Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системный анализ химико-технологических процессов с использованием программы ChemCad. Учебно-методическое пособие
.pdf
6.6. Упражнение. Моделирование ректификационной
колонны для разделения пропан-пропиленовой фракции
1. Провести моделирование разделения близкокипящей смеси в
ректификациионной колонне. В качестве разделяемой смеси взять
пропан-пропиленовую фракцию с параметрами:
Температура 40 °С;
Давление 17 бар;
Расходы компонентов:
Этан 10 кг/час;
Пропилен 10500 кг/час;
Пропан 4400 кг/час;
н-Бутан 90 кг/час.
Обеспечить качество разделения с долей пропилена по верху колонны
не более требуемого по варианту (таблица 6.1), долей пропана по
кубу колонны 95% массовых.
. Для моделирования процесса разделения будем использовать модуль
2
ректификационной колонны SCDS column.
3. Создать новое задание PPFCOLUMN.
В режиме Flowsheet собрать схему согласно рис. 6.9.
1
2
1
3
Рис. 6.9. Технологическая схема установки разделения пропанпропиленовой фракции
Вызвав команду Format/Engeneering Units, в качестве профиля
единиц измерения выбрать систему единиц A
lt SI.
4. Используя команду Thermophysical/Component List, любым из
описанных ранее способов включить в список компонентов
указанные в п.1 вещества.
5
. При помощи команды Thermophysical/K-Value, в качестве модели
расчета равновесия задать модель Peng-Robinson (Пенга-
151
Робинсона). Парожидкостное равновесие смесей пропан/пропилен,
этан/этилен подвержено влиянию взаимодействия между
компонентами. Для компенсации неидеальностей в этих смесях
используются специальные параметры бинарного взаимодействия
(BIPs) при расчетах фазового равновесия по уравнениям СоавеРедлиха-Квонга или Пенга-Робинсона. В окне команды
Propane/Propylene опцию Spesial SRK/PR Bips.
6. Задать параметры потока питания согласно п.1.
7. Задать спецификации колонны:
Открыть окно модуля SCDS column, вкладку General, внести данные:
Condenser Type (Тип конденсатора)
Top Pressure (Давление верха
колонны)
Cond press drop
(Перепад давления в конденсаторе)
Colm press drop
(Перепад давления в колонне)
No. of stages (Количество тарелок)
Feed tray for stream 1 (Тарелка питания)
Перейти на вкладку Specifications, внести данные:
Конденсатор:
Condenser mode Specification Сomponent
12 Distillate component mass
fraction
Кипятильник:
Select Reboiler mode Specification Сomponent
12 Bottom component mass fraction
Полный (0 Total or
None);
5.5 бар
1
1 бар
1.5 бар
152
(150+куб+конденсатор)
110
0.95 пропилен
0.95 пропан
Перейти на вкладку C
оценки:
T
Top (Верх колонны) 40 °С
T Bottom (Низ колонны) 50 °С
В области Stage efficeincy внести данные:
onvergence. В области Estimations задать
152
Tray efficiency profile
(Профиль эффективности тарелок)
0 No
efficiency
profile
Top stage (Верхняя тарелка)
Согласно
варианту
Last stage (Нижняя тарелка)
Согласно
варианту
Таблица 6.1
Варианты заданий к упражнению 6.6
Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Top Stage
Efficiency
Last Stage
Efficiency
Массовая
доля
пропилена
в потоке 4
Массовая
доля
пропана в
потоке 3
0.7 0.5 0.75 0.6 0.8 0.7 0.9 0.85 0.65 0.55
0.55 0.65 0.85 0.9 0.7 0.8 0.6 0.75 0.5 0.7
0.9 0.85 0.97 0.92 0.87 0.98 0.94 0.89 0.91 0.88
0.9 0.85 0.97 0.92 0.87 0.98 0.94 0.89 0.91 0.88
8. Провести расчет схемы командой Run/Run/Run All.
Проанализировать полученное качество разделения. Выяснить, в
какой фазе находятся потоки, отбираемые с верха и из куба колонны.
Сохранить задание.
9. Проведем моделирование парциального режима работы
конденсатора. Отбор дистиллята будем моделировать как боковой
отбор с тарелки 1 в количестве 10500 кг/ч. В этом случае поток,
отбираемый с верха колонны будет сдувками (паровая фаза).
Провести в режиме Flowsheet модификацию схемы согласно рис. 6.10.
10. Открыть окно настроек колонны и на вкладке General в списке
Condencer type выбрать режим работы конденсатора 1
Partial
(Парциальный). Перейти на вкладку Specifications и в области Side
Product Specifications задать параметры для бокового отбора:
S
tage (Тарелка) 1
Side product mode(Режим бокового отбора) Liquid mass Flow
Specification (Параметры) 10500.
153
1
2
1
4
3
Рис. 6.10. Технологическая схема установки разделения пропан-
пропиленовой фракции с отбором дистиллята и сдувками на колонне
Провести расчет схемы командой Run/Run/Run All.
Проанализировать полученное качество разделения.
