CC BY
59
УДК 621.039.75
А.А. Мешкова, В.Д.Сафонова, Т.Н.Гартман*
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, корп. 1
*qwerty@mail.ru
РАЗРАБОТКА ПРОЦЕДУР РАСЧЕТА ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ С УЧЕТОМ РЕАКЦИИ ДИССОЦИАЦИИ ЭЛЕКТРОЛИТОВ В НЕОРГАНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.
С применением моделирующей программы CHEMCAD разработана и реализована процедура расчета технологических схем получения и очистки неорганических продуктов, в основу которой положен автоматический учет диссоциации электролитов. Корректность процедуры проверена на примере следующих процессов: а) получения азотной кислоты двумя способами, отличающимися вариантами концентрирования азотной кислоты (ректификация при повышенном давлении и абсорбция газов серной кислотой); б) очистки метансодержащих газовых смесей поташным методом; в) извлечения сероводорода из природного газа абсорбцией метилдиэтаноламином. Были выбраны оптимальные модели для учета электролитической диссоциации неорганических веществ и проведен анализ параметрической чувствительности реализованных процедур.
Ключевые слова: Ректификация, абсорбция, азотная кислота, газоочистка, сероводород, истинные частицы.
При моделировании процедуры расчета технологических схем с неорганическими веществами важным аспектом является учет реакций электролитической диссоциации. При этом зачастую принято вместо индивидуальных веществ в качестве компонентов использовать истинные частицы, получаемые при диссоциации электролитов. Моделирующая программа CHEMCAD включает встроенную базу данных по ионным реакциям, которые охватывают множество промышленных систем.
Моделирующая программа CHEMCAD включает следующие модели процедуры расчета технологических процессов, учитывающие электролитическую диссоциацию: NRTL 1882, NRTL 1986, Pitzer, Идеальный раствор [1]. А) Одним из важнейших неорганических производств является производство азотной кислоты. К современным тенденциям развития технологии производства азотной кислоты относятся: обеспечение наибольшей надежности конструкций аппаратуры и машинных агрегатов; повышение степени кислой абсорбции, а также степени использования тепла химических реакций и КПД энергии сжатых газов; увеличение скорости
процесса на всех его этапах, снижение вредных выбросов в атмосферу. С помощью моделирующей программы CHEMCAD были спроектированы два способа получения концентрированной азотной кислоты. Первый способ: доконцентрирование азотной кислоты с помощью колонны с повышенным давлением -более энергоемкий, но эффективный, выход продукта составляет 99% масс. (см. рис. 1). Для этого процесса была выбрана модель NRTL 1986 для учета электролитической диссоциации. Был проведен анализ параметрической
чувствительности процесса, результаты которого приведены в таблице 1 [4]. Второй способ: доконцентрирование азотной кислоты с помощью серной кислоты, - менее эффективный и менее энергоемкий (см. рис. 2). При моделировании данного процесса была выбрана модель «Идеальный раствор» для учета
электролитической диссоциации. Также проведен анализ параметрической чувствительности процесса, в результате которого была выявлена зависимость тепловой нагрузки от числа тарелок в колонне. Результаты приведены в таблице 2 [3].
Таблица 1: зависимость тепловой нагрузки кипятильника и конденсатора от количества тарелок колонны.
Число тарелок Нагрузка конденсатора, Нагрузка кипятильника,
МДж/ч МДж/ч
1 колонна 20 -23129,7 23425,5
(давление Р=1 бар) 30 -1,94е+006 1,94е+006
2 колонна (давление 20 -1225,64 1244,31
Р=10 бар) 30 -1225,86 1244,48
Таблица 2: Влияние выбора модели расчета на выход продукта
Число Нагрузка Нагрузка
тарелок конденсатора, МДж/ч кипятильника, МДж/ч
1 колонна 20 -23129,7 23425,5
(1 бар) 30 -1,94е+006 1,94е+006
2 колонна (10 20 -1225,64 1244,31
бар) 30 -1225,86 1244,48
Б) Очистка метансодержащих газовых смесей поташным методом. На рис. 3 - схема симуляции процесса очистки от СО2 на существующем заводе с помощью абсорбции горячим раствором поташа. Для моделирования данного процесса была
выбрана модель КЯТЬ 1982 для учета электролитической диссоциации. Результаты анализа параметрической чувствительности приведены в таблицах 3-4.
