Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Ф едеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа природных ресурсов

Направление подготовки 18.03.01 «Химическая технология»

Образовательная программа «Технология подготовки и переработки нефти и газа»

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 5

Название работы

Точный расчет колонны в DWSIM

Вариант

Вариант 24

По дисциплине

Основы проектирования процессов переработки природных энергоносителей

Студент

Группа	ФИО	Подпись	Дата
2Д12	Чижова Анастасия Васильевна

Руководитель

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата
Доцент	Самборская М.А.	к.т.н.

Томск – 2025 г.

Цель работы: выполнить точный расчет колонны в DWSIM

Теоретическая часть

Основным массообменным процессам в технологии переработки природных энергоносителей является ректификация. Энергоемкость ректификационных установок чрезвычайно высока, на их долю приходится до 80% общего энергопотребления крупного производства. В целом принципы многокомпонентной ректификации применимы к фракционированию нефти и нефтяных фракций, хотя и имеется ряд специфических особенностей, обусловленных следующими причинами:

• нефть представляет собой смесь чрезвычайно сложного состава, состоит из большого числа углеводородов различных типов, а также ряда органических и неорганических соединений,

• количество углеродных атомов в молекулах может лежать в интервале от 1 до 50, поэтому вещества кипят при атмосферном давлении в интервале (30–600) ºС,

• в узких температурных пределах может выкипать множество компонентов,

• продукты ректификации также представляют собой сложные смеси, характер и выход которых может варьироваться в широких пределах в зависимости от источника сырья,

• мощность установок фракционирования нефти, как правило, велика и они включают нескольких видов ректификационных колонн: атмосферную перегонку нефти, вакуумную перегонку мазута, газофракционирующие установки и т.д.

• установки состоят из большого количества единиц оборудования и потребляют большое количество энергии, поэтому оптимизация их проектирования и эксплуатации приводит к сложной конфигурации технологической схемы

В нефтеперерабатывающей промышленности в основном применяют ректификационные колонны непрерывного действия. Различают простые и сложные колонны. Простые колонны обеспечивают разделение сырья на два продукта: ректификат (дистиллят) – продукт, обогащенный низкокипящими компонентами НКК и кубовый остаток – продукт, обогащенный высококипящими компонентами ВКК. Сложные ректификационные колонны разделяют исходную смесь более чем на два продукта. Различают сложные колонны с отбором дополнительных продуктов непосредственно из колонны в виде боковых погонов и колонны, у которых дополнительные продукты отбирают из специальных отпарных колонн или стриппинг-секций.

Для разделения многокомпонентных и непрерывных смесей требуется система колонн, каждая из которых разделяет поступающую смесь на соответствующие компоненты или фракции. Способ соединения колонн между собой (выбор технологической схемы) определяется технико-экономическими показателями, требованиями к конечным продуктам, их термической стабильностью, наличием соответствующих теплоносителей и хладагентов и т.д. Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, флегмовое число, число ступеней контакта.

В общем случае методы расчета процесса многокомпонентной ректификации в тарельчатых колоннах можно разделить на 3 группы:

• графические методы, разработанные до широкого распространения персональных компьютеров, ряд графических методов сохраняют свою значимость для предварительных расчетов и обучения, благодаря своей простоте и наглядности;

• приближенные методы, содержащие ряд упрощающих допущений, предназначены как для предварительных, так и для проектных расчетов, используются в качестве начальных приближений для точных методов;

• точные методы, основанные на использовании компьютеров, позволяют получить точное решение уравнений материального и теплового балансов и уравнений фазового равновесия процесса ректификации.

Точные методы предполагают постадийный расчет ректификационной колонны (метод «от тарелки к тарелке»), который, в основном, повторяет алгоритм расчета бинарной смеси. Поскольку для многокомпонентных смесей нельзя заранее полностью задать составы всех продуктовых потоков колонны, как это делается для бинарной смеси, возникает необходимость использовать итерационные методы. В качестве отправной точки расчетов предварительно задаются полным составом одного из продуктов колонны (дистиллятом или кубовым остатком) и проводят все расчеты, переходя от тарелки к тарелке, пока не будет достигнута требуемая степень разделения. Найденные в результате последовательного применения уравнений баланса и парожидкостного равновесия количества и полные составы обоих продуктов колонны должны удовлетворять материальному балансу по каждому компоненту исходной смеси. Если это условие не выполняется, то корректируют состав одного из продуктов и повторяют расчет. Итерации ведут до тех пор, пока уравнения баланса по каждому компоненту не будут выполняться с некоторой заранее заданной точностью. Для оценки результатов расчета, выбора направления и корректировки составов разработаны многочисленные алгоритмы и критерии, описанные в специальной литературе. Различные методы, улучшающие сходимость и уменьшающие время расчета встроенные в симуляторы промышленных процессов, рассмотрены ниже.

Алгоритмы постадийного расчета развивались с развитием памяти и быстродействия компьютеров, математических методов и программного обеспечения, методов расчета свойств многокомпонентных смесей.

Поскольку система уравнений балансов и парожидкостного равновесия решается итерационно, существуют два ключевых направления развития алгоритмов решения:

• разработка/выбор подходящих численных методов,

• выбор последовательности решения уравнений.

Основные классы численных методов, предназначенные для расчета по стадиям процесса ректификации:

1. декомпозиционные методы, в которых уравнения разбиваются на группы, каждая из которых решается отдельно;

2. inside-out (IO) методы;

3. методы одновременного схождения, в которых все уравнения решаются одновременно методом Ньютона или его вариантами;

4. методы релаксации, в которых уравнения записываются в нестационарной форме и численно интегрируются до тех пор, пока не будет найдено стационарное состояние;

5. методы продолжения;

6. методы коллокаций;

7. оптимизационные методы.

