Моделирование ректификационных колонн химических производств Моделирование колонн бинарной ректификации

Для моделирования колонны ректификации смеси бензол-толуол «классичесим» методом использована обновленная программа [1]. Исходные данные для расчетов выбранной «модельной» смеси представлены в табл. 5.1. Обобщенные результаты моделирования приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1 Результаты моделирования колонны ректификации смеси бензол - толуол

Тип тарелок

D колонны, м

Н колонны, м

V КОЛОННЫ, MJ

колпачковые

1,4

16,798

25,859

клапанные

1,4

16,298

25,089

из S-образных элементов

1,4

16,798

25,859

ситчатые с переливами

1,4

17,798

27,398

решетчатые провальные

1,4

19,798

30,477

Анализ полученных результатов моделирования показывает, что по критерию минимального объема колонны (капитальные затраты) предпочтительным является аппарат с клапанными тарелками (в таблице выделен серым цветом), который и следует принять к практической реализации.

В качестве объекта расчетно-теоретического исследования процесса ректификации «равновесным» методом использована колонна для разделения смеси вода - уксусная кислота [2], которая широко применяется в химической технологии.

Исходные данные. Блок исходных данных сформирован на основе анализа показателей работы промышленной ректификационной колонны производства товарной уксусной кислоты и приведен в табл. 6.2.

Рассматриваемая колонна предназначена для «осушки» уксусной кислоты. Задачей разделения является как можно более тщательное удаление воды из уксусной кислоты в кубе колонны, то есть XR —> 0.

Задача удалить уксусную кислоту из паров дистиллята не ставится, поскольку продукт верха колонны, содержащий по массе до 50% уксусной кислоты, возвращается в зону реакции.

Таблица 6.2

Исходные данные к технологическому расчету колонны

Наименование показателя

Размерность

Обозначение

Значение

Массовый расход сырья

кг/ч

L

32000

Доля отгона сырья массовая

%

е

>4

Массовая доля воды в сырье

%

xL

15

Давление в секции питания

МПа

Pl

0,26

Массовая доля воды в остатке

%

xR

0,1

Массовая доля воды в дистилляте

%

Yd

50

В соответствии с технологической схемой критерием правильности работы колонны являются следующие ограничения: массовая доля воды в остатке не должна превышать 0,1 %, а в парах дистиллята - не опускаться ниже 50 %.

Физико-химические свойства компонентов сырья приняты по данным справочной базы (Приложение А) и представлены в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Физико-химические свойства воды и уксусной кислоты

Наименование свойства

Обозначение

Вода

Уксусная кислота

Мольная масса, кг/кмоль

М

18,02

60,05

Температура кипения, °C

t

100

117,9

Критическая температура, К

Ткр

647,4

594,4

Критическое давление, МПа

Р«р

22,05

5,79

Критическая плотность, кг/м3

Ркр

325

351

Фактор ацентричности

СО

0,344

0,454

Коэффициенты уравнения идеально-газовой теплоемкости

С° , ккал/(кмоль-К)

А В С D

7,701 4,595-W4 2,52 ЫО"6 -0,859-10’9

1,156 6,087-10’2 -4,187-10’5 1,182-Ю’8

Для дальнейших расчетов с использованием моделей ректификации необходимо заданный массовый расход исходного сырья и его состав пересчитать в мольный. Результаты расчетов дают:

Мольный расход сырья, кмоль/ч L = 720.

Мольный состав сырья, доля НКК Xl = 0,3703.

Предварительные расчеты. Для использования «равновесной» модели ректификации наилучшие стартовые условия обеспечивают предварительные расчеты показателей процесса по «классической» модели (см. главу 5). Поэтому для исследуемой смеси были проведены соответствующие расчеты, результаты которых представлены в табл. 6.4-6.8.

