CC BY
208
Х. Н. Ясавеев
РАСЧЕТ ВЫСОТЫ НАСАДОЧНОЙ ЧАСТИ КОЛОННЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА
В работе проведен расчет высоты насадочного слоя укрепляющей части колонны К-701 Сургутского ЗСК на основе разработанной в [1] модели описания многокомпонентной ректификации в насадочных колоннах.
ВВЕДЕНИЕ
Соблюдение норм на качество широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) при повышении расходов сырья, возможно путем применения новых контакнтых устройств в укрепляющей части колонны стабилизации газового конденсата взамен ситчатых тарелок. В качестве таких контактных устройств была выбрана новая насадка IRG (Ingechim Regular Gofr) ИВЦ «Инжехим» (рис. 1). При этом основной задачей являлось определение высоты слоя насадки в реконструируемой колонне. Для решения данной задачи необходимо иметь надежную математическую модель описания
многокомпонентного массопереноса на насадке.
Детальное математическое описание процессов разделения многокомпонентных смесей путем
ректификации должно содержать: модели для
расчета различных физикохимических свойств и условий фазового равновесия многокомпонентных парожидкостных систем, модели многокомпонентного массопереноса в жидкой и газовой фазах, а также модели описания гидродинамики движения фаз в колонне. Необходимо заметить, что перечисленные выше явления могут быть рассмотрены в рамках общих фундаментальных молекулярно-статистических основ. Так например, в работах [2,3] были развиты методы расчета условий равновесия пар-жидкость и различных термодинамических характеристик, а также матрицы коэффициентов массопередачи в многокомпонентных смесях углеводородов и углеводородных фракций на основе сферических потенциалов межмолекулярного взаимодействия. Эти методы успешно применялись для описания многокомпонентного переноса массы в процессах ректификации [1] и использовались для расчета высоты насадочной части колонны стабилизации газового конденсата в данной работе. Рассмотрение гидродинамики движения фаз в аппарате на основе молекулярностатистической теории является на сегодняшний день сложной задачей, поэтому в этой работе использовались традиционные модели структуры потоков.
ТЕОРИЯ
Используемые в модели молекулярно-статистические методы приводят к существенному усложнению всей расчетной схемы, поэтому было принято решение
Рис. 1 - Пакет пластин насадки IRG
провести расчет только насадочной части, массообмен в которой и представлял наибольший теоретический и практический интерес. Граничные значения концентраций ключевого компонента в нижней части насадки задавались по результатам потарелочного расчета нижней тарельчатой части колонны. Потарелочный расчет проводился методом теоретической тарелки, его адекватность проверялась по промышленному эксперименту, выполненному на колонне до реконструкции.
Насадка ГОО имеет следующие характеристики: высота гофра h =15 мм, угол
о 2 3
наклона гофра а = 30о, удельная поверхность a = 162 м /м , удельный свободный объём
33
£ = 0.98 м /м . На основании гидродинамических экспериментов [4] насадки типа ГКО было выявлено, что движение паровой фазы близко к модели идеального вытеснения. Движение жидкой фазы точнее описывается с помощью диффузионной модели, параметры которой были определены методом импульсного ввода индикатора. Результаты обработаны в виде соотношения:
PeL = 2.193 • Re0■336
Значения критериев Рейнольдса при рабочих нагрузках в колоне, показывают, что режим движение паровой фазы турбулентный, а жидкой лежит в переходной области. Исходя из этого, были приняты следующие выражения для матрицы коэффициентов массоотдачи:
В = , Бз = АейГ,
где индексы 1_, О - соответственно газовая и жидкая фазы.
Значения множителей зависят только от гидродинамических условий и физических свойств рабочих сред. Для насадки типа, подобного ГОО, выражения для множителей были получены из эксперимента по массообмену в бинарной смеси углеводородов [4]:
0.9 • яє5а8йз8іп а ’ у 8р,_д8іп а
(ЬИ - 25б)2 ЬИ
(ЬИ - 25б)2 + (ЬИ - 25б)2 ЬИ - 25б
2И Ь 2И
0.057а
А. =
43уРз '4 , а8Цз у
V
Рз
3 4є
где Б - длина стороны гофры; 8 - площадь поперечного сечения колонны; Ь -расстояние между соседними вершинами гофры; д - ускорение свободного падения; р -
плотность; Ц- вязкость; индекс V означает объемный расход м3/с.
Математическое описание насадочной колонны состоит из системы уравнений, определяющей распределение концентраций компонентов в потоках пара и жидкости по
высоте колонны. Межфазный перенос описывался известным уравнением многокомпонентной массопредачи:
\ = УКV (у* - у),
где ] - вектор потока, V - объем, Ку - матрица объемных коэффициентов массопередачи,
у - вектор концентрации компонентов в газовой фазе, у* - вектор равновесных концентраций компонентов в газовой фазе.
