Оптимизация ректификации фракции этан-пропен-пропан в простых и сложных колоннах (стр. 5 из 9)

Пропен при обычных условиях является газом. Главным способами получения в промышленности пропена служат процессы расщепления нефтяных фракций или углеводородных газов (каталитический и термический крекинги, пиролиз). Кроме того, пропен получают дегидрированием пропана. Ввиду своей реакционной способности пропен занял одно из ведущих мест как исходное вещество для органического синтеза.

Изначально, компоненты исследуемой смеси входят в состав широкой фракции легких углеводородов, получаемые в процессе нефтедобычи. Она содержит довольно широкий спектр углеводородов состава C₁ - C₇ которые в дальнейшем разделяются на узкие фракции:

• метан - водородную

• метан - этановую

• этан - этиленовую

• пропан - пропиленвую

• изопентановую

• гексановую и другие.

Для исследования применимости сложных колонн нами была выбрана простейшая из многокомпонентных смесей, не образующая азеотропов. Фракция этан-пропен-пропан оказалась в этом отношении весьма подходящей.

Модели парожидкостного взаимодействия

Модель NRTL

Уравнение NRTL (non-random two-liquid - неслучайное двужидкостное) было разработано Реноном и Праузницем с целью использовать концепцию локального состава, для избежания неспособности уравнения Вильсона к предсказанию разделения фаз жидкость — жидкость. Полученное в результате уравнение оказалось довольно хорошим для описания широкого диапазона систем, в высокой степени неидеальных смесей и для частично несмешивающихся систем. Выражение для коэффициента активности имеет вид:

(8)

где: (когда единицей измерения является °К):

Результирующее уравнение определяет коэффициент активности жидкости для каждой бинарной пары с точки зрения трех параметров. Выражения для параметров могут быть расширены с целью включения в них зависимости от температуры. В зависимости от выражений, использованных для параметров, уравнение может иметь три, пять, шесть или восемь параметров.

Модель Соав-Редлих-Квонг (SRK)

В 1972 г. для улучшения предсказания парового давления чистых компонентов и парожидкостного равновесия многокомпонентных смесей Соав предложил следующую температурную зависимость:

(9)(10)

где T_γ- приведенная температура, Т/Тс

ω — ацентрический фактор

Константы в уравнении (10) были получены из преобразования данных по паровому давлению для ограниченного числа обычных углеводородов. Эти пределы использования

уравнения состояния SRK ограничены неполярными компонентами.

Уравнение состояния Соав-Редлих-Квонга - это модификация уравнения состояния Редлиха-Квонга (которое основано на уравнении Ван-дер-Ваальса). Соав заменил член

a/T^0,5более общей температурной зависимостью а(Т). Выражение получило следующий вид:

P = RT/(V-b)-a(T)/V(V + b)

Где

, - критические температура и давление для i-ro компонента

. — ацентрический фактор для компонента i

- константа бинарного взаимодействия для компонентов i и j

Введение члена альфа позволило улучшить предсказание парового давления для чистых компонентов. Комбинированная формула для вычисления а(Т) с введенным членом ]$_гозначает улучшение предсказания свойств смеси.

Использование формулировки Соава для предсказания свойств смеси включает в себя два этапа. Во-первых, для каждого из компонентов подбирается ацентрический фактор компонента (ом) таким образом, чтобы точно предсказать давление паров компонента. Во-вторых, из экспериментальных данных для бинарных систем с компонентами i и j, для которых достигается фазовое равновесие, определяется параметр kij.

Модель Пенга-Робинсона

Уравнение состояния Пенга-Робинсона было опубликовано в 1976 году и является модификацией уравнения Редлиха-Квонга. Во многих отношениях оно похоже на уравненеие SRK, но все же он разработано для улучшения предсказания плотности жидкости. Как и в случае уравнения Соава-Редлиха-Квонга, в уравнении Пенга-Робинсона присутствует температурная зависимость а(Т) и выражение имеет следующий вид:

где:

критические температура и давление для компонента i

ω i - ацентрический фактор для компонента i

K_ij. - константа бинарного взаимодействия для компонентов i и j

Введением члена а было достигнуто улучшение предсказания давления пара чистых компонентов, а добавлением члена K_ijв комбинированную формулу для вычисления а(Т)

означало улучшение предсказания свойств смесей.

Использование уравнения Пенга-Робиысона включает в себя два шага, аналогичные предыдущей модели.

Выбор адекватной модели

Систематическое исследование процессов ректификации требует выбора адекватной модели парожидкостного равновесия. В настоящей работе расчетньш эксперимент поставлен на примере разделения многокомпонентной модельной смеси этан - пропан - пропен.

Выбор модели описания парожидкостного взаимодействия для смесей этан-пропан, пропан-пропен, пропен-этан производился на основании сопоставления экспериментальных и расчетных данных. Расчет парожидкостного равновесия проведен с использованием программного комплекса PRO/IL На основании имеющегося опыта практического использования и общих рекомендаций по применению выбрано несколько моделей ПЖР, реализованных в программном комплексе: I - NRTL, II - модель SRK, III - модель Пенг -Робинсон.

Нами были получены экспериментальные данные по парожидкостному равновесию для следующих бинарных составляющих: этан - пропан, пропен - пропан, этан - пропен.

В качестве критерия сравнения для статистической обработки результатов было выбрано среднее относительное отклонение описания паровой фазы, δ.

(11)

где N- количество экспериментальных точек фазового равновесия.

Таким образом, нами было произведено сравнение трех бинарных составляющих по заданному критерию. Результаты представлены в Приложении и Табл. 6.

Таблица. 6.

Результаты моделирования парожидкостного равновесия

Смесь	δ,%
NRTL	SRK	PR
Этан — пропен	1,272	1,392	0,966
Пропел - пропан	0,835	1,250	1Д52
Этан-пропан	0,862	1,042	1,289

Из таблицы видно, что модель NRTL наилучшим образом описывает экспериментальные данные, поэтому для дальнейшего описания ПЖР мы воспользуемся моделью локальных составов.

Будем использовать уравнение с тремя параметрами: b_ij, b_ij, a_ij. Найденные значения параметров бинарного взаимодействия приведены в табл.7.

Таблица 7.

Параметры бинарного взаимодействия для модели NRTL

Бинарная пара	*b_ij*	*b_ij*	*a_ij*
Этан —пропан Пропен — пропан Этан - пропен	-103,454 -54,7269 217,216	443,987 142,146-216,315	1 0,9 0,972611

Синтез схем ректификации для разделения смеси этан-пропен-пропан

Для разделения трехкомпонентной зеотропной смеси нами было предложено четыре технологические схемы (рис. 6-7). Две из них являются последовательностью из простых двухсекционных колонн, две другие - являются комплексами из сложных колонн с боковыми секциями. В ряде случаев применение сложных колонн оправдано за счет приближения к термодинамической обратимости за счет структурных особенностей. Кроме того, такие схемы требуют меньшее число кипятильников и дефлегматоров, что может привести к значительному снижению энергозатрат на разделение. Но следует помнить, что такие технологические схемы целесообразно применять при невысокой четкости разделения и содержании среднекипящего компонента более 20%.