Відомо, що роль нафти в сучасному світі винятково важлива, оскільки в основі всіх галузей виробництва лежить енергетика. Нафта це рідка речовина, що добувається з надр землі і використовується при виробництві палива
 Скачать 3.26 Mb.
|
|
4. Матеріальний баланс колони. Матеріальний баланс колони складається з метою визначення кількості одержуваних продуктів на підставі даних про вихідну сировину й заданий поділ. Рівняння матеріального балансу по всьому продукту:  (2)де: М, D і О — відповідно кількість вихідного продукту, дистиляту і залишку, кг або кмоль; по одному з компонентів (частіше — легколетючому):  (3)де: ХМ, ХDі ХО — зміст компонента відповідно у вихідному продукті, дистиляті та залишку, % маc. або % мол. Спільне рішення рівнянь (2) і (3) дає можливість визначити вихід верхнього або нижнього продукту або співвідношення між кінцевими продуктами:  (4) (5) (6)Рівняння матеріального балансу дають можливість встановити залежність, що зв'язує сполуки зустрічних потоків флегми й пари в будь-якому поперечному перерізі колони. Для концентраційної частини колони така залежність має вигляд:  (7)де: У і X— концентрація ЛЛК відповідно в потоці пари і рідини в будь-якому поперечному перерізі по висоті колони, % мол. ; R – флегмове чисто (визначається на підставі техніко-економічного розрахунку ); ХD — концентрація ЛЛК у дистиляті, % мол. Для відгінної частини колони ця залежність виражається: а) при обігріві колони відкритою парою:  (8)б) при закритому обігріві колони:  (9)де: ХO — концентрація ЛЛК у залишку, % мол. Рівняння (7)...(9) іменуються робочими лініями процесу і дають можливість графічно визначити необхідне число теоретичних тарілок у колоні для заданих умов поділу продукту (рис.2.3). 5. Співвідношення потоків пари і рідини й визначення числа теоретичних тарілок. Співвідношення між кількістю зрошення і пари, а також число тарілок у колоні є основними параметрами колони, що визначають заданий поділ суміші. Користуючись кривою фазової рівноваги і робочою лінією, можна графічно визначити число теоретичних тарілок (ступенів зміни концентрацій), необхідних для поділу суміші в заданих межах зміни концентрацій. Попередньо розглянемо графічне зображення теоретичної тарілки в діаграмі Х – У (рис. 2.3,а). Припустимо, що ділянка колони, яка обмежена перетинами I-I й II-II, відповідає одній теоретичній тарілці. Відповідно до визначення теоретичної тарілки концентрація фаз на одній тарілці змінюється від робочого стану до рівноважного (позначимо останнє індексом X). Паровий потік вступає в контакт при робочій концентрації легколетючого В1, а рідинний відповідно при Х2. За рахунок масообміну, що йде на тарілці, концентрація парового потоку збільшується до В2х, а рідинного відповідно зменшиться до Х1х Робочі концентрації рідини та пари в перетині I-I характеризуються точкою А на діаграмі Х – У (рис. 2.3,6). Отже, точка А повинна лежати на робочій лінії. У результаті проходу через теоретичну тарілку пар повинен досягти рівноважного стану В2х (точка В) з робочою рідиною, що має концентрацію Х1х. За умови рівності потоків L/G= 1 концентрація рідини внаслідок контакту з парою зменшиться на таку величину, на яку збільшиться концентрація взаємодіючої з нею пари. Відкладемо по осі абсцис відрізок, рівний АВ, і визначимо положення крапки Х2.  Рисунок 2.3 - Графічне визначення числа теоретичних тарілок В2хі Х2характеризують робочі концентрації пари та рідини в перетині II-II, отже, крапка С з координатами (В=В2хі Х=Х2) буде також лежати на робочій лінії. Пряма МN, що проходить через точки A і С, є робочою лінією. Прямокутний трикутник АВС, вершина прямого кута якого лежить на кривій фазової рівноваги, а гіпотенуза — на робочій лінії, характеризує зміну концентрацій потоків, що відбуває в межах однієї теоретичної тарілки. Якщо ж потрібно визначити необхідне число теоретичних тарілок у межах заданої зміни концентрацій, то на діаграмі Х – Уміж кривою фазової рівноваги й робочою лінією будується ламана лінія із прямими кутами. Число ступенів, отримане при побудові цієї ламаної, і буде числом теоретичних тарілок, необхідним для заданої зміни концентрацій або для заданого поділу суміші. 6. Тепловий баланс колони. На підставі теплового балансу колони визначаються витрата граючої пари, що вводить у колону, і кількість води або іншого холодоагенту, необхідного для відводу тепла на конденсацію пари, що виходить із колони. Рівняння теплового балансу повної ректифікаційної колони з урахуванням тепловтрат Qп має такий вигляд:
