Борзенко,Зайцев

Далее полученный концентрат FD поступает на вторую ступень разделения, где происходит ее вторичное обогащение в первой колонне. В результате получают два продукта предварительного разделения смеси FD: кубовый остаток FHD с содержанием примерно 1,0 объемных долей HD и паровую фракцию FA, содержащую целевые компоненты. Затем эта фракция возвращается на первую ступень обогащения водорода для дальнейшего разделения, а поток FHD в специальном реакторе преобразуется в тройную смесь D2–HD–H2 определенного состава (рис. 5.19).

моль x, моль

1,0

0,8 3

1′

0,6

2

Рис. 5.19. Зависимость состава конечных продуктов разделения от количества дистиллята:

1, 1′ – молярные доли D2 в потоках FDD и FD2;

2, 2′ – молярные доли HD; 3, 3′ – молярные доли H2

166

Вректификационной колонне в результате разделения смеси получают конечный продукт FD2 с повышенным содержанием дейтерия и отбросной поток FDD, который подвергают дополнительному разделению в первой колонне.

Всвязи с тем что во второй колонне второй ступени разделения молекул водорода наблюдается значительное накопление всех трех компонентов, целесообразно рассмотреть процесс ректификации тройной смеси.

На распределение компонентов по высоте колонны и их

содержание в продуктах разделения влияет то, что изотопы p-D2 и HD имеют близкие значения температуры кипения и давления насыщенных паров. При разделении исходной смеси с объемными долями D2, равной 0,262; HD, равной 0,47; Н2, равной 0,262, при широком изменении флегмовых отношений не удалось получить чистый дейтерий (рис. 5.20).

моль x, моль

1,0

1′

0,6

Рис. 5.20. Зависимость концентраций продуктов разделения

167

от суммарного количества дейтерия в исходной смеси (в относительных единицах, обозначения кривых соответствуют рис. 5.19)

Увеличение числа тарелок в отгонной и концентрационной секциях колонны при постоянных флегмовых отношениях не приводит к существенному улучшению качества продуктов разделения. Чистота продуктов разделения, особенно потока FD2, в сильной степени зависит от состава исходного потока тройной смеси, поступающего на разделение из реактора (см. рис. 5.20).

Таким образом, полученные статистические характеристики колонных аппаратов узлов ректификации бинарных и тройных систем позволяют получить дополнительную информацию о закономерностях сложного процесса низкотемпературной ректификации, которая может быть использована при оптимизации параметров колонных аппаратов.

168

6. РАСЧЕТ НА ЭВМ ПРОЦЕССОВ С ФАЗОВЫМ ПЕРЕХОДОМ СИСТЕМЫ ЖИДКОСТЬ–ПАР

В современных установках разделения воздуха узел ректификации состоит, как правило, из нескольких тарельчатых ректификационных колонн, укомплектованных дополнительными теплообменными аппаратами. В зависимости от назначения воздухоразделительной установки (для получения технического или технологического, жидкого или газообразного кислорода, жидкого или газообразного азота, с извлечением аргона или без извлечения и т. п.) узел ректификации установки имеет различную компоновку. Компоновка установки различается числом ректификационных колонн, количеством вводимых и выводимых технологических потоков, номерами тарелок питания и другими признаками. В ведущих научно-производствен-ных организациях для расчета колонных аппаратов используют САПР узла ректификации воздуха, которые позволяют рассчитывать теплообменные процессы с учетом современного уровня исследования фазового равновесия тройной смеси и учетом взаимного влияния компонентов.

6.1. Автоматизированный расчет на ЭВМ колонн узла ректификации воздуха

В настоящее время возможности ЭВМ позволяют производить расчет ректификационных колонн по методу Льюиса и Мачесона на основе определения реального изменения концентраций компонентов воздуха на каждой тарелке и по высоте колонны с учетом конструктивных параметров и изменяющихся свойств пара и жидкости. В НПО «Криогенмаш» разработаны обобщенная расчетная схема колонны (рис. 6.1) и программа, которая охватывает практически любые возможные варианты схем колонн высокого и низкого давления. В числе исходных данных для расчета должны быть заданы: параметры всех потоков питания и получаемых продуктов разделения (расход, энергетическое состояние и состав); тепловая нагрузка конденсатора; давление в конденсаторе и среднее его значение в колонне; гидравлические сопротивления секций колонны; конструктивные размеры для каждой секции (площадь,

169

Массив исходных данных термодинамического расчета содержит 82 элемента и формируется на основе результатов, полученных из расчета материального и энергетического баланса узла разделения воздуха и колонных аппаратов и других принятых величин. При составлении балансовых соотношений принимают, что на разделение поступает 1 моль/с исходной смеси, а состав задают в молярных долях (моль/моль) и обозначают символом ZjA, где Z – компонент смеси, A – материальный поток. Структура и запись материальных и энергетических балансов остаются такими же, как и в случае разделения 1 моль смеси [18, 37]. Балансовые соотношения должны решаться для тройной смеси N2–Ar–O2 с точностью до шестого знака после запятой.

В колонну может подаваться до шести потоков питания: N, S, R, D, М, В и выводиться до пяти продуктов разделения: А, Е, С, H, K. Материальные потоки могут быть в жидком, парожидкостном и парообразном состояниях. Энергетическое состояние материальных

определены из диаграммы i–x–y для бинарной смеси при давлении в

насыщенного пара.

При получении сырого аргона поток кубовой жидкости, выводимый из колонны высокого давления, разделяют на две части – R и М. Доля потока кубовой жидкости, направляемая в конденсатор

принятое повышение энтальпии кубовой жидкости в этом аппарате. Энергетическое состояние потока М на входе в конденсатор колонны сырого аргона принимают равным потоку кубовой жидкости R, т. e. eM = eR , а на выходе из него eML определяют из ранее приведенного

171

энтальпия кубовой жидкости R, потока М на входе и выходе из конденсатора.

При автоматизированном решении материального баланса секций колонны низкого давления может быть принято полное смешение пара потоков М и R, что характеризуется признаком смешения MR = 1. Состав жидкости потока М после конденсатора колонны сырого аргона в исходных данных приравнивают к нулю, т. е. Z1ML = Z2ML = Z3ML = 0, a его истинное значение определяют в последующих расчетах колонны на ЭВМ.

Потоки получаемых продуктов разделения, в отличие от потоков питания колонны, определяют по неполному спектру известных параметров, что является необходимым для исключения так называемого «перезадания исходных данных». Потоки отбросного азота промежуточной чистоты, сырого аргона и кислорода промежуточной чистоты, если их получение предусматривается, находят по параметрам Е, С, Н, eЕ, еC, lH, Z3E, Z3C, Z3H, Z1C. Концевые продукты разделения определяют по их энергетическому состоянию eА и eK и содержанию в них кислорода

Z3A и Z3K.

При задании содержания в сыром аргоне азота Z1C и кислорода Z3C следует иметь в виду, что в продукте С может быть до 0,03 моль/моль O2 и до 0,07 моль/моль N2. Отсутствующие параметры, характеризующие продукты разделения А, С и K, определяют при реализации программы расчета на ЭВМ.

При одновременном получении технического кислорода и чистого газообразного азота на установках сравнительно небольшой производительности из колонны низкого давления следует отводить так называемую «аргонную фракцию» в виде пара в количестве 10 – 20 % от перерабатываемого воздуха. В каждой конкретной колонне распределение аргона имеет свои особенности, что сказывается и на составе выводимой аргонной фракции. Отбросная аргонная фракция может содержать примерно 0,55 моль/моль O2; 0,045 моль/моль Аг; остальное – азот. При расчете данного режима работы колонны параметры отбросной аргонной фракции в массиве исходных данных присваивают потоку Н.

При получении сырого аргона производят отбор пара аргонной

172

фракции FG (0,07…0,09 моль/моль Аг; 0,05 моль/моль N2; остальное – кислород) из колонны низкого давления и подачу его в аргонную колонну. При этом в массив исходных данных вводят только содержание кислорода во фракции Z3W = 0,905…0,925 моль/моль О2.