Наиболее широко используются декомпозиционные методы, inside-out (IO) методы, методы одновременного схождения и методы продолжения.

В декомпозиционных методах система нелинейных уравнений разбивается на небольшие группы, и каждая из групп решается по очереди. При решении любого из подмножеств только часть переменных может быть рассчитана, остальным переменным необходимо присвоить значения. Из полного множества уравнений последовательно выделяются подмножества уравнений и переменных, пока не достигается полное обновление значений переменных. Затем процесс повторяется до тех пор, пока все уравнения не будут решены одновременно. Эти методы классифицируются по следующим признакам:

• порядок группировки уравнений,

• порядок решения каждой группы уравнений,

• выбор, какие переменные, из каких уравнений рассчитывать,

• методы расчета материального и теплового баланса,

• методы расчета новой температуры на стадии,

• метод расчета мольных расходов жидкости и пара.

Большинство декомпозиционных методов основаны на выделении в подмножества уравнений одного типа (например, уравнений баланса массы на всех стадиях).

Для расчетов мольных расходов паровой и жидкой фаз на каждой стадии было предложено три различных подхода, нашедшие широкое применение.

1. Метод температур кипения, в котором для расчета температуры на ступени разделения решаются уравнения теплового баланса и ограничения на сумму мольных долей компонентов в потоках (уравнения суммирования). Расходы жидкости и пара рассчитываются из теплового и общего материального балансов.

2. Метод суммарных расходов, в котором расходы жидкой и паровой фаз рассчитывают напрямую из уравнений суммирования, а температуры стадий – из теплового баланса.

3. Метод Ньютона-Рафсона решает уравнения температур кипения и теплового баланса совместно, для определения температуры и расхода пара на каждой стадии, расход жидкости считается из общего материального баланса стадии.

Inside-out методы можно также отнести к декомпозиционным, в отдельную группу они выделены благодаря их широкому использованию в большинстве коммерческих симуляторов. В этих методах сложные выражения для расчета равновесия и энтальпий заменяются простыми моделями и итерационные переменные заменяются переменными простых моделей, которые относительно независимы друг от друга.

Методы одновременного схождения. Один из существенных недостатков декомпозиционных методов – необходимость многократных пересчетов физических свойств, зависящих от температуры и состава фаз. Именно расчеты свойств обычно поглощают большую часть компьютерного времени. Для преодоления указанного недостатка были разработаны методы одновременного решения всех уравнений системы. Метод Ньютона и его модификации широко используются в коммерческих симуляторах процессов, особенно для случаев, где методы декомпозиции не сходятся (обычно для сильно неидеальных смесей). Эти методы, как правило, менее чувствительны к нелинейности уравнений системы.

Методы продолжения начинаются с известного решения сопутствующей системы уравнений и продолжаются до желаемого решения системы уравнений, которую необходимо решить. Как правило, путь перехода от одной системы к другой существует. Методы продолжения, используемые для расчета ректификации можно разделить на следующие категории:

а) математические – использующие уравнение гомотопии исключительно математического происхождения;

б) физические – использующие физическую сущность уравнений и переменных.

Применение математических методов, использующих гомотопию Ньютона подробно описаны в работах для расчета ректификации неидеальных смесей и систем колонн, связанных материальными потоками. К методам физического продолжения можно отнести метод термодинамической гомотопии и параметрической гомотопии, где флегмовое число и мольный расход кубового продукта использованы в параметрическом решении уравнений ректификации.

Методы релаксации привлекают своей устойчивостью, хотя схождение решения может быть чрезвычайно медленным процессом.

Методы коллокаций широко используются для решения систем уравнений в частных производных и несмотря на их солидный потенциал недостаточно используются для расчетов многокомпонентной ректификации.

Оптимизационные методы используются преимущественно для расчетов сложных ректификационных процессов. В настоящее время методы этой группы активно разрабатываются и используются.

Приближенные методы используются как для проектных расчетов, так и для предварительной оценки составов продуктов разделения, которые являются исходными данными для метода «от тарелки к тарелке». Они обычно основаны на сведении многокомпонентной смеси к псевдобинарной. Они применяются в тех случаях, когда желательно сделать предварительную оценку нескольких вариантов процесса, однако, если не требуется особой точности, могут использоваться и для основного расчета.

Колонна фракционирования нефти предназначена для разделения нефти на две или более фракций. Точным расчет называется так как расчет балансов производится методом «от тарелки к тарелке» для всех тарелок колонны с использованием заложенной термодинамической модели для расчета парожидкостного равновесия.

В DWSIM доступны 2 вида колонн: ректификационная колонна (Distillation Column) и абсорбционная колонна (Absorption Column).

Оба типа колонн имеют одинаковый базовый интерфейс со следующими характеристиками:

• Поддерживается множественный ввод питания (на несколько тарелок);

• Поддерживаются множественные боковые отборы;

• Поддерживаются энергетические потоки, представляющие теплообменники на каждой ступени разделения;

• Поддерживается задание/определение давления и эффективности каждой ступени разделения.

Методы решения В DWSIM доступны три метода решения уравнений теплового и материального баланса колонны:

А) Метод температур кипения Вонга и Хенке (Bubble-Point method of Wang and Henke) для ректификационных колонн;

Б) Метод суммарных расходов Бенингена и Отто (Sum-Rates method of Burningham and Otto) для абсорбционных колонн.

После решения уравнений материального и теплового баланса для всех тарелок колонны, рассчитываются выходные потоки и в окне свойств колонны появляются следующие результаты: тепловая нагрузка на конденсатор; тепловая нагрузка на кипятильник; профили температур и расходов жидкой/паровой фаз по колонне; профили распределения компонентов по колонне, ориентировочные высота и диаметр аппарата.