 , (10)де I - тепломісткість потоку, кДж/кг. Але, тому що G = D (R+1), L = DR, а з матеріального балансу маємо:  , то:  , звідки: (11)
 (12)З матеріального балансу маємо O = M - D, тоді:  (13)Величину тепловтрат можна визначити по формулі:  , (17)де αc — сумарний коефіцієнт тепловіддачі від стінки до повітря, Вт/(м2К); F — поверхня випромінювання, м2; tст і tв — відповідно середня температура зовнішньої поверхні стінки і навколишнього повітря, °С. Для визначення сумарного коефіцієнта тепловіддачі можна користуватися рівнянням:  . (18)При розрахунку температуру стінки колони з теплоізоляцією варто приймати на 15—20°С вище температури навколишнього повітря. Кількість тепла, що відводить у дефлегматорі при повній конденсації пари, дорівнює:  (19)При частковій конденсації пари:  (20)Витрата води для відводу тепла дорівнює:  (21)де: t”в і t’в – температура води відповідно на виході і вході, °С; с— питома теплоємність води, кДж/(кг·К). 7. Вибір типу тарілки ректифікації. У нафтопереробному виробництві найбільше поширення одержали ковпачкові тарілки. Багатоковпачкові тарілки застосовуються в колонах для поділу чистих рідин, одно-ковпачкові — для поділу рідин зі зваженими частками. Рідше застосовуються ситчаті тарілки зі зливальними пристроями. Тарілки для чистих рідин мають отвору діаметром 2,5—3,5мм, для забруднених 8—12 мм. В останні роки в інших галузях промисловості для ректифікаційних колон широко застосовуються тарілки нових типів (ситчаті тарілки без зливальних пристроїв, клапанні тарілки та ін.). При виборі типу тарілки необхідно в першу чергу враховувати питому продуктивність тарілки, її ефективність, економічність конструкції, а також здатність забезпечити оптимальні умови роботи колони для різних технологічних процесів. Крім видаткових параметрів і фізичних властивостей суміші, яка розділяється повинно бути враховане наступне: 1) межі зміни робочих навантажень; 2) наявність у сировині механічних домішок і можливість утворення твердих відкладень, що вимагають періодичного чищення колони; 3) агресивність середовищ. Основними показниками, що характеризують ефективну й сталу роботу тарілки, є швидкість пари у вільному перетині колони і щільність зрошення, тому вибір типу тарілки для конкретних умов поділу визначається головним чином навантаженнями по парі та рідині. 8. Гідравлічний розрахунок. Стала робота тарілки визначається високою ефективністю поділу (ККД). ККД тарілки залежить від гідродинамічних умов на тарілці, тому усталена робота буде відповідати таким навантаженням по парі і рідині, при яких досягається найбільш інтенсивний їхній контакт й висока ефективність. Цій умові повинен відповідати такий режим роботи тарілки, при якому пара рівномірно проходить по всій площі тарілки, а рідина зливається через переливний пристрій. Для колон без зливальних пристроїв при сталій роботі рідина, як і пара, повинна рівномірно проходити по всій площі тарілки; на тарілці при цьому повинен спостерігатися рівномірний і стійкий барботаж і злив рідини без пульсацій, а також перемішування в горизонтальній площині. При високих навантаженнях по парі відбувається велике віднесення рідини з тарілки на тарілку, зливальні пристрої не забезпечують відпливу рідини з верхньої тарілки на нижню; рівень рідини в зливальному пристрої підвищується до верхньої крайки зливального порога, що приводить до нагромадження рідини на тарілці. На тарілках без зливальних пристроїв при високих навантаженнях по парі спостерігається перемішування рідини в горизонтальній площині і її пульсуючий злив. Верхня межа навантаження по парі характеризується «захлинанням» тарілок. Зовнішньою ознакою «захлинання» є різке підвищення тиску в колоні, а для тарілок без зливальних пристроїв, крім цього, і різке коливання тиску. При навантаженнях по парі, що наближаються до мінімально припустимих, частина рідини переходить із тарілки на тарілку, не вступаючи в контакт із парою. Велике навантаження по рідині також може привести до «захлинання» колони. Зі збільшенням навантаження по рідині максимально припустиме навантаження по парі зменшується. Мінімально припустиме навантаження по рідині