Показатели материального баланса колонны

Таблица 6.4

Наименование потока

Количество кмоль/ч

Состав, мольн. доли НКК

Приход:

Сырье, L

720

0,3703

Расход:

Дистиллят, D

345

0,7692

Остаток, R

375

0,0033

Режимные параметры колонны

Таблица 6.5

Наименование узла

Давление Р, МПа

Температура, t, °C

Фазовое состояние

Состав, мольн. доли НКК

Верх колонны

0,251

135

пар

0,7692

Секция питания

0,26

142

пар+ жидкость

  • 0,5133
  • 0,3628

Низ колонны

0,268

153

жидкость

0,0033

Таблица 6.6

Показатели ректификации

Наименование показателя

Величина

Доля отбора сырья D/L

0,4792

Доля отгона сырья е

0,05

Флегмовое число:

минимальное rmin

1,669

рабочее гр

2,643

Паровое число:

рабочее Sp

3,258

Средний коэффициент относительной летучести а в колонне

1,853

Таблица 6.7

Показатели материального баланса питательной секции:

PL = 0,268 МПаТь= 153°С

Наименование потока

Фазовое состояние

Расход, кмоль/ч

Состав, мольн. доли НКК

Сырье Vc, Yc

пар

36

0,5133

жидк.

684

0,3628

Расчет показателей ректификации по «равновесной» модели позволяет получить набор параметров, которые будут описывать рассчитанную колонну с технологической точки зрения.

Таблица 6.8

Число тарелок: Тип ректификации -при атмосферном и повышенном давлениях

Наименование показателя

Концентрационная секция

Отгонная секция

Число тарелок теоретических NTT

6

15

Указанными выше параметрами являются:

  • - давление на тарелках колонны;
  • - температура на тарелках колонны;
  • - состав фаз после контакта на тарелках колонны;
  • - гидравлическое сопротивление тарелок;
  • - доля уноса жидкости с тарелок;
  • - эффективность тарелок.

Поскольку расчет проводится автоматически с помощью ЭВМ, то имеется возможность получения набора приведенных выше параметров. Особенностью алгоритма расчета является то, что эти параметры могут быть получены при различных сочетаниях четырех величин, описывающих движущую силу колонны: rp, Sp, Nk, Nq. Таким образом, можно подобрать необходимое сочетание этих величин, при котором технологические показатели оказываются оптимальными для конкретной решаемой задачи. Для данной работы в качестве критерия оптимальности была выбрана эффективность тарелок по Мерфри (см. главу 4).

Следует отметить, что теоретически при расчете по алгоритму «равновесной» модели возможно изменение управляющих параметров практически в любых пределах. Однако, как показали предварительные исследования работоспособности алгоритма, такой широкий интервал варьирования не оправдывает себя. Наиболее подходящие решения получаются при сочетаниях величин гр, Sp, Nk, Nq, близких к рассчитанным по «классической» методике (см. табл. 6.6, 6.8).

Реализация алгоритма накладывает ряд определенных требований. Одним из них является задание диаметра колонны и расстояния между тарелками до проведения технологического расчета. Это необходимо для определения гидравлического сопротивления тарелок, доли уноса, эффективности тарелок.

В связи с этим после проведения технологического расчета осуществляется проверка на допустимость принятого диаметра для колонны. В случае невыполнения ряда условий (слишком высокая доля уноса, провал, либо захлебывание жидкости на тарелках, несоответствие диаметра тарелок жидкостной нагрузке, слишком большая скорость пара в колонне) данный вариант расчета исключается из сравнительного анализа. Вариант колонны исключается из рассмот рения также, если ее разделительная способность не удовлетворяет заданию на проектирование.

Задание области исследования модели колонны. Поскольку тарелки в колонне работают с эффективностью менее единицы, то необходимо пересчитать числа тарелок в секциях. Примем среднюю эффективность тарелок (к.п.д.) 0,7.

Тогда

Nk*=B=v=8,57; (61)

No* = 07 = 0J = 25- (6.2)

Поскольку число тарелок не может быть дробным, то значение NK* округляется в большую сторону:

NK* = 9.

Паровое число связано с флегмовым через материальный баланс, а материальный баланс для бинарной смеси можно связать с долей воды через соотношение:

Drp + L (1 - е) = R (Sp + 1); (6.3)

LXl = DYd + RXr; (6.4)

R = L-D. (6.5)

Преобразовывая эти зависимости, получим:

с XL-XR XL-XR + e(XR-YD)

Sp YD-XRrp+ Yd-Xl ' (6'6)

Подставим заданную техническим заданием долю воды:

0,3703 - 0,0033 0,3703 - 0,0033 + 0,05*(0,0033 - 0,7692)

Sp“ 0,7692-0,0033 Гр + 0,7692-0,3703 ’

Sp = 0,920гр + 0,824.

