Расчет размеров оборудования

Ректификация в ChemCad'e представлена набором модулей: приближенного расчета ректификации (Shortcut Column (SHOR)), строгого расчета ректифика­ции и абсорбции (TOWR Distillation Column), строгого расчета ректификации и абсорбции нефтяных смесей (Tower plus), расчета ректификации с химической реакцией (SCDS Column) и др. Модуль TOWR Distillation Column широко используется при моделировании техноло-гических схем. С его помощью рассчитывается колонна любого типа: ректификационная, абсорбционная, абсорбционная с кубом и стриппер. Модуль имеет множество спецификаций, что делает его чрезвычайно гибким в исполь­зовании.

Окно ввода параметров модуля TOWR имеет пять разделов. Раздел General (Общая конфигурация) содержит General Model Parameters (Общие модельные параметры). В списке Condenser type (Тип конденсатора) выбира-ется тип конденсатора:

0 Total or no condenser (0 Полный или нет конденсатора) (установлен по
умолчанию);

1 Partial condenser (Парциальный конденсатор);

2 Total with water decant (Трехфазный полный конденсатор со сливом
воды);

3 Partial with water decant (Трехфазный парциальный конденсатор со
сливом воды).

Если конденсатор отсутствует, то указать тип равный 0. Для полного конден­сатора дистиллят будет жидким. Для парциального конденсатора дистиллят будет паром, даже если есть жидкий продукт, выходящий из конденсатора, ко­торый будет определен как жидкий боковой продукт. Если выбран 2 или 3 тип конденсатора, то используется метод расчета константы фазового равновесия в системах с несмешивающимися с водой компонентами.

Следующие поля используются для задания:

Subcooled temp (Температура недогрева) – значения температуры недогрева (задается только для полного конденсатора).

Top pressure (Давление вверху) – давления в конденсаторе или вверху
колонны. Если давление в конденсаторе не задано, то используется давление
потока питания.

Cond pressure drop (Перепад давл. в конд.) – перепада давления в кон­денсаторе, задается как положительное число.

Colm pressure drop (Перепад давл. в кол.) – перепада давления в колонне,
задается как положительное число. Давление на каждой тарелке вычисляется
линеаризацией изменения давления между верхом (без конденсатора) и ни­зом колонны (включая куб, если он задан).

В поле No. of stages (Число тарелок) вводится значение числа тарелок, включая куб и конденсатор. Тарелки нумеруются сверху вниз. Если есть кон­денсатор, он рассматривается как 1-я тарелка. Если есть куб, он рассматривает­ся как N-я тарелка. Максимальное число тарелок – 100, минимальное – 2.

Feed stages: (Тарелки питания) используется для задания номеров тарелок питания. Они вводятся сверху вниз, и их количество должно быть равно числу потоков питания, подводимых к колонне. Боковые нагреватели/охладители за­даются как энтальпийные потоки (потоки с энергией, но без расхода компонен­тов); их положение задается так же, как и положение тарелок питания. Положи­тельная энтальпия соответствует нагреванию, отрицательная – охлаждению.

В разделе Specifications (Спецификации) задаются параметры, используе­мые при расчете Heat And Material Balance Specifications (Теплового и материаль-ного балансов).

В списке Condenser mode: (Выбор режима конденсатора:) выбирается ре­жим конденсатора:

-1 No condenser spec (see tray spec) (Есть конденсатор, но нет задания характе-ристик);

0 No codenser (Нет конденсатора);

1 Reflux ratio (R/D) (Флегмовое число);

2 Condenser duty, negative (Тепловая нагрузка конденсатора);

3 Distilate temperature (Температура конденсатора);

4 Distilate mole flowrate (Общий мольный расход дистиллята);

5 Distilate rate of one component (Мольный расход компонента в дистил­ляте);

6 Distilate component mole fraction (Мольная доля компонента в дистил­ляте);

7 Distilate comp fraction recovery (Отношение количества одного компо­нента в дистилляте к его количеству в потоках питания);