Таким образом, для движения потоков пара и жидкости получим следующую систему дифференциальных уравнений, характеризующих распределение концентраций компонентов по высоте насадки:
Ь2х Ьх Э
= ЭКV (у* - у).
Рег Ьг2
ил О шЖ / * \
*- г Ку(у - у)
где О - мольный расход газа, 1_ - мольный расход жидкости.
Матрица коэффициентов массопереноса определялась как
к V = (МБ-1 + в;1 )-1,
где М - матрица коэффициентов распределения определялась
(1)
(2)
а
1М
N-1
1+Е (а- 1)х,
]=1
-а(а- 1)х1
м,
г N-1 ^
1+е (а- 1)х
а(а- 1)х,
4 Г N-1 Л2
1+е (а- 1)х
]=1
(, = 1.2........N -1)
(, ф ]; , = 1,2,..., N -1),
а а - коэффициент относительной летучести компонента , по отношению к N .
Расчет матриц коэффициентов распределения, коэффициентов диффузии в жидкой [5], [6] и газовой [7] фазе проводился на основе теории интегральных уравнений для частичных функций распределения, в рамках которой все термодинамические характеристики можно определить, если известны потенциалы межмолекулярного взаимодействия. Для описания межмолекулярного взаимодействия алканов и углеводородных фракций использовался потенциал Леннард-Джонса, параметры которого Уравнения (1), (2), описывающие процесс многокомпонентной ректификации, не имеют аналитического выражения относительно искомых величин, поэтому задача решается только численными методами.
Алгоритм расчета многокомпонентной ректификации в насадочной части колонны строится следующим образом. Исходные данные: расходы дистиллята и сдувки, покомпонентный состав дистиллята, давление в колонне, и первое приближение высоты насадки.
В верхней части колонны паровой поток разделяется на дистиллят, флегму и сдувку в парциальном дефлегматоре, где состав получаемой флегмы полагается равновесным
составу несконденсированного пара. Математическое описание парциального
конденсатора при этом содержит уравнения балансов для N -1 компонентов:
Су' = бзУз + С0(Р + 1)х0, (3)
уравнение общего материального баланса
С' = 05 + С0(Р +1), (4)
а также условия равновесия
у;=^р,х0). (5)
Итерационная процедура расчета строиться следующим образом:
Шаг. 1. Задается концентрация ключевого компонента на входе в насадку из тарельчатой части колонны, состав Х0 и мольный расход С0 дистиллята, давление Р,
флегмовое число ІР и мольный расход сдувки С;.
Шаг.2. Из уравнения равновесия (5) находим состав сдувки у; и температуру дефлегматора Т0.
Шаг.3. По общему уравнению баланса верха колонны (4) определяем расход верха колонны С
Шаг.4. Из покомпонентного уравнения баланса верха колонны (3) вычисляем состав пара у на выходе из колонны
Шаг.5. Учитывая, что выходящий из колонны пар находиться в равновесии со стекающей жидкостью, находим температуру верха колонны Т и состав жидкой фазы Х.
Шаг.6. По уравнению теплового баланса (С - С ) • г = ОрС0Р • (Т - Т0) вычисляем расход пара С, где Г - теплота парообразования, Ор - теплоемкость
Шаг.7. Расход жидкости в колонне определяем как 1_ = 00Р + С-С
Шаг.8. Из покомпонентного баланса находим состав пара у верхней части колонны
Шаг.9. Рассчитывается профиль концентраций в насадке, для чего: решается система дифференциальных уравнений (1), (2) с пересчетом по текущим концентрациям матрицы коэффициентов диффузии, коэффициентов массоотдачи для каждой из фаз и коэффициентов массопередачи, а также условий фазового равновесия.
Шаг.10. По достижению концентрации ключевого компонента определяется требуемая высота насадки.