визначається кількістю рідини, необхідним для створення активної зони контакту середовищ, що обмінюються. На вибір величини міжтарілочного простору поряд з економічними (вартість колони) впливають технологічні, конструктивні і експлуатаційні фактори. Відстань між тарілками в першу чергу визначається необхідністю створити умови для контакту пари та рідини. Контакт відбувається в зоні барботажу, піни і бризок. Всі ці три зони розташовані послідовно над тарілкою і повинні розміщатися між суміжними тарілками. Зону бризок умовно можна розділити на зону великих крапель і зону дрібних крапель, що витають. В останній зоні від пари відокремлюються великі і досить дрібні краплі рідини, тому її називають сепараційним простором. Таким чином, відстань між тарілками повинна бути не менш загальної висоти всіх трьох зон. Висота кожної зони визначається на базі емпірично знайдених залежностей за фізичними властивостями рідини, яка розділяється, конструкцією тарілки, навантаженням по рідині і пару. Висота сепараційного простору визначається припустимою величиною міжтарілочного віднесення рідини паровим потоком. Оптимальною величиною, що відповідає мінімальним витратам на поділ, вважається відношення рідини в межах (?) 0,2 — 0,32кг пари, обумовлений по формулі:  , (22)де: ŋ — к.к.д. тарілки. Для колон, що вимагають періодичного чищення, міжтарілочна відстань приймається з розрахунку можливості установки люків або лазів. При діаметрах колон до 1,5 м для очищення тарілок користуються люками, при більшому діаметрі необхідно передбачати лаз. Виходячи із цього в першому випадку міжтарелочна відстань приймається не менш 200 — 250 мм, у другому 450—550 мм. При мінімальних відстанях між тарілками колона повинна працювати в дуже жорсткому режимі по навантаженню, тому що величина міжтарілочного простору впливає на припустимий діапазон зміни навантажень колони. Для більшості тарілок зі збільшенням міжтарілочної відстані в 2 рази приблизно в стільки ж збільшується й діапазон зміни навантажень.[18] Ручний розрахунок багатокомпонентних ректифікаційних колон дуже трудоємний і складний, вихідні дані важко доступні і часто в літературі по темі неточні, тому для досягнення точності розрахунків доцільно використовувати спеціальне програмне забезпечення для розрахунку ректифікаційних колон на ЕОМ, що реалізує науково і експеріментально обгрунтовані алгоритми розрахунків, результати яких приймаються на виробництві. 2.2 Дослідження можливостей застосування програмних засобів для розрахунку та моделювання технологічних процесів в нафтогазовій галузі Розробка і проектування сучасних технологічних процесів переробки природньої вуглеводородної сировини і оптимальна експлуатація діючих виробництв неможлива без застосування моделюючих програм, що мають високу точність опису параметрів технологічних процесів і дозволяють без значних матеріальних і часових витрат проводити дослідження цих процесів. Такі модельні дослідження мають величезне значення не тільки для проектування, але і для функціонування існуючих виробництв, тому що дозволяють врахувати вплив зовнішніх факторів (зміна складу сировини, зміна вимог до кінцевих і проміжних продуктів і т.д.) на показники діючих виробництв. У наш час інженерам-технологам доступна велика кількість програмних засобів моделювання хіміко-технологічних процесів. Ці засоби в основному розроблені фірмами США і Канади. В основу всіх засобів моделювання закладені загальні принципи розрахунків матеріально-теплових балансів хімічних виробництв. Як правило, будь-яке виробництво складається зі стадій, на кожній з яких виробляється певний вплив на матеріальні потоки і перетворення енергії. Послідовність стадій звичайно описується за допомогою технологічної схеми, кожен елемент якої відповідає певному технологічному процесу (або групі спільно протікаючих процесів). З'єднання між елементами технологічної схеми відповідають матеріальним і енергетичним потокам, що протікають у системі. У цілому моделювання технологічної схеми засновано на застосуванні загальних принципів термодинаміки до окремих елементів схеми та до системи в цілому. Будь-яка система моделювання включає набір наступних основних підсистем, що забезпечують рішення завдання моделювання хіміко-технологічних процесів:
Ці дані, які необхідні для розрахунку термодинамічних властивостей, включають:
Звичайно, моделюючі системи мають вбудовані бази даних властивостей чистих компонентів. Число чистих компонентів звичайно перевищує 1000, що дає можливість використати програму практично для будь-яких випадків. На практиці, при рішенні завдань, характерних для газової і нафтової промисловості, використовуються не більше 50 компонентів. Засоби подання й аналізу властивостей нафти і газових конденсатів необхідні, щоб на основі даних лабораторних досліджень властивостей нафти, газоконденсатів і нафтопродуктів одержати необхідні дані для адекватного подання цих сумішей у моделюючій системі. Потоки вуглеводнів можуть бути визначені за допомогою лабораторних даних розгонки. Ця інформація використовується для генерації набору дискретних псевдокомпонентів, які потім застосовуються для подання складу кожного потоку, що характеризується кривою розгону. Зазвичай, моделююча система включає різні методи розрахунку термодинамічних властивостей. Дані методи містять у собі [19]:
Найбільш часто для моделювання процесів обробки природного газу і нафти використовується рівняння стану Пенга-Робінсона [20] і Соава-Редліха-Квонга [21] та їх модифікації. Ці методи дозволяють вирішити більшу частину проблем, що виникають при моделюванні завдань газопереробки.[22] Від складу засобів моделювання окремих процесів залежать функціональні можливості всієї моделюючої системи. Як правило, всі моделюючі системи включають засоби для моделювання наступного набору процесів:
Програми дозволяють моделювати складні дистиляційні системи зі стріпінгами, бічними зрошеннями, підігрівниками і т.д., тобто вирішувати найбільш складні завдання первинної переробки нафти. Такого набору систем досить для моделювання основного кола завдань газопереробки. За способом побудови технологічних схем з окремих елементів моделюючі програми можна розділити на системи з візуальним інтерфейсом і системи з табличним кодуванням. Перші дозволяють формувати схеми безпосередньо на екрані комп'ютера, вибираючи елементи зі списку і з'єднуючи їх у певному порядку. Табличне кодування передбачає послідовний вибір елементів і призначення вхідним і вихідним потокам адреси із загального списку потоків моделюємої схеми. Будь-яке завдання моделювання еквівалентне великій системі нелінійних одночасно розв'язуваних рівнянь. Ця система включає розрахунок всіх необхідних термодинамічних властивостей для всіх потоків, витрат і складів із застосуванням обраних моделей розрахунку властивостей і процесів. Впринципі, можливе рішення всіх цих рівнянь одночасно, але в моделюючих системах звичайно використовується інший підхід: кожен елемент схеми вирішується із застосуванням найбільш ефективних алгоритмів, розроблених для кожного випадку. При розрахунку системи взаємозалежних апаратів послідовність розрахунку елементів визначається автоматично (або може бути задана користувачем). При наявності рециклів створюється ітераційна схема, у якій рециклові потоки розриваються і створюється послідовність збіжних оцінних значень. Ці значення отримуються заміщенням величин, розрахованих при попередньому прорахунку схеми (метод Простого Заміщення) або шляхом застосування спеціальних методів прискорення розрахунку рециклів - Вегштейна (Wegstein) і Бройдена (Broyden). Можливість проводити розрахунки в динамічному режимі дозволяє набагато краще зрозуміти сутність процесів, які моделюються. Можна зібрати і випробувати схему регулювання, дослідити пускові режими, одержати уявлення про реально працюючий процес і поведінку об'єкта в позаштатних ситуаціях, про вплив зміни робочих параметрів на якість продуктів. Багато моделюючих програм дозволяють, після виконання стадії розрахунку технологічної схеми або окремого апарата, виконувати розрахунки гідравлічних й основних конструктивних характеристик сепараційного устаткування, ємностей, теплообмінних апаратур, тарільчастих і насадних ректифікаційних колон, а також виконувати оцінку вартості виготовлення кожного апарата. У наш час провідні позиції на ринку займають продукти двох компаній – Simulation Sciences (SimSci) і Aspen Technologies. Пакет динамічного моделювання SimSci-Esscor фірми SimSci включає в себе:
DYNSIM дозволяє здійснювати високоточне моделювання технологічних процесів нафтохімічних установок і процесів. Ключові можливості DYNSIM наступні:
|