20.4. Пример решения конкретной производственной задачи повышения эффективности массообменного процесса

Рассмотрим задачу повышения эффективности работы ректификационной колонны К-701 Сургутского завода стабилизации конденсата, в решении которой принимали участие преподаватели и сотрудники кафедры ПАХТ КНИТУ и инженерно-внедренческого центра «Инжехим».

Сургутский ЗСК спроектирован для переработки смеси деэтанизированного газового конденсата и нефти в соотношении 9:1, которая поступает по продуктопроводу Уренгой-Сургут. В колоннах стабилизации ректификацией этой смеси выделяют широкую фракцию легких углеводородов (ШФЛУ) и стабильный конденсат (рис.20.1), который направляется на установку моторных топлив, ШФЛУ отправляется на газофракционирующую установку (ГФУ), состоящую из блока извлечения изопентана и установку получения пропана.

Улучшение экономических показателей работы ЗСК и расширения рынка сбыта готовой продукции потребовало повышения качества товарной продукции и расширения её ассортимента. Для этого возникла необходимость получать изопентан и пропан не ниже марки «А», а также наладить выпуск товарных изобутана и н-бутана марки «А» и «высшей».

Рисунок 20.1. Технологическая схема установки стабилизации

Стабилизатор (рис.20.2) представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат переменного сечения, внутри которого расположены 38 массообменных ситчатых тарелок с перекрестным сливом. В верхней части колонны – 19 четырехпоточных тарелок диаметром 2600 мм, в нижней части – 19 шестипоточных, диаметром 3200 мм. Процесс ректификации происходит при давлении 0,6–1,4 МПа и температуре: куба – не более 250С, верха – не более 150С.

Смесь нефти и газового конденсата (НГК) поступает на питательную 20-ю сверху тарелку стабилизатора (рис.20.1), предварительно нагреваясь в теплообменнике-рекуператоре Т-701. Пары ШФЛУ с верха колонны направляются в воздушные холодильники ВХ-701, где конденсируются, охлаждаются и поступают в емкость орошения Е-701. Вывод несконденсированных газов осуществляется в факельную линию, либо на Сургутский газоперерабатывающий завод. ШФЛУ из флегмовой емкости насосом Н-701 откачивается в резервуарный парк. Часть ШФЛУ из емкости поступает в стабилизатор в качестве флегмы и холодного орошения для регулирования температуры верха колонны.

Рисунок 20.2. Колонна стабилизации

Кубовый остаток (стабильный конденсат) выводится с температурой до 250С, последовательно проходит межтрубное пространство теплообменников-рекуператоров Т-701, где отдает тепло НГК смеси и выводится после доохлаждения из установки. Часть кубовой жидкости испаряется в огневом подогревателе П-701 и возвращается в колонну под нижнюю тарелку.

Изменение состава исходной смеси и увеличение её расхода по сравнению с проектными привело к тому, что в дистилляте (ШФЛУ) слишком велико содержание тяжелых углеводородов (С₆ и выше), а в кубовом остатке (стабильном конденсате) – легких углеводородов, что не соответствует техническим требованиям. Анализ показал, что лимитирует пропускную способность колонны К-701 по нагрузке её верхняя часть диаметром 2600 мм. Для увеличения пропускной способности и эффективности разделения было предложено заменить ситчатые тарелки в верхней части колонны на новую высокоэффективную регулярную насадку IRG «Инжехим» [62] рис.20.3.

Рисунок 20.3. Пакет пластин насадки IRG

При разработке этой насадки и поиске оптимальной её геометрии (угол наклона гофров к вертикальной оси аппарата, высота гофраh, угол при вершине гофра ) использовался метод численного решения системы дифференциальных уравнений, составляющих исчерпывающее описание процессов переноса субстанций. Он реализовывался с помощью программно-вычислительного комплексаPHOENICS [63] (см. разд. 21.3). Затем для изготовленной насадки проводились испытания на гидравлическом стенде кафедры ПАХТ КНИТУ, в ходе которых сопоставлялись результаты численного и физического экспериментов, а также изучалась структура потока в данной насадке. По результатам исследований был сделан вывод о возможности использования модели идеального вытеснения для парового потока и диффузионной – для жидкого [62].

С учетом этого была предложена следующая математическая модель массопереноса в насадочной части колонны

, ,	(20.1)
, ,	(20.2)

где – элементы матрицы объёмных коэффициентов массопередачи, S – площадь поперечного сечения колонны, G, L – мольные расходы пара и жидкости, Ре_L – критерий Пекле для обратного перемешивания жидкости, d_э – эквивалентный диаметр насадки, z – вертикальная координата.

Система уравнений (20.1), (20.2) должна удовлетворять граничным условиям, заданным для верхнего и нижнего сечений насадки в колонне и имеющим вид:

, ,
, ,

где значения координаты z = соответствуют нижнему и верхнему сечениям насадки с внешней стороны её границы,z = – с внутренней границы насадки.

Для расчета матриц коэффициентов массопередачи по (12.248) требуется знание матриц коэффициентов массотдачи. Анализ работ по применению различных моделей турбулентного обмена при многокомпонентном массопереносе показывает, что итоговые соотношения для коэффициентов массоотдачи получаются аналогичными выражениям, полученным для бинарных систем [64]. Так, например, показано, что модель обновления поверхности приводит в многокомпонентном случае к выражению:

.

