Алгоритм проектирования промышленных массообменных аппаратов разделения углеводородов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66.012-52

Д. В. Елизаров, В. В. Елизаров, С. А. Мерзляков АЛГОРИТМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

РАЗДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

Ключевые слова: алгоритм, массообменный аппарат, эффективность, число ступеней разделения, степень извлечения.

Предлагается алгоритм проектирования промышленных массообменных аппаратов, включающий в себя определение количество, конструкции и эффективности ступеней разделения, теплофизических параметров разделяемой смеси. Предлагается для построения математической модели гидродинамических процессов, протекающих на тарелке, использовать пакеты AnSys и Fluent, для поверочного расчета концентрации на концах колонны - HySys.

Keywords: algorithm, mass-transfer apparatus, the efficiency, the number of stages of separation, the recovery rate of.

An algorithm design of industrial mass-transfer apparatus, comprising determining the amount of design and efficiency of separation stages, the thermophysical parameters are separated mixture. It is proposed to construct a mathematical model of hydrodynamic processes occurring on the plate, use packages AnSys and Fluent, for testing calculation of concentration at the ends of the column - HySys.

Массообменные процессы разделения углеводородов на фракции составляют основу всех нефтеперерабатывающих заводов. Процессы ректификации углеводородов проводят в ректификационных колоннах тарельчатого или насадочного типов. Проектируемыми параметрами тарельчатых ректификационных аппаратов являются число тарелок, высота и диаметр, технологические параметры установки.

В техническом задании на проектирование ректификационных аппаратов задается расход, и состав исходной смеси, температура и давление. Требуется разработать колонный аппарат для разделения заданной смеси с получением продуктов заданного качества и количества. Качество получаемых продуктов задается по значениям концентрации компонентов на концах колонны (в дистилляте, кубе, питании), а количество по расходам дистиллята и кубового остатка.

Из уравнений материального и теплового балансов определяются расходы и составы отбираемых продуктов, рабочее флегмовое число, потоки пара и жидкости в колонне, из уравнения расхода пара в колонне находится её диаметр.

Высота колонны вычисляется по количеству установленных в ней тарелок и расстоянию между тарелками H = (М -1)И , где N - число тарелок, И -расстояние между тарелками.

Для определения числа действительных ступеней разделения находится степень извлечения компонента в барботажном слое на тарелке.

При проектировании колонного тарельчатого аппарата для разделения смеси углеводородов данного состава (% мас.), поступающего в колонну с расходом Gf, стремятся получить дистиллят в количестве Gd и кубовый остаток Gw = GF - Gd заданного состава (% мас.).

Требуется определить основные размеры колонного аппарата: диаметр колонны йк; высоту Н = И(п -1), межтарельчатое расстояние; конструктивные параметры тарелок и

технологические параметры процесса (расходы флегмы или пара, флегмовое число), обеспечивающие максимальное значение кпд при заданных концентрациях компонентов в дистилляте и кубовом остатке.

Разработка прототипа колонного аппарата, удовлетворяющего сформулированным

требованиям, проводится в следующем порядке, алгоритм которого представлен на рис. 1 и рис. 2.

Расчет основных размеров аппарата сначала проводится для верхней секции колонны ( = 0), а

затем для нижней 0 = 1). В расчетах организованы итерационные циклы поиска максимального кпд тарелки (наилучшей конструкции) и поиска оптимального флегмового числа (I = 0,1,..) , при

котором достигает минимального

(

кинетическии параметр

Kyv = 1/

значения m

- +-

Рyv Рxv

1

/

характеризующий минимальный расход (поток) вещества из одной фазы в другую, что соответствует состоянию массопереноса близкого к равновесному.

Исходная смесь поступает в колонну при температуре Tf и давлении Pf. По заданной концентрации НК Xd3 компонента наверху колонны и ВК компонента х^ в кубе определяются давление и температура наверху и внизу колонны Рм и Ро, Тм и То; Gf,Xf - расход и состав питания, Gd,Gw - расходы дистиллята и кубового остатка.

В верхней и нижней частях колонны определяется средняя концентрация НК компонента Хср и хСр, а по уравнениям рабочих линий

находится средняя концентрация НК компонента в паровой фазе:

• в верхней части аппарата:

= к хм

Уср = р + 1Хср + р +1 ;

• в нижней части аппарата:

_ R + F F -1

У CD _ Хср - + Xo

R+1

R+1

где R - флегмовое число: R _ 1,3Rmin + 0,3 ;

Rmin _(xn - У* )/(y* - Xf ), У* - равновесная с концентрацией Xf концентрация НК компонента в

паровой фазе.

Считаем расход пара и жидкости по высоте колонны не меняются и равны: V _ G^(R +1),

L _ RD - в верхней части, L + Gf - в нижней части колонны.

Диаметр аппарата определяется из уравнения расхода пара: V _ wKtcDk / 4 , где wк -рабочая скорость пара в сечении колонны, DK -диаметр колонны.

Диапазон эффективности работы барботажных тарелок обычно характеризуется

величиной F - фактора (f _ w^^p^), где рп -

плотность паров и удовлетворяет, например для колпачковых тарелок, условию 0,48 < F < 2,8 [1].

