CC BY
27
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, [email protected].
© 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, [email protected].
189
