Полная исследовательская публикация ______________ Осипов Э.В., Поникаров С.И. и Теляков Э.Ш.
88 ______________ http://butlerov.com/ ______________ ©--Butlerov Communications. 2011. Vol.28. No.20. P.84-88.
Системное моделирование установок вакуумной ректификации
Осипов Эдуард Владиславович
Аннотаци
Представлена разработанная в среде ChemCad модель сложной химико-технологической системы (установка вакуумной ректификации), позволяющая учитывать характеристики элементов одного иерархического уровня, из которых она состоит. На полученных в программном пакете моделях отдельных элементов системы проведены численные эксперименты по определению их характеристик с целью получения интегративной характеристики системы.
Введение
Процессы вакуумной ректификации широко распространены в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Использование вакуума позво-яет снизить температуру нагрева кубовых продуктов, и за счет этого уменьшить интенсивность процессов термической деструкции этих продуктов. Одновременно с понижением давления возрастает и относительная летучесть разделяемых компонентов, что приводит к снижению энергозатрат на реализацию процесса ректификации. В то же время углубление вакуума усложняет работу конденсационных узлов ректификационных установок и предъявляет специфические требования к герметичности оборудования.
Установка вакуумной ректификации представляет собой совокупность взаимодействующих между собой и взаимовлияющих друг на друга узлов (аппаратов), связанных технологическими потоками, которая функционирует как единое целое, что позволяет рассматривать её как сложную химико-технологическую систему (СХТС). Основными внутренними элементами данной СХТС являются собственно вакуумная ректификационная колонна (ВК), конденсатор (К), вакуумсоздающая система (ВСС) и коммуникационные трубопроводы (ТП) между ВК и К и между К и ВСС. Трубопроводы оказывают существенное влияние на величину вакуума, достигаемого в РК, а значит и на свойства всей СХТС.
Поэлементное исследование системы является малоэффективным, поскольку все элементы системы обладают своими характеристиками, конкретные значения которых устанавливаются только в рамках интегративной характеристики СХТС. В настоящее время исследование подобных систем наиболее эффективно проводится в средах специальных моделирующих систем (например, в среде ChemCad).
Пакет Chem Cad обладает достаточно мощной базой для моделирования самых разнообразных процессов и аппаратов химической технологии, в том числе и ректификационных колонн. Однако специализированного модуля для расчета ВСС в пакете нет. В настоящее время в установках вакуумной ректификации в области вакуума 40 мм рт.ст. и выше наиболее перспективно использование в качестве ВСС гидроциркуляционных систем на базе или жидкостно-кольцевых вакуумных насосов (ЖКВН), или жидкостных эжекторов (ЖЭ). В обоих случаях в качестве рабочего тела используются дистиллятные продукты самих ректи-фикационных колонн, имеющие максимальное термодинамическое сродство между рабочей жидкостью и откачиваемыми средами, поскольку они имеют одну и ту же физико-хими-ческую природу. Поэтому возникает задача разработки специализированных модулей ВСС с использованием возможностей базы данных пакета ChemCad.
1. Модель вакуумной ректификационной колонны
вакуумный ректификация модель
Работа ВК характеризуется поступлением в систему «газов натекания» - атмосферного воздуха, поскольку в любую вакуумируемую систему будет в том или ином количестве поступать внешняя среда через микронеплотности (сварные швы, прокладочные соединения, уплотнения насосов и т.д.). Невзирая на относительно небольшое количество газов натекания, пренебрегать этим явлением в рассматриваемом случае нельзя, поскольку именно они определяют нагрузку на эвакуационный узел (ВСС). Расчет расхода газов натекания производится из условия, что в период испытания на герметичность оборудования при рабочем давлении повышение давления за определенный период времени не должно превышать заданного значения:
(1)
Тогда количество натекающего воздуха в объект испытания за 1 час при допущении об изотермичности процесса испытания составит:
, кг/час (2)
В уравнениях (1) и (2) и - давления в конце и начале периода испытаний соответственно, - продолжительность испытания, - расход газов натекания, - суммарный объем вакуумируемого оборудования, - молекулярная масса откачиваемого газа, - температура среды в период испытаний.