8 Distilate total fraction recovery (Отношение количества потока питания к коли-честву дистиллята);

9 Two components molar flowratio (Отношение мольных расходов 2-х компо-нентов в дистилляте);

10 Volume flow rate (crude flowrate) (Объемный расход дистиллята);

11 Distilate mass flowrate (Массовый расход дистиллята);

12 Weight fraction of one component (Массовая доля одного из компонен­тов в дистилляте);

13 Reserved for TPLS module (Резервировать TPLS модуль);

14 Reserved for TPLS module (Резервировать TPLS модуль);

15 Molecular wight (Молекулярная масса дистиллята);

16 API gravity of the distilate (Удельная плотность дистиллята по стан­дартам Американского института нефти);

17 Volume fraction of the component (Объемная доля одного компонента в дистилляте);

18 Reflux mole flowrate (Мольная доля флегмового числа);

19 Reflux mass flowrate (Массовая доля флегмового числа).

По умолчанию установлен режим 0 No condenser, указывающий на отсутствие конденсатора (например, в абсорбере). Любой другой режим больше 0 показывает, что конденсатор есть, и его характеристики должны быть заданы в поле Specification (Значение). Величина тепловой нагрузки должна быть отрица­тельным действительным числом. Для режима 0 ничего указывать не нужно. Для режимов 5, 6, 7, 9, 12, 17 нужно задать Component (Компонент), а для режима 9 задать еще Divided (Делитель). Для режима -1 нужно задать Stage (Но­мер тарелки), в списке Select optional tray mode (Выбор режима тарелки) выбрать нужный режим с 0 по 28, указать Specification (Спецификации) тарелки. Для режимов 3, 4, 6, 7,10 нужно задать Component.

В списке Select reboiler mode: (Выбор режима куба:) выбирается режим куба:

-1 No reboiler spec (see tray spec) (Есть куб, но нет задания характери­стик);

0 No reboiler (Нет куба);

1 Vapor/Bottoms mole flow ratio (V/B) (Кубовое число);

2 Reboiler duty, positive (Тепловая нагрузка куба);

3 Bottom product temperature (Температура куба);

4 Bottom mole flowrate (Общий мольный расход кубового остатка);

5 Bottom mole rate of one component (Мольный расход одного компонента кубового остатка);

6 Bottom component mole fraction (Суммарная мольная доля компонен­тов в кубовом остатке);

7 Bottom соmp fraction recovery (Отношение количества одного компонента в кубе к его количеству в потоках питания);

8 Botton total fraction recovery (Отношение расхода потоков питания к расходу кубового продукта);

9 Two components molar flow ratio (Отношение мольных расходов двух компо-нентов в кубе);

10 Volume flowrate (crude flowrate) (Объемный расход кубового остатка);

11 Botton mass flowrate (Массовый расход кубового остатка);

12 Weight fraction of one component (Массовая доля одного компонента в кубовом остатке);

15 Molecular weight of bottom product (Молекулярная масса кубового остатка);

16 API gravity of bottoms (Удельная плотность кубового остатка по стандартам Американского института нефти);

17 Volume fraction of one component (Объемная доля одного компонента кубового остатка).

Режим 0 показывает, что куба нет (например, в абсорбере). Любой другой ре­жим больше 0 показывает, что куб есть, и его характеристики должны быть за­даны в поле Specification (Значение). Для режима -1 задаются спецификации аналогично режиму -1 конденсатора.

Если в колонне присутствует отбор бокового продукта, то в Side Product Specifications (Спецификации бокового продукта) для каждого отбираемого потока задаются Stage (Тарелка) – номер тарелки отбора, Side product mode (Режим бокового отбора) и Specification (Спецификация).

Раздел Convergence (Сходимость) содержит параметры Estimates and Convergence Parameters (Параметры оценки и сходимости).