(20.3)

Для массоотдачи в газовой фазе при ее турбулентном движении на сегодняшний день не существует надежных моделей. Обобщение большого числа экспериментальных данных по бинарным системам показывает, что в этом случае , а критериальное выражение для коэффициента массоотдачи обычно записывают в следующем виде:

.

(20.4)

Допуская, что для многокомпонентного массопереноса функциональная зависимость не изменится, можно записать:

.

(20.5)

Коэффициенты и в выражениях (20.3), (20.5) зависят от теплофизических свойств систем, гидродинамики в аппаратах и характеристик контактных устройств. Значения критериев Рейнольдса при рабочих нагрузках в колонне, показывают, что режим движения паровой фазы турбулентный, а жидкой лежит в переходной области. Для насадки типа, подобного IRG, выражения для множителей были получены из эксперимента по массообмену при ректификации бинарной смеси углеводородов [65]. Для массоотдачи в жидкой фазе это следующие соотношения:

, ,
.

Для газовой фазы результаты эксперимента были обработаны и найдены параметры уравнения (20.4): ,. Далее, после несложных преобразований, получим значение коэффициента в выражении (20.5)

.

Алгоритм расчета многокомпонентной ректификации в насадочной колонне строится следующим образом. Задаётся покомпонентный состав питания, условие ввода питания, точка ввода питания, высота колонны, давление в колонне, типы кипятильника и дефлегматора, расход дистиллята или куба, а также покомпонентный состав дистиллята, который используется в качестве первого приближения. На основе этих данных из уравнений материального баланса, получаем покомпонентный состав куба колонны, который также используется в качестве первого приближения.

В процессе моделирования расчет проводился на основе -метода, который позволяет достичь сходимости за достаточно малое количество итераций. При расчетах сделано допущение постоянства мольного расхода пара в колонне [64].

Дифференциальные уравнения (20.1), (20.2) многократно решаются методом Рунге-Кутта четвертого порядка сверху и снизу колонны до согласования состава пара в точке питания. При решении дифференциальных уравнений для новых значений составов жидкой фазы производился пересчет температуры, плотности, равновесных составов паровой фазы и матриц коэффициентов диффузии, последние определялись по соотношениям из приложения П.3.

По предложенной модели, предварительно были проведены расчеты разделения некоторых углеводородных смесей в насадочных колоннах с целями проверки её адекватности и анализа влияния эффектов многокомпонентности.

На рис.20.4. представлены профили концентраций компонентов в жидкой фазе трех-компонентной смеси. Пунктирные линии – это расчет с матрицей коэффициентов массопе-редачи, сплошные – с одним коэффициентом массопередачи. Таким образом, можно увидеть влияние перекрестных членов матрицы коэффи-циентов массопередачи на процесс разделения.

Рисунок 20.4. Распределе-ние концентраций компо-нентов в жидкой фазе по высоте колонны: на высоте 2 м осуществляется ввод исходной смеси

Полученная модель позволила провести расчет процесса ректификации нефтегазового конденсата, проводящегося в колонне К-701 Сургутского ЗСК. Исходная смесь рассматривалась как 36-компонентная, причем первые 7 компонентов являлись индивидуальными предельными углеводородами с С₁ по С₅ (включая изомеры), а остальные – 29-фракциями, выкипающими в диапазоне 10 градусов (рис.20.5, 20.6). Входные концентрации пара в насадочную (верхнюю) часть колонны брались из потарелочного расчета тарельчатой (нижней) части колонны, который проверялся по экспериментальным данным с колонны К-701. Результаты моделирования, проведенного в соответствии с данными технического задания (ТЗ), показали возможность ее модернизации для решения поставленных задач путем замены ситчатых тарелок в верхней части колонны на регулярную насадку IRG «Инжехим» высотой 8 м (удельная поверхность а = 162 м²/м³, доля свободного объема = 0,98). Результаты предварительных расчетов и проведенных после реконструкции колонны К-701 промышленных испытаний, приведенные в таблице 20.1, подтвердили адекватность предложенной модели.

Рисунок 20.5. Профили концентраций в жидкой фазе пропана, изо-бутана, н-бутана, изо-пентана, н-пентана и фракции 40-50^оС при разделении 36-ти компонентной смеси по высоте колонны

Рисунок 20.6. Профили концентраций в жидкой фазе метана, этана и фракции 50-60^оС при разделении 36-ти компонентной смеси по высоте колонны

Таблица 20.1. Сравнение расчетных и экспериментальных данных

для колонны стабилизации газового конденсата К-701.

компонент	питание, массовые доли			дистиллят, массовые доли
	ТЗ	эксперимент	расхождение,%	расчет	эксперимент	расхождение,%
C1+C2	0,0119	0,0122	2,46	0,0261	0,0225	15,84
C3	0,1049	0,0991	5,85	0,3019	0,3073	1,77
сумма C4	0,1548	0,1427	8,48	0,4825	0,4884	1,24
i-C5	0,0527	0,0539	2,04	0,1169	0,1102	6,17
н-C5	0,0453	0,0470	3,62	0,0696	0,0692	0,65
C6 и выше	0,6304	0,6451	2,28	0,0030	0,0024	29,00

Реализованный вариант модернизации колонны К-701 позволил снизить содержание изо-пентана в стабильном конденсате с 3-3,3% до 1,6% (менее 2% по техническому заданию) и повысить его содержание в ШФЛУ с 9-10% до 11% при уменьшении содержания тяжелых углеводородов (Си выше) ниже 1% (менее 2,5% по техническому заданию).