736.77    3643.59                     

 87   45.2    17.36    3737.86    3644.86                     

 88   45.3    17.37    3739.14    3645.95                     

 89   45.4    17.38    3740.61    3647.23                     

 90   45.5    17.39    3741.90    3648.70                     

 91   45.6    17.40    3743.09    3649.99                     

 92   45.8    17.41    3744.65    3651.18                     

 93   45.9    17.42    3745.94    3652.74                     

 94   46.0    17.43    3747.19    3654.03                     

 95   46.1    17.44    3748.61    3655.28                     

 96   46.3    17.45    3750.17    3656.70                     

 97   46.4    17.46    3751.48    3658.26                     

 98   46.5    17.47    3752.78    3659.57                     

 99   46.7    17.48    3754.36    3660.87                     

100   46.8    17.49    3755.82    3662.45                     

101   46.9    17.50    3757.13    3663.91                     

102   47.1    17.51    3758.75    3665.22                     

103   47.2    17.52    3760.17    3666.84                     

104   47.3    17.53    3761.83    3668.26                     

105   47.5    17.54    3763.24    3669.92                     

106   47.6    17.55    3764.69    3671.33                     

107   47.7    17.56    3766.22    3672.78                     

108   47.8    17.57    3767.78    3674.31                     

109   48.0    17.58    3769.31    3675.87                     

110   48.1    17.59    3770.71    3677.40                     

111   48.2    17.60    3772.22    3678.80                     

112   48.3    17.61    3773.80    3680.31                     

113   48.5    17.63    3775.43    3681.89                     

114   48.6    17.64    3776.70    3683.52                     

115   48.7    17.65    3778.26    3684.79                     

116   48.8    17.66    3779.82    3686.35                     

117   48.9    17.67    3781.13    3687.91                     

118   49.0    17.68    3782.80    3689.22                     

119   49.1    17.69    3784.18    3690.89                     

120   49.2    17.70    3785.66    3692.27                     

121   49.3    17.71    3786.87    3693.75                     

122   49.4    17.72    3788.51    3694.96                     

123   49.5    17.73    3789.83    3696.60                     

124   49.6    17.74    3791.32    3697.92                     

125   49.7    17.75    3792.74    3699.41                     

126   49.8    17.76    3794.09    3700.83                     

127   49.9    17.77    3795.46    3702.17                     

128   50.0    17.78    3796.69    3703.55                     

129   50.1    17.79    3798.09    3704.78                     

130   50.2    17.80    3799.52    3706.18                     

131   50.2    17.81    3800.91    3707.61                     

132   50.3    17.82    3802.19    3709.00                     

133   50.4    17.83    3803.43    3710.28                     

134   50.5    17.84    3804.78    3711.52                     

135   50.5    17.85    3806.22    3712.87                     

136   50.6    17.86    3807.29    3714.31                     

137   50.7    17.87    3808.54    3715.38                     

138   50.7    17.88    3809.49    3716.63                     

139   50.8    17.89    3810.86    3717.58                     

140   50.8    17.90    3812.03    3718.95                     

141   50.9    17.91    3813.04    3720.12                     

142   51.0    17.92    3813.90    3721.12                     

143   51.0    17.93    3814.92    3721.98                     

144   51.1    17.94    3815.81    3723.01                     

145   51.2    17.95    3816.33    3723.89                     

146   51.2    17.96    3816.68    3724.42                     

147   51.3    17.97    3815.89    3724.77                     

148   51.4    17.98    3814.62    3723.98                     

149   51.6    17.99    3805.34    3722.71                     

150   52.0    18.00               3713.43                

Mole Reflux ratio      314.471

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.

Лабораторная работа №1

по дисциплине «Моделирование систем»

На тему: «Моделирование пропан-пропиленовой ректификационной колонны»