General estimates (Общие оценки) содержат следующие параметры:

Dist. rate (Расход дистиллята) — оценку расхода дистиллята. Ее рекомен­дуется задавать в мольных единицах.

Reflux rate (Расход флегмы) — оценку расхода флегмы. Оценочное значе­ние расхода флегмы также вводится в мольных единицах.

Если расход дистиллята и флегмы не известен, то эти поля остаются пусты­ми, т.к. модуль TOWR задает собственные оценки.

Temperature estimates (Оценки температуры) используются для задания оценок: Т top (T наверху) – температуры в верхней части колонны. Задается оце­ночная температура конденсатора или верхней тарелки. Если значение не известно, то поле остается пустым;

Т bottom (T внизу) – температуры в нижней части колонны. Задается оценочная температура куба или последней тарелки. Если температура не из­вестна, то поле остается пустым;

Т 2 – температуры на тарелке 2. Задается, если существует большая раз­ность температур между конденсатором и верхней тарелкой.

В соответствующих полях Side product estimations (Оценки бокового про­дукта) задаются оценки мольных расходов продуктов отбора. Если они не из­вестны, то поля остаются пустыми.

При задании Convergence (Сходимости) указывается:

Iterations (Итерации) – максимальное число итераций;

Initial flag (Признак профиля) – начальные оценки для расчета ректифи­кации:

0 None – установлено по умолчанию. Для этого требуется минимум
входной информации (расход дистиллята, расход флегмы и т.д.);

1 Reload column profile (Перезагрузка профиля колонны) – перезагружает профиль колонны, вычисленный в предыдущем расчете (базовом варианте). Число тарелок и компонентов должно оставаться тем же, что и в базо­вом варианте;

2 Temp, profile only (Оценка температурного профиля);

3 Temp.&vapor profile (Оценка температуры и расхода пара);

4 Temp., vapor, liquid profile (Оценка температуры, пара, жидкости);

5 Temp., vapor, liquid pres (Оценка температуры, пара, жидкости и профиля давления).

Режимы 2, 3, 4, 5 используются, если TOWR не сходится из-за чрезвычайно не­линейного характера температурного профиля пара или жидкости в колонне. Следующие поля используются для задания:

Tolerance (Погрешность) – допустимой погрешности;

Damping factor (Демпфирующий фактор) – демпфирующего отношения
для модели константы фазового равновесия. Для очень неидеальных химичес-ких систем рекомендуется задавать отношение меньше 1;

Water Quench (Подача воды) – признак подачи воды. Если сверху колонны подается большое количество воды и она присутствует на каждой тарелке, то сходимость может быть достигнута, когда признак установлен. Если куб в колонне – термосифон, то в Thermosyphon reboiler (Термосифон куба) в поле Vapor fraction (Доля пара) задается доля выходящего пара.

Calculated results (Вычисленные величины) содержат значения;

Condenser duty (Нагрузка конденсатора) – тепловой нагрузки конденса­тора (отрицательная величина);

Rebolier duty (Нагрузка куба) – тепловой нагрузки куба (положительная
величина);

Reflux mole (Флегмовое число в мольных единицах) – флегмового числа в мольных единицах;

Reflux mass (Флегмовое число в массовых единицах) – флегмового числа в массовых единицах;

Reflux ratio (Флегмовое число) – флегмового числа.

В разделах Cost Estimation (Оценка стоимости) 1 и Cost Estimation 2 пред­ставлены опции для оценки стоимости ряда конструктивных элементов тарель­чатых и насадочных колонн, конденсатора, кипятильника.

Чтобы выполнить расчет колонны с клапанными, ситчатыми и колпачковыми тарелками, используется команда Sizing/Trays (Задание размеров/Тарел­ки). После выбора на схеме колонны, для которой будет сделан расчет, в окне Tray Sizing (Задание размеров тарелки) надо указать тип тарелок в колонне: Valve Tray (Клапанная тарелка), Sieve Tray (Ситчатая тарелка) или Bubble Cap Tray (Колпачковая тарелка). В поле Number of sections (Количество секций) задается количество секций. Обычно переход к новой секции означает изменение диаметра колонны. После выбора типа тарелки на экран выводится окно ввода характеристик для выбранного типа тарелок.