Для промышленных данных: С0 = 40915,84 кг/ч; С; = 3180,0 кг/ч;
Р = 1,2 МПа; Х0 (табл.1.); концентрация на входе в насадку О6 =0,06119 мол. долей; условий на состав ШФЛУ (в масс.дол.): О1-2 < 0,017., О3 > 0,15, О4 > 0,45,
І — О5 = 0,06 0,11, п — О5 = 0,04 0,06, О6 < 0,02, был проведен расчет высоты насадки. Получены следующие данные: С = 102081,2 кг/ч, 1_ = 57985,36 кг/ч,
Т0 = 318 К, Т = 352 К, Н = 8 м. В таблице 1 представлены численные значения
составов разделяемой смеси. На рисунках 2, 3 представлены профили распределения концен-
Таблица 1 - Мольные концентрации компонентов нефте-газоконденсатной смеси
Компонет Хр Уз У’ Х У Хн Ун
Метан 8,91е-3 0,1415 1,52е-2 6,09е-4 1,03е-2 2,84е-4 1,01 е-2
Этан 4,15е-2 0,1779 4,81е-2 6,91е-3 2,92е-2 2,69е-3 2,68е-2
Пропан 0,3657 0,4726 0,3709 0,13908 0,2508 4,54е-2 0,1973
Изо-бутан 0,1871 9,49е-2 0,1827 0,1611 0,1694 5,34е-2 0,1079
н-Бутан 0,2563 9,38е-2 0,2485 0,2964 0,2703 0,1011 0,1587
Изо-пентан 8,66е-2 1,26е-2 8,30е-2 0,2273 0,1576 0,3338 0,2185
н-Пентан 5,15е-2 6,20е-3 4,94е-2 0,1595 0,1065 0,3892 0,2378
Фрак.40-500 С 1,97е-3 1,69е-4 1,89е-3 8,22е-3 5,19е-3 6,11е-2 3,54е-2
Фрак.50-600 С 9,37е-5 5,53е-6 8,95е-5 5,39е-4 3,24е-4 1,15е-2 6,61е-2
Фрак.60-700 С 3,36е-6 1,47е-7 3,20е-6 2,58е-5 1,50е-5 1,20е-3 6,87е-4
Фрак.70-800 С 1,30е-7 4,55е-9 1,24е-7 1,31е-6 7,48е-7 1,12е-4 6,41е-5
Фрак.80-900 С 5,23е-9 1,3е-10 4,99е-9 7,20е-8 4,03-8 1,03е-5 5,91е-6
Фрак.90-1000 С 1,8е-10 3,7-12 1,7е-10 3,59е-9 1,97е-9 7,53е-7 4,30е-7
Фрак.100-1100 С 4,4е-12 6,9е-14 4,2е-12 1,0е-10 5,8е-11 2,95е-8 1,68е-8
Фрак.110-1200 С 1,0е-13 1,2е-15 1,0е-13 3,3е-12 1,7е-12 1,04е-9 5,9е-10
Фрак.120-1300 С 2,3е-15 2,1е-17 2,2е-15 9,3е-14 5,0е-14 3,2е-11 1,8е-11
Фрак.130-1400 С 4,5е-17 3,1е-19 4,3е-17 2,2е-15 1,2е-15 8,8е-13 5,0е-13
Фрак.140-1500 С 7,5-е19 3,9е-21 7,2е-19 4,8е-17 2,5е-17 3,1е-14 1,8е-14
Фрак.150-1600 С 1,2е-20 4,9е-23 1, 1 е-20 1,0е-18 5,4е-19 3,4е-15 1,9е-15
Фрак.160-1700 С 1,8е-22 5,4е-25 1,7е-22 1,8е-20 9,8е-21 1,0е-15 6,1е-16
Фрак.170-1800 С 2,3е-24 5,3е-27 2,2е-24 3,0е-22 1,6е-22 5,6е-16 3,2е-16
Фрак. 180 и более С
3,5е-27
6,1е-30
3,3е-27
5,8е-25
3,0е-25
2,5е-16
1,4е-16
Рис. 2 - Профиль концентраций некоторых компонентов нефтегазоконденсатной смеси по высоте насадки: 1 - н-пентан; 2 - изо-пентан; 3 - н-пентан; 4 - изо-бутан; 5 - пропан; 6 - фрак. 40-500С (0 - соответствует верхнему уровню насадки)
Рис. 3 - Профиль концентраций некоторых компонентов нефтегазоконденсатной смеси по высоте насадки (0 - соответствует верхнему уровню насадки)
траций компонентов нефтегазового конденсата по высоте насадки. На рисунке 3. также показан профиль температур по высоте насадочного слоя.
Литература
1. Клипов А.В., ЯсавеевХ.Н., Разинов А.И. и др. // Вестник Казанского технол. ун-та. 2002. №1-2. С.382.
2. Дьяконов Г. С., Клипов А.В., Дьяконов С.Г. // Журнал физ. химии. 2003 (в печати).
3. Дьяконов Г. С., Клипов А.В., Дьяконов С.Г. // Журнал физ. химии. 2003 (в печати).
4. Olujic Z., KamerbeekA.B., Graauw J. // Chem. Eng. And Proc. 1999. V.38. P.683-695.
5. Дьяконов Г. С., Клинов А.В., Никешин В.В. и др. // Тепломассообменые процессы и аппараты химической технологии: Межвуз. сб. науч. тр.; КГТУ Казань. 2001. С.108.
6. Дьяконов Г. С., Ясавеев Х.Н., Клинов А.В. и др. // Вестник Казанского технол. ун-та. 2002. №1-2. С.375.
7. Дьяконов С.Г., Разинов А.И. // ЖТФ. 1980. Т.50. №9. С.1948-1954.
8. Дьяконов Г. С., Клинов А.В. // Вестник Казанского технол. ун-та. 2002. №1-2. С. 355
© Х. Н. Ясавеев - канд. хим. наук, ген. директор НПО «Нефтехимпроект».