Зададим интервал варьирования факторов модели (значений гр, NK и No) в размере 30 % от рассчитанных:

Q [NK] = 9±30% =[9х(1 - 0,3); 9*(1 + 0,3)] = [6,3; 11,7] = [6; 12];

Q [No] = 25±30% =[25х(1 - 0,3); 25х(1 + 0,3)] = [17,5; 32,5] = [17; 33];

Q [Rp] = 2,643±30%=[2,643х(1 -0,3); 2,643х(1 + 0,3)] = [1,895; 3,436].

Проведенные исследования показали, что можно получить приемлемые результаты для следующих диаметров колонны: DK = 2,0 м, Do = 2,2 м и DK = 2,4 м, Do = 2,8 м. Расстояние между тарелками во всех случаях равно Нт =0,8 м.

Поскольку среда в колонне является агрессивной, особенно в кубе (почти 100 % уксусная кислота), то использование тарелок со сложной конструкцией нежелательно, так как в первую очередь будут подвержены разрушению именно тонкие детали, например, нитки резьбы на креплениях колпачков, лапки клапанов, различные направляющие движущихся частей. Поэтому примем к рассмотрению два типа тарелок — ситчатые переливные (используются в аналоге объекта) и решетчатые провальные. Применение решетчатых провальных тарелок оправдано тем, что они в среднем имеют более высокий КПД, чем ситчатые, хотя и работают в более узком диапазоне паровой нагрузки (см. рис. 4.1).

Проведение исследований. В результате модельных исследований на ЭВМ получено около 300 вариантов реализации процесса ректификации в колонне осушки. Ниже приводится часть полученных результатов, ранжированных по убыванию общей эффективности тарелок по Мерфри (табл. 6.9.)

Таблица 6.9 Результаты технологического расчета

NK

[No]

1________гр________1

YD

XR

1 ЕмДК)

1 EMy(O)

1 EMv

Dk = 2,0 м, Do = 2,2, в КС - ситчатые, в ОС - ситчатые

10

30

2,36

2,9945

0,5050

0,0003

0,5687

0,8304

0,7650

9

27

2,36

2,9945

0,5032

0,0006

0,5720

0,8292

0,7649

9

29

2,28

2,9209

0,5037

0,0005

0,5762

0,8234

0,7649

10

30

2,34

2,9761

0,5049

0,0003

0,5698

0,8296

0,7646

9

27

2,32

2,9577

0,5027

0,0007

0,5740

0,8267

0,7635

10

30

2,30

2,9393

0,5047

0,0003

0,5718

0,8271

0,7632

DK = 2,0 м, Do = 2,2, в КС - ситчатые, в ОС - решетчатые

9

30

2,28

2,9209

0,5052

0,0002

0,7440

0,8287

0,8091

9

29

2,26

2,9025

0,5048

0,0003

0,7491

0,8272

0,8087

9

29

2,30

2,9393

0,5050

0,0003

0,7382

0,8298

0,8081

9

28

2,30

2,9393

0,5046

0,0003

0,7380

0,8297

0,8074

9

27

2,30

2,9393

0,5041

0,0004

0,7377

0,8297

0,8067

DK = 2,4 м, Do = 2,8, в КС - решетчатые, в ОС - ситчатые

12

25

3,0200

3,6017

0,5013

0,0010

0,6019

0,6326

0,6226

12

25

3,0400

3,6201

0,5013

0,0010

0,6011

0,6315

0,6216

12

25

3,0600

3,6385

0,5014

0,0010

0,6004

0,6304

0,6207

12

25

3,0800

3,6569

0,5015

0,0010

0,5997

0,6293

0,6197

12

25

3,3800

3,9329

0,5021

0,0008

0,5884

0,6133

0,6052

DK = 2,4 м, Do = 2,8, в КС - решетчатые, в ОС - решетчатые

12

25

2,9000

3,4913

0,5020

0,0008

0,8066

0,6355

0,6910

12

25

2,9200

3,5097

0,5021

0,0008

0,8066

0,6343

0,6902

12

25

2,9400

3,5281

0,5022

0,0008

0,8063

0,6332

0,6893

12

24

3,0000

3,5833

0,5005

0,0010

0,8042

0,6306

0,6884

12

25

2,9600

3,5465

0,5023

0,0008

0,8058

0,6320

0,6884

Анализ полученных результатов. Как видно из таблицы, при диаметрах секций 2,4 и 2,8 м нет ни одного подходящего варианта с решетчатыми тарелками в отгонной секции, что сказывается на эффективности тарелок в колонне в целом. Наиболее подходящим оказывается сочетание диметров секций DK = 2,0 и Do = 2,2 м. Рассмотрим это подмножество решений более подробно.