Valve Tray. В окне Valve Tray (Клапанная тарелка) представлены следую­щие параметры клапанных тарелок:

Starting Stage/Ending Stage (Начальная тарелка/Конечная тарелка) - верхняя и нижняя тарелки текущей секции колонны. Таким образом иден­тифицируются секции для колонн, состоящих из нескольких секций и имеющих свою спецификацию. Все остальные поля ввода относятся к опи­санию именно этой секции. Если указано, что секций в колонне несколько, то окна ввода будут выдаваться до тех пор, пока не будет описана вся ко­лонна;

Tray diameter (Диаметр тарелки) – диаметр колонны в данной секции в
указанных единицах. Используется для поверочного расчета. Если это значение не вводится, оно будет рассчитано программой автоматически;

Tray spacing (Расстояние между тарелками) – расстояние между тарелками. Используется в расчете фактора пропускной способности пара, который является частью проектного и поверочного расчета тарелок. По умолчанию принято значение равное 24 дюймам;

No. of passes (Число потоков) – количество потоков на тарелке. Клапанные тарелки могут иметь от 1 до 5 потоков. По умолчанию принят 1;

Hole A/Act А (Пл. отв./Акт. пл.) – отношение площади отверстий к активной площади. Эта переменная определяет балластные тарелки. По умолчанию принято значение равное 0.19;

Weir Height (Высота перетока) – высота перетока в указанных размерностях. Она влияет на общее количество жидкости на тарелке и, следовательно, на перепад давления на тарелке. По умолчанию принято значение равное 2 дюймам;

System factor (Системный фактор) – системный фактор, позволяющий учесть возможности ценообразования на тарелке. Используется в расчете проектной скорости в сливном патрубке и фактора пропускной способности по пару.

Flood percent (Процент захлебывания) – процент захлебывания для дан­ной секции колонны. По умолчанию процент захлебывания принят равным 80%.

Выбор типа и материала клапана производится из списков Valve type (Тип клапана) и Valve material (Материал клапана). Тип клапана определяет коэффи-циенты перепада давления сухой тарелки и, соответственно, общее паде­ние давления на тарелке. По умолчанию принят тип клапана V4 - клапанная тарелка Glitsch (Глича). Плотность материала клапана дает возможность определить степень раскры­тия данного клапана в рассмат-риваемых условиях. Это позволяет рассчитать перепад давления на сухой тарелке и, соответственно, общий перепад давления. По умолчанию установлена углеродистая сталь. Задание толщины настила и клапана выполняется в полях Deck thickness (Толщина настила) и Valve thickness (Толщина клапана). По умолчанию их значения соответственно равны 14 и 12. Толщина клапана влияет на перепад давления на тарелке. Поля в Efficiency for Fractionator (Эффективность для ректификации) используются для задания позиции ключевого Light key (Легкого) и Heavy key (Тяжелого) компонента смеси. Программа вычислит общую эффективность колонны.

Для абсорбционной колонны в полях Efficiency for Absorbers (Эффективность для абсорбции) задается позиция растворенного вещества. Программа вычислит общую эффективность колонны. Для сливного патрубка в области Downcomer (Сливной патрубок) задают­ся следующие характеристики:

Clearance (Зазор) – зазор сливного патрубка, равный расстоянию между основанием тарелки и краем днища патрубка. Он определяет местоположе­ние патрубков и, следовательно, длину пути потока. По умолчанию принято
значение равное 3 дюймам.

Optional flow area (Рассчитанная площадь сливного патрубка).