Вторым источником образования в системе неконденсируемых газов является терми-ческое разложение кубового продукта. Этот процесс определяется температурой нагрева кубового продукта и, следовательно, зависит от давления в ректификационной системе. Кине-тика процесса термической деструкции для многих процессов разделения (например, для ВК установок первичной перегонки нефти) достаточно хорошо изучена.
Расчетная математическая модель ВК, синтезированная с учетом вышеприведенных положений в среде ChemCad, представлена на рис. 1.
Рис. 1. Расчетная схема вакуумной ректификационной колонны
с конденсационным узлом и с транспортными коммуникациями
В расчётной схеме поток 2 характеризует газы натекания, расход которых поддерживается контроллером 9 в соответствии с уравнениями (1)-(2). Газы разложения (поток 4) формируются реактором 3 в соответствии с температурой и давлением, складывающимися в кубовом испарителе 2 вакуумной колонны 1. Настроечные параметры реактора 3 задаются в соответствии с кинетическим уравнением реакции деструкции (предполагается известным). Модуль расчета ректификации позволяет учитывать гидравлическое сопротивление контактных устройств (КУ) (задается их тип). Задание характеристик транспортных трубопроводов 4 и 7 (геометрия), позволяет рассчитывать их гидравлические сопротивления. Парциальный конденсатор 5 определяет выход несконденсированных газов. Делитель 6 формирует расходы потоков флегмового орошения и дистиллята (задаются по данным предварительных расчетов или технологического регламента). Модуль 8 передает соответствующий поток парогазовой смеси (ПГС) на расчет ВСС.
На представленной выше модели был проведен численный эксперимент по разделению продуктов переработки фенола (производство «фенола-ацетона», ОАО «Казаньоргсинттз»). Результаты, оформленные в виде зависимостей QПГС - PВ (характеристика РК), представлены на рис. 2.
Рис. 2. Характеристика QПГС - PВ (расход несконденсированной парогазовой смеси - давление верха РК). Температура конденсации: Ряд 1 - 50 oС, Ряд 2 - 20 oС.
По полученной характеристики РК можно сделать вывод, что температура и давление конденсации оказывают существенное влияние на расход неконденсируемых газов. Так при давлении конденсации 21 мм рт.ст. изменение температуры конденсации от 20 до 50 oС сопровождается 6-ти кратным ростом выхода ПГС, что, конечно же, должно учитываться при проектировании СХТС. На практике для систем оборотного водоснабжения температура конденсации 20 оС практически не достижима. Более реальной является температура 50 oС.
2. Модель вакуумсоздающей системы
Заданная глубина вакуума в вакуумных колоннах создаётся и поддерживается с помощью вакуумсоздающих систем (ВСС), в состав которых входят системы конденсации, системы вакуумных насосов, барометрическая труба, газосепаратор и сборник конденсата [1]. ВСС предназначена для: создания начального разряжения в технологической системе для запуска процесса; поддержания заданного вакуума в течение технологического процесса.
Характеристика ЖКВН выдается заводами изготовителями машин в виде зависимости (расход откачиваемого газа - развиваемый вакуум). Данная характеристика выдается только для системы воздух (откачиваемая среда) - вода (рабочая жидкость) и не может быть непосредственно использована для реальных рабочих условий работы гидроциркуляционных систем на базе ЖКВН. В реальных системах ЖКВН откачивает ПГС, насыщенные дистиллятными компонентами в подсистеме конденсации дистиллятных паров, а в качестве рабочей жидкости используется дистиллят ВК. В ЖКВН протекают сложные массо-теплообменные процессы между рабочей жидкостью и откачиваемым газом. Кроме того, работа ЖКВН характеризуется наличием перетечек газа между полостями нагнетания и всасывания насоса.
