CC BY
220
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.522.3
Э.В. Осипов, С.И. Поникаров, Ф.М. Сайрутдинов, Э.Ш. Теляков СИСТЕМНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТАНОВОК ВАКУУМНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ
Представлена разработанная в среде ChemCad модель сложной химико-технологической системы (установки вакуумной ректификации), позволяющая учитывать взаимное влияние элементов, из которых она состоит. Разработаны модели этих элементов.
Химия, нефтехимия, ректификация, вакуумные системы
E.V. Osipov, S.I. Ponikarov, F.M. Sairutdinov, E.Sh. Teliakov SYSTEM MODELING OF VACUUM RECTIFICATION COLUMN
The model of complex chemical system (vacuum rectification column) generated in computer program ChemCad is presented. This model allows taking into account interference of basics elements to each other. The models of these elements are created.
Chemical, Petrochemical, rectification, vacuum systems
Процессы вакуумной ректификации широко распространены в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Использование вакуума позволяет снизить температуру нагрева кубовых продуктов и 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. При этом углубление вакуума усложняет работу конденсационных узлов ректификационных установок и предъявляет специфические требования к герметичности оборудования.
Установка вакуумной ректификации представляет совокупность взаимодействующих и взаимовлияющих узлов (аппаратов), связанных технологическими потоками, которая функционирует как единое целое, что позволяет рассматривать её как сложную химикотехнологическую систему (СХТС). Основными внутренними элементами СХТС являются 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, следовательно, и на свойства СХТС.
Поэлементное исследование системы является малоэффективным, т.к. элементы системы обладают характеристиками, конкретные значения которых устанавливаются в рамках интегративной характеристики СХТС. В настоящее время исследование подобных систем наиболее эффективно проводится в средах специальных моделирующих систем (например, в среде Chem Cad).
Пакет Chem Cad обладает достаточно мощной базой для моделирования разнообразных процессов и аппаратов химической технологии, в т.ч. и ректификационных колонн. Однако специализированный модуль для расчета ВСС в пакете отсутствует. 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 качестве рабочего тела используются дистиллятные продукты ректификационных колонн, имеющие максимальное термодинамическое схожество между рабочей жидкостью и откачиваемыми средами, т.к. они имеют одну физико-химическую природу. Поэтому возникает задача разработки специализированных модулей ВСС с использованием возможностей базы данных пакета Chem Cad.
Модель вакуумной ректификационной колонны
Работа ВК характеризуется поступлением в систему «газов натекания» - атмосферного воздуха, т.к. в вакуумируемую систему будет в определенном количестве поступать внешняя среда через микронеплотности (сварные швы, прокладочные соединения, уплотнения насосов и т.д.). Несмотря на относительно небольшое количество газов натекания, пренебрегать этим явлением в рассматриваемом случае нельзя, т.к. 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 Pn повышение давления за определенный период времени не должно превышать заданного значения (А):
(Pk - Pn)/(Pn т) = А, 1/час. (1)
Тогда количество натекающего воздуха в объект испытания за 1 час при допущении об изотермичности процесса испытания составит:
АО = 273 - У • M • Ап • Pn /(22,4 • 760 • (273 + tu)), кг/час. (
2)
В уравнениях (1) и (2) Pk и Pn - давления в конце и начале периода испытаний, соответственно; т - продолжительность испытания; АО - расход газов натекания; У - суммарный объем вакуумируемого оборудования; M - молекулярная масса откачиваемого газа; tu - температура среды в период испытаний.
Вторым источником образования в системе неконденсируемых газов является термическое разложение кубового продукта. Этот процесс определяется температурой нагрева кубового продукта и, следовательно, зависит от давления в ректификационной системе. Кинетика 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 Chem Cad, представлена на рис. 1.
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).
____т_____*
Рис. 1. Расчетная схема вакуумной ректификационной колонны с конденсационным узлом и с транспортными коммуникациями
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 проведен численный эксперимент по разделению продуктов переработки фенола (производство «фенола-ацетона», ОАО «Казаньоргсинтез»). Результаты, оформленные в виде зависимостей Qпгc - РВ (характеристика РК), представлены на рис. 2.
