2020-01-14
163
В настоящей работе для математического моделирования схем ректификации использован лицензионный программный комплекс PRO/II with PROVISION компании SIMSCI corp., обеспечивающий моделирование и расчет технологических схем ректификации.
PRO/II - компьютерный комплекс для инженерных расчетов процессов органического синтеза и нефтехимии, технологии полимеров и др. Он объединяет базы данных химических компонентов и расширенных методов расчета термодинамических свойств с гибкими методами расчета аппаратов. Программа обладает вычислительными средствами для выполнения расчетов всех материальных и энергетических балансов необходимых для моделирования большинства статических процессов. Экспертные системы, расширенная обработка входных данных и проверка ошибок обеспечивают его высокую эффективность и надежность.
Расчет ректификации
Все алгоритмы ректификации в программе PRO/П представляют собой строгие модели равновесных ступеней контакта. В каждой модели решаются тепловой и материальный балансы и уравнения равновесия жидкость - пар.
|
|
|
Программа PRO/II предлагает четыре различных алгоритма моделирования ректификационных колонн:
алгоритм Inside/Out (I/O),
алгоритм Sure,
алгоритм Chemdist и
алгоритм ELDIST.
Алгоритм I/O может быть использован для решения большинства задач нефтепереработки и обладает высоким быстродействием. В настоящей работе расчет колонн ректификации проводился по этому алгоритму.
Алгоритм подразделяется на внешний и внутренний циклы. Во внутреннем цикле решаются тепловой и материальный балансы и обеспечиваются заданные требования. Во внутреннем цикле используются упрощенные термодинамические модели для энтальпий и коэффициентов равновесия жидкость - пар. Это, вместе с упрощенными моделями и
выбором первичных переменных, позволяет решить внутренний цикл быстро и надежно. Во внешнем цикле параметры упрощенной термодинамической модели обновляются на основе новых значений состава и результатов строгих термодинамических расчетов. Решение достигнуто, когда строго рассчитанные значения энтальпий и коэффициентов равновесия соответствуют значениям, рассчитанным в упрощенных термодинамических моделях, и удовлетворяют заданным требованиям.
На рис. 5 показана схематическая диаграмма простой ступени контакта.
Рис. 5. Схема простой ступени контакта алгоритма I/O.
Тепловой баланс для ступени контакта j выглядит следующим образом:
 |
где: V— расход пара, покидающего ступень контакта; L - расход жидкости, покидающей ступень контакта;
Ls — жидкостной боковой погон;
Vs - паровой боковой погон;
|
|
|
Материальный баланс по компоненту для данной ступени контакта через расходы жидкости и паров при следующей зависимости для равновесных составов обеих фаз:
где К представляет собой соотношение равновесной фугитивности пар - жидкость, может быть записан как:
 |
(7)
где:
l - расход жидкого компонента;
v - расход парового компонента;
f - расход компонента сырья.
Поскольку К принято постоянным, то система уравнений материального баланса является линейной и формирует тридиагональную матрицу системы.
Во внешнем цикле алгоритма Inside/Out обновляются параметры упрощенной термодинамической модели и проверяется сходимость. Во внутреннем цикле уравнения ректификации решаются для текущих упрощенных термодинамических моделей. Проверка сходимости во внешнем цикле, следовательно, сравнивает значения энтальпий и коэффициентов фазового равновесия жидкость - пар, строго рассчитанные из нового состава, получившегося в результате расчетов внутреннего цикла. Полученное решение является окончательным.
Объект исследования
Для решения поставленной задачи нами было выбрана трехкомпонентная зеотропная смесь: этан - пропен - пропан.
Индивидуальные свойства компонентов представлены в таблице 1.
Таблица 5.
Физико - химические свойства компонентов
| Компоненты | Молекулярная масса, г/моль | Плотность, кг/м3 | Температура кипения, °С | Критическая температура, °С | Критическое давление, кг/см3 |
| Этан | 30,0700 | 356,05 | -88,63 | 32,30 | 49,802 |
| Пропен | 42,0810 | 521,49 | -47,70 | 91,80 | 47,115 |
| Пропан | 44,0970 | 507,20 | -42,07 | 96,67 | 43,334 |
Самый легко летучий компонент в исследуемой смеси, этан, содержится в природных и попутных газах и представляет собой бесцветный, горючий газ. Его используют для получения сажи, так же как сырье для производства СО и Н2 и в дальнейшем для получения моторных топлив.
Пропан также представляет собой бесцветный газ, который растворим в органических растворителя и не растворим в воде. Его применяют как топливо для двигателей внутреннего сгорания, для получения сажи, в смеси с бутаном в баллонах используют как топливо в быту.
Пропен при обычных условиях является газом. Главным способами получения в промышленности пропена служат процессы расщепления нефтяных фракций или углеводородных газов (каталитический и термический крекинги, пиролиз). Кроме того, пропен получают дегидрированием пропана. Ввиду своей реакционной способности пропен занял одно из ведущих мест как исходное вещество для органического синтеза.
Изначально, компоненты исследуемой смеси входят в состав широкой фракции легких углеводородов, получаемые в процессе нефтедобычи. Она содержит довольно широкий спектр углеводородов состава C1 - C7 которые в дальнейшем разделяются на узкие фракции:
• метан - водородную
• метан - этановую
• этан - этиленовую
• пропан - пропиленвую
• изопентановую
• гексановую и другие.
Для исследования применимости сложных колонн нами была выбрана простейшая из многокомпонентных смесей, не образующая азеотропов. Фракция этан-пропен-пропан оказалась в этом отношении весьма подходящей.