Большое число полученных данных делает затруднительным представление и их анализ в табличной форме. Поэтому представим эти данные в графической форме на рис. 6.1-6.3.

Флегмовое число Rp

Рис. 6.1. Эффективность тарелок по Мерфри в отгонной секции колонны

  • 0,84 -i
  • s 0,835 -?X
  • ?S"

J 0,83 -

о

* 0,825 -о

« 0,82 -

g 0,815 -oo

s

В 0,81 -

•©<

n 0,805 -

  • 0,8 +-
  • 2,1
  • 2,15 2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5

Флегмовое число Rp

  • 0,82 -1
  • 0,81 -

_= °’8

J 0,79 -

  • S 0,78 -
  • S 0,77

s

? 0,76 -

V

  • 0,74 -
  • 0,73 —
  • 2,1

Рис. 6.2. Эффективность тарелок по Мерфри в концентрационной секции колонны

2,15 2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5

Флегмовое число Rp

Рис. 6.3. Эффективность тарелок по Мерфри в целом по колонне

133

Как видно из рисунков, эффективность решетчатых тарелок в отгонной секции оказывается выше, чем ситчатых. Разница составляет около 0,15 единиц. Это значительным образом сказывается на работе всей колонны в целом. Так, сочетание ситчатых тарелок для концентрационной секции и решетчатых для отгонной оказывается эффективней на 0,05, по сравнению с вариантом установки одних ситчатых тарелок.

Хотя величина повышения эффективности незначительная, установка провальных решетчатых тарелок более предпочтительна, чем переливных ситчатых, потому что провальные тарелки проще по конструкции и дешевле в первую очередь из-за отсутствия самого переливного устройства.

Отмеченный фактор увеличивает полезную площадь тарелки. Кроме того, увеличение эффективности тарелок в отгонной секции позволяет сократить количество горячего орошения, что, в свою очередь сокращает расход пара на горячее орошение колонны.

Результаты технологического расчета. В результате проведенного анализа был выбран вариант колонны, отмеченный серым цветом в табл. 6.9.

Для более стабильной работы колонны необходимо увеличить число тарелок. Поскольку колонна предназначена для получения концентрированной уксусной кислоты в кубе, то увеличим число тарелок в отгонной секции на 3, а в концентрационной - на 1. Принятые характеристики колонны приведены в табл. 6.10.

Таблица 6.10 Принятые характеристики колонны

Наименование параметра

Значение

Число тарелок в концентрационной секции

10

Число тарелок в отгонной секции

30

Флегмовое число

2,30

Паровое число

2,94

Диаметр концентрационной секции, м

2,0

Диаметр отгонной секции, м

2,2

Тип тарелок в концентрационной секции

ситчатые

Тип тарелок в отгонной секции

решетчатые

Расстояние между тарелками в концентрационной секции, м

0,8

Расстояние между тарелками в отгонной секции, м

0,8

Доля воды в дистилляте (массовая)

0,5041

Доля воды в остатке (массовая)

0,0004

Сравнение оптимальных параметров колонны с рассчитанными по «классической» методике приведено в табл. 6.11.

Таблица 6.11

Сравнение оптимальных параметров колонны с рассчитанными по «классической» методике

Наименование параметра

Оптимальное

Рассчитанное «классической» методике

Отличие

Число тарелок в КС

9

9

0%

Число тарелок в ОС

27

25

+7,4%

Флегмовое число

2,30

2.643

-14,9%

Паровое число

2,94

3,26

-10,9%

Как видно из приведенной таблицы, оптимальными оказались значения чисел, определяющих разделительную способность колонны, практически равные рассчитанным по «классической» методике. Это позволяет сделать заключение о том, что используемая до сих пор «классическая» методика расчета ректификационной колонны достаточно точна и не исчерпала своих возможностей.

Использование «равновесного» алгоритма для моделирования ректификационной колонны оправдано в тех случаях, когда требуется найти оптимальное сочетание показателей, определяющих работу колонны в целом.