Какова массовая доля пропилена в дистилляте?
Выяснить, в какой фазе находятся потоки сдувок (2) и дистиллята (4).
Получить содержание пропилена в дистилляте 95% массовых.
Выполнение этой задачи можно провести при помощи контроллера.
В режиме F
lowsheet провести модификацию схемы согласно рис. 6.11.
11. В заданном режиме работы конденсатора модель колонны
обеспечивает требуемое качество разделения не в потоке дистиллята, а
в сдувках.
1
2
4 5
1
2
3
Рис. 6.11. Технологическая схема установки разделения пропан-
пропиленовой фракции с контроллером
Контроллер должен подбирать массовую долю пропилена в сдувках,
чтобы обеспечить массовую долю пропилена в боковом отборе
(дистилляте) 0.95. Эта задача решается при помощи режима работы
контроллера Feed-backward.
154
Подбираемая переменная в данном случае – «Спецификация
конденсатора оборудования 1», размерность внутренняя. Диапазон
изменения переменной зададим как [0.9 ; 0.99].
Контролируемая переменная – «Массовая доля пропилена в потоке
4».
Требуемое значение контролируемой переменной 0.95, размерность
внутренняя.
12. В окне контроллера задать на вкладке General Setting
параметры согласно рис. 6.12.
13. Провести расчет схемы командой Run/Run/Run All.
Проанализировать полученное качество разделения. Сохранить задание
PPFCOLUMN.
Рис. 6.12. Окно настроек модуля Controller
6.7. Упражнение. Моделирование установки получения
водно-гликолевого раствора гидратацией оксида этилена
1
. При заданных технологических параметрах работы оборудования
произвести моделирование стационарного режима работы установки
получения водно-гликолевого раствора гидратацией оксида этилена.
155
Гидратацию оксида этилена (ОЭ) (по стадию образования
тетраэтиленгликолей (тетраЭГ)) можно описать следующими
химическими реакциями:
1. C2H4O + H2O → HO-CH2-CH2-OH,
2. C2H4O + HO-CH2-CH2-OH → H-(-O-CH2-CH2-)2-OH,
3. C2H4O + H-(-O-CH2-CH2-)2-OH → H-(-O-CH2-CH2-)3-OH,
4. C2H4O + H-(-O-CH2-CH2-)3-OH → H-(-O-CH2-CH2-)4-OH,
где реакция 1– получение моноэтиленгликоля (МЭГ), реакция 2–
получение диэтиленгликоля (ДЭГ), реакция 3– получение
триеэтиленгликоля (ТЭГ), реакция 4 – получение тетраЭГ.
Кинетические и стехиометрические параметры этих реакций
представлены в таблице 6.2
Таблица 6.2
Кинетические и стехиометрические параметры реакций
Параметр
1 2 3 4
Реакция
Frequency factor
(Предэкспоненциальный
коэффициент),
3.19·10
9
6.7·109 6.7·109 6.7·109
моль/(л·час)
Activation energy
(Энергия активации),
19000 19000 19000 19000
кал/моль
Компонент: Стехиометрический коэффициент
Оксид этилена
Моноэтиленгликоль
Диэтиленгликоль
Триэтиленгликоль
Тетраэтиленгликоль
Вода
-1 -1
-1 -1
1 -1 - -
- 1 -1 -
- - 1 -1
- - - 1
-1 - - -
Описание технологической схемы установки получения водногликолевого раствора гидратацией оксида этилена (рис. 6.13)
Оксид этилена и вода (в мольном соотношении 1:15), а также
возвратный МЭГ смешиваются в смесителе 1 и подаются в
подогреватель 2, где нагреваются до необходимой температуры
циркуляционной водой с начальной температурой 165°С. Подогретая до
1
20-135°С реакционная смесь подается в гидрататор 3, где
156
осуществляется гидратация ОЭ до степени превращения 99.6% по ОЭ.
Полная гидратация ОЭ осуществляется в полом реакторе 4. Для
поддержания необходимого температурного режима в гидрататор
подается циркуляционная вода после подогревателя.
В качестве подогревателя 2 и гидрататора 3 в реальной установке
используются кожухотрубчатые теплообменники, в качестве полого
реактора 4 – емкость. Для моделирования протекания реакций в этих
аппаратах будем использовать модуль кинетического реактора KREA в
режиме РИВ.