Теплофизические параметры при средних значениях T,P,x,y рассчитываются по корреляциям, приведенным в [2].

Используя это условие находится максимальное и минимальное значение диаметра аппарата.

Dmax _

д/4^/РЛ/0,48л ; Dmin 4^/РП/2,8л ; где V _ Gd(R + 1)/3600рп .

Выбирается диаметр аппарата из стандартного ряда DK и расстояние между

тарелками h , рассчитывается рабочая скорость пара в колонне w K .

Затем выбирается тип и вериант конструкции тарелки из стандартного ряда или разрабатывается новая конструкция контактного устройства. Геометрия контактного устройства натурального масштаба строится в Autocad (Компас, Ansys), область двухфазного слоя покрывается сеткой, полученный файл импортируется в вычислительный комплекс FLUENT.

Поскольку в барботажном слое при перекрестном токе газа и жидкости на тарелке наблюдается полное перемешивание жидкости по высоте слоя, то изменения скорости в этом направлении нет. Изменение скорости жидкости наблюдается в продольном и поперечном направлениях на плоскости тарелки. Поэтому рассматривается двумерная задача переноса импульса в барботажном слое, при наличии местных сопротивлений в виде газовых факелов из отверстий тарелки.

Рис. 1 - Блок-схема алгоритма проектирования ректификационной колонны

Граничные условия для уровнений переноса импульса назначились на стенках колонны и на поверхности газовых факелов. В результате моделирования поля скоростей жидкой фазы определяется структура потока жидкости, характерные зоны в барботажном слое. На основе моделей структуры потока определяется поле концентрации в барботажном слое и кпд ступени

при расчетном значении флегмового числа РК^0).

Рис. 2 - Блок-схема алгоритма проектирования ректификационной колонны (продолжение)

Граничные условия для уровнений переноса импульса назначились на стенках колонны и на поверхности газовых факелов. В результате моделирования поля скоростей жидкой фазы определяется структура потока жидкости, характерные зоны в барботажном слое. На основе моделей структуры потока определяется поле концентрации в барботажном слое и кпд ступени

при расчетном значении флегмового числа К ) .

Далее проводится перебор конструктивных параметров тарелки и выбор конструкции, обеспечивающих максимальное значение кпд и

итерационный расчет флегмового числа К ® до достижения минимального значения кинетического параметра Куу. При достижении минимума

коэфициента Куу получают оптимальное значение

флегмового числа К°р( .

Теперь для оптимальной конструкции тарелки и флегмового числа определяется степень извлечения компонента в верхней части колонны Фх° , в работах [3, 4, 5] расчитывается число

тарелок N° верхней секции и высота секции Н° .

Далее переходят к расчету числа ступеней нижней части колонны по рассмотренному алгоритму.

В результате проведенных расчетов получают параметры прототипа аппарата, в котором известны конструкция тарелок, их оптимальный кпд, оптимальное флегмовое число , число

действительных тарелок N , номер тарелки питания N, технологические параметры в аппарате, на входе и выходе колонны.

Полученные параметры импортируются в програмный комплекс Ну§уБ. В результате расчета полей концентраций получают значения концентрации компонентов в дистилляте и кубовом остатке хй и . Если расчетные значения

концентраций равны, с необходимой точностью, заданным хйз , , то полученный прототип

колонны удовлетворяет сформулированным требованиям

При отклонении и от хйз и

уточняются средние значения температуры Т,

давления Р] и расходов Ц, V] по результатам

гидравлического расчета тарелок и перепада давления на них.

С уточненными величинами параметров проводится расчет нового прототипа аппарата до

Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых № 14.256.14.5663-МД от 03.02.2014 г.

Литература

1. Е.Н. Судаков, Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепеработки. Химия, Москва, 1979. 568 с.

2. Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд, Свойства газов и жидкостей: справочное пособие. Химия, Ленинград 1982. 592 с.

3. В.И. Елизаров, Д.В. Елизаров, С.А. Мерзляков, С.Г. Дьяконов, Теор. основы хим. технол., 46, 5, 483-490 (2012).

4. С.Г. Дьяконов, В.В. Елизаров, Д.В. Елизаров, С.А. Мерзляков, Вестник Казан. технол. ун-та, 3, 1, 57-63 (2009).

5. Д.В. Елизаров, В.И. Елизаров, С.А. Мерзляков, Вестник Казан. технол. ун-та, 16, 12, 206-210 (2013).

достижения заданных значении xw3 и xw3 .

© Д. В. Елизаров - канд. техн. наук, доц. каф. автоматизации технологических процессов и производств НХТИ КНИТУ;

B. В. Елизаров - д-р техн. наук, зав. каф. автоматизации технологических процессов и производств НХТИ КНИТУ;

C. А. Мерзляков - канд. техн. наук, доцент тоИ же кафедры, sergew@inbox.ru.

© D. V. Elizarov - candidate of technical sciences, NCHTI KNRTU; V. V. Elizarov - doctor of technical sciences, NCHTI KNRTU; S. A. Merzlyakov - candidate of technical sciences, NCHTI KNRTU, merzlyakovsa@nchti.ru.

189