Рис. 3: Технологическая схема очистки метансодержащих газовых смесей поташным методом
Таблица 3. Зависимость выхода продукта от числа тарелок в колонне
Таблица 4. Влияние КПД тарелок на выход целевого
Число Давление, Выход СО2,
тарелок бар масс %
4 1,3 59,0
6 1,3 61,0
2 61,4
4 64,0
8 1,3 61,0
Эффективность тарелок (без Выход
учета истинных частиц), % продукта, масс %
100 95
75 94
Эффективность тарелок (с Выход
учетом истинных частиц), % продукта, масс %
100 99,7
75 99,5
В) Извлечение сероводорода из природного газа абсорбцией метилдиэтаноламином. На рис. 4 - пример селективного выведения сероводорода с помощью 50%масс раствора
Рис. 4: Технологическая схема извлечения сероводорода из природного газа абсорбцией метилдиэтаноламином
метилдиэтаноламина (МДЭА) в абсорбере с десятью тарелками. Для данного процесса была выбрана модель Pitzer для учета истинных частиц [2].
Таблица 5 Зависимость выхода продут от числа тарелок в колонне
Число тарелок Давление, бар Выход СН^масс доли
10 1 97,6
2 90,2
4 92,4
15 1 Расчет не сходится
20 1 99,8
Таблица б Влияние КЩ тарелок иа выход целевого продукта
Эффективность Выход
тарелок (без продукта.масс
учета истинных И
частиц),
100 95
75 94
50 93
Эффективность Выход
тарелок (с продукта,масс
учетом %
частиц), Ч
100 99,7
75 99,5
Наибольшее влияние на выход продукта оказывают следующие параметры: число тарелок в колонне (изменяя число тарелок от 2 до 8 и от 20 до 30, мы получали повышение выхода целевого продукта от 59% до 61% и от 97% до 99% соответственно); давление в колонне (при повышении давления от 1 до 10 бар мы получали больший выход целевого продукта от 89 до 99%); выбор модели фазового равновесия и учет электролитической диссоциации неорганических соединений. Но при повышении давления
увеличивается тепловая нагрузка, а при увеличении числа тарелок изменяются конструкционные параметры оборудования, что является косвенным параметром при расчетах экономических затрат. Заключение:
С применением моделирующей программы CHEMCAD разработана и реализована процедура расчета технологических схем получения и очистки неорганических продуктов, в основу
которой положен автоматический учет реакций диссоциации электролитов.
Выбраны методы расчета реакций для технологических схем получения и очистки неорганических веществ с учетом
электролитической диссоциации и проведен анализ параметрической чувствительности, в процессе которого было выяснено, что наибольшее влияние на выход целевого продукта влияют давление в колонне и число тарелок.
Мешкова Анна Александровна студентка кафедры информатики и компьютерного проектирования РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Сафонова Вера Дмитриевна ассистент кафедры информатики и компьютерного проектирования РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Гартман Томаш Николаевич д.т.н, профессор, заведующий кафедрой информатики и компьютерного проектирования РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература:
1. Гартман Т.Н., Клушин Д.В., «Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов» - М.: ИКЦ «Академкнига», 2006.-416 с.:ил.
2. Jou, F.Y.F.D. Otto and A.E. Mather, "Solubility of Mixtures of H2S and CO2 in a Methyldiethanolamine Solution". Paper #140b AlChE Annual Meeting, Miami Beach, FL (Nov 2-7, 1986) - c.207-209.
3. Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология: Учеб. для техн. вузов / М.: Высш. шк., 1990 - 520 с.
4. Мухленов И.П. и др. Общая химическая технология: Учеб. для химико-техн. спец. вузов. В 2-х т. Т.2. Важнейшие химические производства / М.: Высш. шк., 1984 - 263 с.