Из приведенного сравнения (табл. 6.11) видно, что принятый интервал варьирования факторов, равный 30 %, оказывается более чем достаточным для поиска оптимального варианта работы колонны.

Более подробные результаты моделирования приведены в табл. 6.12-6.16.

Критерием правильности ранее выбранного диаметра колонны является его соответствие расчетным значениям. Для концентрационной секции принятый диаметр равен 2000 мм, для отгонной 2200 мм. Результаты расчетов диаметра колоны для характерных сечений показали, что расчетные диаметры не превышают принятых ранее для секций.

Таблица 6.12 Режимные параметры колонны

Составы основных потоков колонны

Наименование параметра

Концентрационная секция

Питательная секция

Отгонная секция

Давление

0,257 МПа (вверху)

0,260 МПа

0,265 МПа (внизу)

Температура

136 °C (вверху)

142 °C

158 °C (внизу)

Нагрузка по пару

«1150 кмоль/ч

«1100 кмоль/ч

Нагрузка по жидкости

«800 кмоль/ч

« 1500 кмоль/ч

Таблица 6.13

Материальный баланс колонны

Компонент

Массовый баланс, кг/ч

Мольный баланс, кмоль/ч

L

D

R

L

D

R

Вода

4800

4791

9

266,4

265,9

0,5

Уксусная кислота

27200

4713

22847

453,0

78,5

374,5

Всего

32000

9504

22496

719,4

344,4

375,0

Таблица 6.14

Компонент

Массовая доля

Мольная доля

L

D

R

L

D

R

Вода

0,1500

0,5041

0,0004

0,3703

0,7721

0,0013

Уксусная кислота

0,8500

0,4959

0,9996

0,6297

0,2279

0,9987

Всего

1,0000

1,0000

1,0000

1,0000

1,0000

1,0000

Таблица 6.15

Характеристика основных штуцеров колонны

Расчетный параметр

Ввод питания

Вывод дистиллята

Ввод жидкого орошения

Вывод остатка

Ввод парового орошения

Расход потока, кмоль/ч

719,4

1136

792

867

1102

Состав (мольная доля воды)

37,03%

77,21%

77,21%

0,13%

0,13%

Мольная масса, кг/кмоль

44,49

27,60

27,60

60,00

60,00

Плотность, кг/м3

895,43

2,15

918

867

4,42

Объемный расход, м3

0,010

4,051

0,007

0,017

4,155

Рекомендуемая скорость, м/с

0,90

19,00

1,25

0,40

19,00

Рассчитанный диаметр, м

0,119

0,521

0,082

0,230

0,528

Принятый диаметр, м

0,150

0,500

0,100

0,250

0,500

Действительная скорость, м/с

0,56

20,63

0,84

0,34

21,16

Таблица 6.16

Результаты расчета высоты колонны

Наименование составляющей высоты

Обозначение

Высота, м

Высота опорной части (мантии)

ноп

3,0

Высота кубовой части

НКуб

1,5

Высота от уровня жидкости в кубе до нижней тарелки

Н1

1,0

Высота, занимаемая тарелками

НОТг НКОн

32,0

Высота секции питания

Нпит

1,0

Высота от верхней тарелки до верхнего днища

Н2

2,0

Высота верхнего днища

Ндн

0,7

Итого

Нк

41,2

Полная высота колонны в сборе может быть несколько больше, чем 41,2м вследствие наличия люков для доступа к тарелкам и штуцеров на верхнем днище.

Проведенное исследование «равновесной» модели показало, что она позволяет с достаточной степенью точности решить вопрос проведения расчета процесса ректификации с помощью ЭВМ, как в проектной, так и в поверочной версии.

Модель основана на использовании физической сущности процесса ректификации и дает возможность определять относительно точно составы продуктов колонны при внешних возмущениях и минимальной информации о ее параметрах и свойствах сырья и продуктов. Моделирование идет итеративно и позволяет рассчитать: реальные концентрации компонентов после контакта на рабочих тарелках, включая составы продуктов, распределение режимных параметров (Р и Т) по высоте аппарата, количества вводимых парового и жидкого орошений. На основании этих данных становится возможным определить требуемую динамику изменения управляющих параметров во времени, проведя серию поверочных расчетов. Таким образом, модель может быть адаптирована к задачам управления процессом ректификации [3].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >