Оптимизация ректификации фракции этан-пропен-пропан в простых и сложных колоннах (стр. 4 из 9)

В работе [34] проанализированы три технологические схемы четкого разделения смеси пропен - пропан (рис.4). Каждая схема рассчитана на разделение 20 т/ч исходной фракции с получением 11,128 т/ч (90 тыс. т. в год) 95%-го пропена. Схема а соответствует обычной ректификации в простой колонне с кипятильником на паре низкого давления (0,1 МПа) с воздушным и водяным охлаждением пропана. Схема б соответствует ректификации в двух параллельно работающих колоннах со связанными тепловыми потоками - низкого и высокого давления с рекуперацией тепла пара из верха колонны высокого давления за счет его конденсации в кипятильнике колонны высокого давления. Схема в соответствует ректификации в колонне с тепловым насосом на верхнем продукте. Основные параметры технологического режима ректификационных колонн для рассматриваемых схем приведены в табл.4

Рис. 4. Технологические схемы ректификации смеси пропей — пропан:

а -обычная; б -с тепловым насосом на верхнем продукте; в -с параллельно работающими колоннами; I — исходная смесь пропен-пропан; II пропей; III-пропан.

Таблица 4. Основные параметры технологического режима колонн при разделении смеси пропен - пропан (рис.4)

Показатели	Схема а	Схема б		Схема в
		Колонна низкого давления	Колоннавысокого давления
Температура,°С верха колонны конденсации верхнего продукта выхода из компрессора орошения низа колонны Давление, МПа верха колонны в емкости орошения Кратность орошения	40 38-38551,67 1,69,7	40 38-38551,67 1,69,7	63 62-62792,87 2,8 15,4	20 45 48 38351,0 1,85 8,4

Материальный баланс процесса разделения типичной пропен - пропановой фракции (в т/ч) приведен ниже:

Компоненты	Сырье	Дистиллят	Остаток
Этан	0,135	0Д35	—
Пропен	11,746	10,572	1,174
Пропан	5,929	0,421	5,508
Изобутан	1,803	—	1,803
н-Бутан	0,016	—	0,016
Бутен	0,371	—	0,371
Z	20,000	11,128	8,872

Сравнение стоимости затрат при разделении смеси пропен - пропан при помощи различных схем (по отношению к общей стоимости разделения в простой колонне) таково:

Капитальные	Эксплутационные	Общие
затраты	затраты	затраты
Схема а	41	59	100
Схема б	54,6	43,2	97,8
Схема в
привод компрессора
от паровой турбины	36,9	32,1	69
привод компрессора
от электродвигателя	33	33,7	66,7

Как видно из приведенных данных, применение схемы с тепловым насосом может обеспечить значительную экономию энергетических и капитальных затрат на разделение, однако степень уменьшения их существенным образом зависит от технико - экономических показателей процесса разделения - от стоимости электроэнергии и водяного пара. Необходимо отметить также, что надежное расчетное сравнение схем ректификации смеси пропен - пропан с получением практически чистого пропена возможно только на основе достаточно точных термодинамических данных по фазовому равновесию.

Постановка задачи

Целью данной работы являлась структурная и параметрическая оптимизация технологической схемы разделения фракции этан-пропен-пропан для снижения энергозатрат на разделение.

Для достижения поставленной цели необходимо:

• выбрать математическую модель парожидкостного равновесия, адекватно описывающую экспериментальные данные;

• синтезировать схемы разделения;

• произвести расчет ректификации и выбрать решение, обеспечивающее минимальные энергозатраты.

Расчетная часть

Методы и алгоритмы исследования

В настоящей работе для математического моделирования схем ректификации использован лицензионный программный комплекс PRO/II with PROVISION компании SIMSCI corp., обеспечивающий моделирование и расчет технологических схем ректификации.

PRO/II - компьютерный комплекс для инженерных расчетов процессов органического синтеза и нефтехимии, технологии полимеров и др. Он объединяет базы данных химических компонентов и расширенных методов расчета термодинамических свойств с гибкими методами расчета аппаратов. Программа обладает вычислительными средствами для выполнения расчетов всех материальных и энергетических балансов необходимых для моделирования большинства статических процессов. Экспертные системы, расширенная обработка входных данных и проверка ошибок обеспечивают его высокую эффективность и надежность.

Расчет ректификации

Все алгоритмы ректификации в программе PRO/П представляют собой строгие модели равновесных ступеней контакта. В каждой модели решаются тепловой и материальный балансы и уравнения равновесия жидкость - пар.

Программа PRO/II предлагает четыре различных алгоритма моделирования ректификационных колонн:

алгоритм Inside/Out (I/O),

алгоритм Sure,

алгоритм Chemdist и

алгоритм ELDIST.

Алгоритм I/O может быть использован для решения большинства задач нефтепереработки и обладает высоким быстродействием. В настоящей работе расчет колонн ректификации проводился по этому алгоритму.

Алгоритм подразделяется на внешний и внутренний циклы. Во внутреннем цикле решаются тепловой и материальный балансы и обеспечиваются заданные требования. Во внутреннем цикле используются упрощенные термодинамические модели для энтальпий и коэффициентов равновесия жидкость - пар. Это, вместе с упрощенными моделями и

выбором первичных переменных, позволяет решить внутренний цикл быстро и надежно. Во внешнем цикле параметры упрощенной термодинамической модели обновляются на основе новых значений состава и результатов строгих термодинамических расчетов. Решение достигнуто, когда строго рассчитанные значения энтальпий и коэффициентов равновесия соответствуют значениям, рассчитанным в упрощенных термодинамических моделях, и удовлетворяют заданным требованиям.

На рис. 5 показана схематическая диаграмма простой ступени контакта.

Рис. 5. Схема простой ступени контакта алгоритма I/O.

Тепловой баланс для ступени контакта j выглядит следующим образом:

где: V— расход пара, покидающего ступень контакта; L - расход жидкости, покидающей ступень контакта;

Ls — жидкостной боковой погон;

V_s- паровой боковой погон;

Материальный баланс по компоненту для данной ступени контакта через расходы жидкости и паров при следующей зависимости для равновесных составов обеих фаз:

где К представляет собой соотношение равновесной фугитивности пар - жидкость, может быть записан как:

(7)

где:

l - расход жидкого компонента;

v - расход парового компонента;

f- расход компонента сырья.

Поскольку К принято постоянным, то система уравнений материального баланса является линейной и формирует тридиагональную матрицу системы.

Во внешнем цикле алгоритма Inside/Out обновляются параметры упрощенной термодинамической модели и проверяется сходимость. Во внутреннем цикле уравнения ректификации решаются для текущих упрощенных термодинамических моделей. Проверка сходимости во внешнем цикле, следовательно, сравнивает значения энтальпий и коэффициентов фазового равновесия жидкость - пар, строго рассчитанные из нового состава, получившегося в результате расчетов внутреннего цикла. Полученное решение является окончательным.

Объект исследования

Для решения поставленной задачи нами было выбрана трехкомпонентная зеотропная смесь: этан - пропен - пропан.

Индивидуальные свойства компонентов представлены в таблице 1.

Таблица 5.

Физико - химические свойства компонентов

Компоненты	Молекулярная масса, г/моль	Плотность,кг/м³	Температура кипения, °С	Критическая температура,°С	Критическое давление, кг/см³
Этан	30,0700	356,05	-88,63	32,30	49,802
Пропен	42,0810	521,49	-47,70	91,80	47,115
Пропан	44,0970	507,20	-42,07	96,67	43,334

Самый легко летучий компонент в исследуемой смеси, этан, содержится в природных и попутных газах и представляет собой бесцветный, горючий газ. Его используют для получения сажи, так же как сырье для производства СО и Н₂ и в дальнейшем для получения моторных топлив.

Пропан также представляет собой бесцветный газ, который растворим в органических растворителя и не растворим в воде. Его применяют как топливо для двигателей внутреннего сгорания, для получения сажи, в смеси с бутаном в баллонах используют как топливо в быту.