Следующие поля используются для задания размеров ширины сливных патрубков, в зависимости от количества ходов в тарелке. Ширина сливного патруб­ка определяет местоположение патрубков и, следовательно, длину пути потока. Может быть задано до четырех размеров ширины сливных патрубков: Side width (Бокового патрубка). Center width (Центрального), Off center width (Смещенного от центра). Offside width (Смещенного от края). Опции области Thickness specifications (Характеристики настила) исполь­зуются для задания характеристик настила: Design pressure (Проектное давле­ние), Joint efficiency (Общая эффективность), Allowable stress (Допустимое напряжение), Corrosion allow (Допуск на коррозию) [2].

    Для расчета конструктивных размеров ректификационной колонны нужно переключить форму в режим редактирования схемы (Edit Flowsheet) и дополнить ее модулем строгого расчета ректификации (Tower #1), как показано на рисунке 34.

Рисунок 34 – Создание модуля строгого расчета ректификации

Далее схема переключается в режим моделирования (Run Simulation) и задаются параметры потока питания (в данном случае поток 13), как показано на рисунке 35.

Рисунок 35 – Параметры потока питания для модуля строгого расчета ректификации

Устанавливаются параметры модуля строгого расчета ректификации. Пара-метры вкладки «Основные параметры»:

    Тип конденсатора – 0 Полный конденсатор или конденсатор отсут-ствует;

    Перепад давления в конденсаторе – 1000 Па;

    Число тарелок – 21 (из предварительного расчета, см. свойства Shortcut Column);

    Перепад давления в колонне – 12600 Па (для 21 клапанных тарелок, получившихся в предварительном расчете, сопротивление каждой из кото-рых 600 Па [3]);

    Тарелка питания для потока 13 – 10 (рисунок 36).

Рисунок 36 – Параметры вкладки «Основные параметры» модуля строгого расчета ректификации

Параметры вкладки «Задание параметров» (рисунок 37):

    Режим работы конденсатора: 1 Флегмовое число (R/D) – 3,56416 (из предварительного расчета);

    Режим работы куба: 3 Температура кубового остатка – 177,4043 (из файла отчета)

Рисунок 37 – Параметры вкладки «Задание параметров» модуля строгого расчета ректификации

Параметры вкладки «Сходимость» (рисунок 38):

    Расход дистиллята – 18,3043 кмоль/ч (см. файл отчета);

    Расход флегмы – 65,239 кмоль/ч (произведение расхода дистиллята и флегмового числа);

    Т верх. – 144,5917 °C;

    Т ниж. – 177,4043 °C;

    Число итераций – 100;

Рисунок 38 – Параметры вкладки «Сходимость» модуля строгого расчета ректификации

После определения конструктивных параметров колонны переходят к проек-тированию тарелок. По команде Trays меню Sizing на экран выводится окно выбора типа тарелки (клапанная, ситчатая или колпачковая). В данном случае наиболее выгодно использовать клапанные тарелки (рисунок 39).

Рисунок 39 – Меню выбора типа тарелки

После выбора типа тарелки на экран выводится форма задания ее конструк-тивных размеров (рисунок 40). Задаваемые параметры:

Расстояние между тарелками – 0,5 м;

Площадь сечения/Активная площадь – 0,0769 (для клапанной тарелки при диаметре колонны 1 м [4]);

Высота перетока – 0,04 м;

Легкий ключевой компонент – 1 Benzene;

Тяжелый ключевой компонент – 2 Toluene;

Рисунок 40 – Задание параметров клапанной тарелки

После выполнения вышеуказанных процедур в папке проекта будет сформирован файл отчета, содержащий потарельчатый расчет колонного аппарата (Приложение Б).

Заключение

1) Проведен проектный расчет колонного аппарата для разделения бинарной смеси метанол – этанол при атмосферном давлении, определено количество тарелок и флегмовое число, необходимыеп для достижения заданного качества разделения.

2) На основании данных, полученных в ходе проектного расчета, произведен потарельчатый расчет колонного аппарата, рассчитаны основные конструк-тивные параметры тарелок.