На основании ранее проведенных исследований [2] характеристика, полученная на системе воздух вода, может быть приведена к виду:
, кг-моль/час(3)
где , , и - расход откачиваемого газа, нормированный расход
и расход циркулирующего газа (являются функциями текущей степени сжатия) соответственно, - поправочная функция, учитывающая влияние плотности и вязкости рабочей жидкости на характеристику ЖКВН.
Характеристика насоса 2ВВН1-6 (рис. 3), пересчитанная в соответствии с (3), представлена на рис. 3.
Рис. 3. Характеристика насоса 2ВВН1-6 (мольные расходы): ряд 1 - - линия постоянного расхода; ряд 2 - экспериментальная характеристика ; ряд 3 - расход рециклового потока
В соответствии с разработанным алгоритмом все функции для заданного насоса могут быть определены в явном виде из его рабочей характеристики, выдаваемой заводом-изготовителем для системы вода-воздух. Уравнение (3) позволяет реализовать математическую модель ЖКВН в среде ChemCad, которая показана на рис. 4.
Рис. 4. Расчётная схема ВСС на базе ЖКВН
В расчетной схеме модули 12 и 18 моделируют условия во всасывающей и нагнетательной полостях насоса соответственно. Во всасывающую полость поступают: поток откачиваемой ПГС (11 - передается из первой расчетной схемы); поток рециркулирующего газа (24) из полости нагнетания (формируется контролером 14 в соответствии с заданной функцией ) и поток охлажденной рабочей жидкости (задается по характеристике ЖКВН). Из полости нагнетания отводятся потоки выхлопного газа (26) и жидкий поток кон-денсата (28).
Для гидроциркуляционной ВСС на базе ЖЭ описание процесса откачки ПГС целесообразно проводить с использованием коэффициента эжекции, который определяется как соотношение между расходом откачиваемого газа и расходом рабочей жидкости :
(4)
Методика расчета коэффициента эжекции при откачке как неконденсируемых, так и частично конденсируемых газов достаточно хорошо разработана [3]. Коэффициент эжекции является функцией геометрии эжекторного устройства, а также параметров рабочей жидкости (давление, плотность, вязкость). Использование уравнения (4) позволяет построить математическую модель ВСС на базе ЖЭ в среде Chem Cad (рис. 5).
Рис. 5. Расчетная схема ВСС на базе ЖЭ
В расчетной схеме модули 1, 2 и 3 моделируют соответственно насос, ЖЭ и фазовый сепаратор. Потоки 1, 2, 4 и 8 - соответственно откачиваемая ПГС, циркулирующая рабочая жидкость, выхлопной газ и избыток сконденсированного конденсата. Заданная температура циркулирующей жидкости обеспечивается холодильником 4.
Комплексное моделирование процесса вакуумной ректификации совместно с системой откачки неконденсируемых газов позволяет учесть взаимовлияние данных блоков. Задача может решаться как в проектной постановке (подбор оборудования обеспечивающего заданные условия разделения), так и в поверочной (корректировка режимов работы оборудования при его частичной замене, или при изменении условий разделения). Модель позволяет моделировать и разделение гетерофазных систем (например, разделение углеводородов в присутствии водной фазы). Совместное решение находится путем согласования расходов и параметров состояния (давление, температура, состав) ПГС, отходящей из расчетной схемы ВК (рис. 1) и поступающей в расчетную схему ВСС (рис. 4, 5).
Заключение
Описанная модель была использована при разработке проекта реконструкции ВСС для двух цехов совместного производства «фенола-ацетона». При этом впервые в отечественной практике был использован прием установки одной вакуумной станции на базе ЖКВН для группы колонн (5 колонн в одном цехе и 7 колонн в другом). Общее число ВСС в результате реконструкции сократилось при этом с 13 до 2. Результаты моделирования полностью подтвердились при запуске реконструированной установки. Установка после реконструкции устойчиво работает более 3 лет.
Литература
Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа: Учебное пособие для вузов. Уфа: Гилем. 2002. 672с.
Теляков Э.Ш. и др. МАСИ (IASS) Вестник Академии. 2004. Т.7. Ч.1. С.21-32.
Цегельский В.Г. Двухфазные струйные аппараты. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2003.