4
1
1
4
2
6
3
7
2
3
8
9
5
10
Рис. 6.13. Технологическая схема получения водно-гликолевого раствора
Потоки питания:
Поток 1 2 3 8
Название потока Оксид
этилена
Вода Возвратны
й МЭГ
Циркуляцио
нная вода
Температура, °С 90 90 80 165
Давление, кгс/см2 22 22 22 8
Состав, кмоль/ч
Оксид этилена 100 0 0 0
МЭГ 0 0 0.5 0
Вода 0 1500 0 7000
Спецификации смесителя 1:
Output Pressure 21 кгс/см2;
Таблица 6.3
Спецификации подогревателя 2, гидрататора 3, реактора 4
Спецификации Подогревате
ь 2
л
Гидратато
р 3
Полый
реактор 4
Модуль KREA
Спецификации вкладки General Specifications
Specify reactor type:
РИВ
157
Number of reactions
Pressure Drop
Фаза протекания
реакции
Thermal mode:
Коэффициент
теплопередачи
Specify calculation
mode
Спецификации вкладки More Specifications
Length of tubes
Diameter of tubes
Number of tubes
Specify utility flow
direction
Concentration option
(Единицы концентрации)
Partial pressure
(Парциальное давление)
Activation energy
(Энергия активации)
Molar flow
(Мольный расход)
Volume (Объем)
Mass flow
(Массовый расход)
Time (Время)
2. Создать новое задание GLYCOL.
Перейти в режим Flowsheet и создать технологическую схему
согласно приведенному рисунку. Для доступа к пиктограмме
смесителя 1 нужно в палитре M
мыши по элементу Mixer #1 и в дополнительной палитре выбрать
пиктограмму Mixer #7. Для доступа к пиктограмме кинетического
Liquid (Только жидкость)
Specify PFR utility U
(Задано условие
вспомогательного
потока для РИВ)
280 Ватт/м2К
Specify Volume, Calculate conversion
(Задан объем реактора, рассчитать
степень превращения)
7.6 м 60 м 9 м
0.025 м 0.04 м 0.9 м
121 38 1
1 Co current
(Противоток)
0 – moles/volume (0 – моли/объемные)
0 – Hours (0 – Часы)
ain Palette щелкнуть правой кнопкой
4
0.3
Adiabatic (no
heat exchange)
(Адиабатическ
ий (без
теплообмена)).
Продолжение таблицы 6.2
-
9 – kg/cm2
6 – Cal
2 – Gm-moles
2 – Liter
2 – g
158
реактора нужно в палитре Main Palette щелкнуть правой кнопкой
мыши по элементу Kinetic reactor#1 и в дополнительной палитре
выбрать пиктограмму Kinetic reactor #2.
Для вращения пиктограмм использовать команды контекстного
меню Flip Vertical, 90 Clockwise.
Перейти в режим Simulation и сохранить задание.
3. Вызвать команду Format/Engeneering Units, в окне которой
настроить основной профиль единиц измерения метрический кнопкой
Metric. В полученном профиле настроить поля согласно рис. 6.14.
Рис. 6.14. Настройка профила единиц измерения
4. Используя командку Thermophysical/Component List, включить в
список компонентов, участвующих в процессе, следующие вещества:
Брутто-формула № в банке данных
Оксид этилена C2H4O 129
Моноэтиленгликоль С2H6O2 165
Диэтиленгликоль C4H10O3 163
Триэтиленгликоль C
176
6H14O4
Тетраэтиленгликоль C8H18O5 180
Вода H
O 62
2
5. В окне команды Thermophysical/K Value выбрать в качестве
модели парожидкостного равновесия модель PSRK. Остальные
опции окна не изменять.
159
Используя команду Thermophysical/Entalphy, выбрать модель
энтальпии Mixed model.
6. При помощи инструмента панели инструментов вызвать окно
ввода параметров потоков питания и ввести параметры согласно
заданию.
7. Ввести спецификации оборудования согласно заданию.
8. Провести расчет схемы командой Run/Run/Run All.
9. Дополнить схему таблицей потоков, используя PFD диаграмму.
Для построения PFD диаграммы вызвать команду Output/Main PFD.
Затем вызвать команду Format/Add Stream Box. В окне выбора
потоков отметить опцию All streams (Все потоки). В окне Dialog
Property Options отметить свойства Mass Flow Rate, Temperature,
Pressure, Mole Vapor Fraction, Enthalpy. В списке Composition
Option выбрать M
components.
В окне Databox Setting выбрать Font – Regular, Size 6.
Поместить блок с данными ниже технологической схемы.
Перейти в режим Simulation. Проанализировать степень конверсии
оксида этилена после каждого из реакторов.
10. Используя контроллер, подобрать такой расход циркуляционной
воды с температурой 165°С, чтобы степень конверсии по ОЭ после
реактора 3 была равна 0.996. Степень конверсии по ОЭ
рассчитывается по формуле
1 - (Gпосле реакции ОЭ / Gисходного ОЭ),
где G – массовый расход вещества.
В режиме Flowsheet работы ChemCad в поток 10 вставить модуль
контроллера. Перейти в режим Simulation и настроить режим его
работы так, чтобы он подбирал такое значение «расхода потока
циркуляционной воды 8», что отношение «массового расхода
компонента оксид этилена в потоке 6» к «массовому расходу
компонента оксид этилена в потоке 1» равнялось 0.004. Контроллер
должен работать в режиме Feed-backward.
Настроить контроллер.
Провести расчет схемы. Проанализировать полученный расход
циркуляционной воды для обеспечения требуемой конверсии оксида
этилена.
1
1. Сохранить задание. Создать вариант задания GLYCOL1.
ass Flowrate, отметить опцию Include all
160
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]