В процессе проведения вычислительного эксперимента и формирования массива исходных данных необходимо иметь в виду, что если отсутствует питание или боковой отбор продукта разделения, то секцию над местом ввода (отбора) потока не рассматривают, а сразу осуществляют переход к следующей секции колонны.

При расчете колонны низкого давления без получения сырого аргона в основной программе отключают блоки расчета аргонной колонны, для чего в массиве исходных данных приравнивают к нулю

ректификационной тарелке секций колонны, среднее давление задают в килопаскалях (кПа). Давление в конденсаторе рк – это давление в верхнем сечении колонны, значение которого определяют в зависимости от температурного режима конденсатора, а для колонн, «открытых» сверху, – в зависимости от сопротивления магистрали верхнего продукта разделения. Для колонн низкого давления рк = 120…130 кПа, высокого давления – рк = 550…600 кПа.

Среднее давление в колонне pср предварительно рассчитывают

Гидравлические потери ∑ pi для колонн низкого давления задают

равными 12…20 кПа, иногда до 30 кПа, а высокого давления –

10…15 кПа.

В связи с тем что давление в колонне в сильной степени влияет на параметры фазового равновесия, термические и калорические свойства и другие факторы процесса ректификации, принятую величину ∑ pi необходимо сопоставить с расчетным

гидравлическим сопротивлением. В случае их расхождения более чем на ±100 Па необходимо откорректировать принимаемое значение гидравлического сопротивления pi на тарелках секций.

Тепловую нагрузку на конденсатор колонны Qк (Дж/моль)

173

определяют из энергетического баланса колонны. При расчете процесса ректификации в колоннах, «открытых» сверху, Qк = 0. На последующих этапах расчета тепловая нагрузка конденсатора колонны высокого давления должна строго соответствовать тепловой

баланса значению Qк определяют продукты разделения в колонне высокого давления, которые используют для расчета колонны низкого давления и значения Qи. Далее сопоставляют значения Qи и Qк и, в случае необходимости, путем корректировки энергетического состояния eB потока В на входе в колонну уточняют тепловую нагрузку на конденсатор и расчеты повторяют до тех пор, пока не будет обеспечена требуемая точность вычисления этих величин.

В термодинамическом расчете коэффициент эффективности тарелки секций может приниматься равным единице (тарелка считается теоретической) или может иметь другие значения от 0,4 до 1,2 в зависимости от режимных и конструктивных параметров контактных устройств. Во втором случае при термодинамическом расчете определяют уже ориентировочное количество действительных ректификационных тарелок.

Для проведения технологического расчета ректификационной колонны наряду с массивом IS(82) задают массив исходных данных IS(36), характеризующий геометрические параметры тарелки секций.

Номер тарелки может быть выбран по ориентировочному диаметру колонны, который определяется по принятой скорости

секции колонны, м3/с.

При этом исходный массив IS(82) несколько трансформируется:

-в элементе IS(82) вместо Gв = 0 задают массовый расход воздуха в проектируемой установке Gв, кг/с;

-элементы IS(60)–IS(75), характеризующие сопротивление тарелки и их коэффициенты эффективности, приравнивают к нулю, так как они являются расчетными параметрами в технологическом расчете колонны установки.

Программа расчета предусматривает определение состава пара

ижидкости тройной смеси N2–Ar–O2 во всех секциях, на каждой тарелке, начиная с первой (верхней).

174

Алгоритм расчета материального баланса колонны и определения начального состава верхнего продукта:

количество вводимых компонентов (моль/с)

суммарный поток питания (моль/с)

массовый расход верхнего и нижнего продуктов (моль/с)

массовый расход кислорода в верхнем и нижнем продуктах (моль/с)

массовый расход верхнего продукта (моль/с)

массовый расход нижнего продукта (моль/с)

концентрация азота в верхнем продукте в первом приближении (моль/моль)

175