Давление, мм.рт.ст.
—■—Ряді А Ряд2
Рис. 2. Характеристика ОПГС- РВ (расход несконденсированной парогазовой смеси -давление верха РК). Температура конденсации: ряд 1 - 50 0С, ряд 2 - 20 0С
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°С сопровождается 6-ти кратным ростом выхода ПГС, что конечно же должно учитываться при проектировании СХТС. На практике для систем оборотного водоснабжения температура конденсации 20°С практически не достижима. Более реальной является температура 50°С.
Модель вакуумосоздающей системы
Характеристика ЖКВН выдается заводами изготовителями машин в виде зависимости РЬс - Q (развиваемый вакуум - расход откачиваемого газа). Эта 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. Паспортные характеристики приводятся в виде зависимостей Q (объемный расход откачиваемого газа) - РЬс (давление всасывания) для заданных условий испытания (заданы температуры откачиваемого газа и рабочей жидкости). Эти зависимости характеризуются существенной нелинейностью, что затрудняет их использование. Кроме того, в среде пакета СИешСаё использование объемных расходов не предусмотрено.
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.
Ранее предложена математическая модель ЖКВН [2], основанная на представлении На основании ранее проведенных исследований [1] характеристика, полученная на системе воздух вода, может быть приведена к виду:
0(е) = Г (р, и) ■ 00 (е)-Оге1 (е), кг-моль/час; (3)
где О(е), 00 (е), и Огег (е) - расход откачиваемого газа, нормированный расход и расход циркулирующего газа (являются функциями текущей степени сжатия), соответственно, Г(р, /и) поправочная функция, учитывающая влияние плотности и вязкости рабочей жидкости на характеристику ЖКВН. Характеристика насоса 2ВВН1-6, пересчитанная в соответствии с соотношением (3), представлена на рис. 3.
♦ Ряді ■ Ряд2 ▲ Ряд3
Рис. 3. Характеристика насоса 2ВВН1-6 (мольные расходы): ряд 1 - Оо (є) линия постоянного объема 0! (є); ряд 2 - экспериментальная характеристика Оа (є); ряд 3 - расход рециклового потока 0КЕ2 (є)
В соответствии с разработанным алгоритмом 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 СИешСаё, 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 Grez (?)) и поток охлажденной рабочей жидкости (задается по характеристике ЖКВН). Из полости нагнетания отводятся потоки выхлопного газа (26) и жидкий поток конденсата (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 (G(e) и расходом рабочей жидкости G(L):
K = G(s) / G(L). (
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).
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 согласованием расходов и пара-
метров состояния (давление, температура, состав) ПГС, отходящей из расчетной схемы ВК (рис. 1) и поступающей в расчетную схему ВСС (рис. 4, 5).
Рис. 5. Расчетная схема ВСС на базе ЖЭ
Описанная модель использована при разработке проекта реконструкции ВСС для двух цехов совместного производства фенола - ацетона. При этом впервые в отечественной практике 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. У становка после реконструкции устойчиво работает более 3 лет.
ЛИТЕРАТУРА
1. Теляков Э.Ш. // МАСИ (IASS) Вестник Академии. Т.7. Ч.1. 2004. C. 21-32.
2. Цегельский В.Г. Двухфазные струйные аппараты. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 408 с.
Осипов Эдуард Владиславович -
магистр, аспирант кафедры «Машины и аппараты химических производств» Казанского государственного технологического университета
Поникаров Сергей Иванович -
профессор, заведующий кафедрой «Машины и аппараты химических производств» Казанского государственного технологического университета
Сайрутдинов Фарид Мирсаитович -
магистр, аспирант кафедры «Машины и аппараты химических производств» Казанского государственного технологического университета
Теляков Эдуард Шархиевич -
профессор кафедры «Машины и аппараты химических производств» Казанского государственного технологического университета
Статья поступила в редакцию 3.09.12, принята к опубликованию 12.03.12
