Колонна 2 - 7
2.2 Теория
Ректификационные колонны, такие как колонны атмосферной и вакуумной перегонки, деметанизатор с ребойлером, экстракторы, представляют собой наиболее сложные модульные операции, выполняемые ХАЙСИС. В зависимости от моделируемой системы каждая такая колонна состоит из ряда термодинамических равновесных или неравновесных ступеней разделения (тарелок). Пар с каждой тарелки направляется на вышележащую тарелку, а жидкость стекает на тарелку, расположенную ниже. На каждую тарелку может поступать один или несколько сырьевых потоков, с каждой тарелки могут отбираться жидкие или паровые продукты, каждая тарелка может нагреваться или охлаждаться боковым теплообменником. На рисунке показана типовая j-ая тарелка колонны. Предполагается, что тарелки нумеруются сверху вниз, т.е. вышележащая тарелка имеет номер j-1, а нижележащая j+1.
V – питание тарелки
L – жидкость, стекающая на тарелку ниже
V – пар, поступающий на тарелку выше
LSD – боковой отбор жидкости с тарелки
VSD – боковой отбор пара с тарелки
Сложные колонны могут иметь циркуляционные орошения, которые забирают жидкость с одной тарелки колонны и возвращают ее, как правило, на расположенную выше тарелку. Некоторые колонны могут иметь вспомогательные отпарные секции (так называемые боковые стриппинги), используемые для очистки боковых жидких продуктов. За исключением колонн атмосферной перегонки, лишь немногие колонны имеют все вышеуказанное оборудование, но практически любой тип колонны можно моделировать с необходимым оборудованием.
Важно отметить, что с помощью операции Колонна можно моделировать процессы фракционирования из самых различных сфер применения. Можно моделировать криогенные колонны, системы абсорбции ТЭГ высокого давления, колонны отпарки кислых вод, абсорберы тощего масла, сложные атмосферные колонны, в высшей степени нелинейные азеотропные фракционирующие колонны и т.д. Не существует фиксированных ограничений для количества компонентов и тарелок.
Колонна рассчитывается по уникальным уравнениям, которые не используются больше ни в одной операции ХАЙСИС.
Уравнение перегородки Франциса – отправная точка расчета расхода жидкости с тарелки.
2 - 8 Колонна
|
LN = Cρlw h1.5 |
(2.1) |
где |
LN – расход жидкости, покидающей тарелку N. |
|
|
С – константа преобразования единиц |
|
ρ – плотность жидкости на тарелке lW – длина перегородки
h – высота жидкости над перегородкой
Расход пара, покидающего тарелку, рассчитывается следующим образом:
Fvap = k ∆P |
(2.2) |
где Fvap – расход пара, покидающего тарелку N
k – константа, обратная величине, определяющей коэффициент
трения
∆Р – сопротивление сухой тарелки
Константа k пропорциональна квадрату диаметра колонны.
Сопротивление тарелки определяется как сумма высоты статического напора на тарелке и сопротивления сухой тарелки.
При расчете колонны в динамическом режиме возможно задание КПД тарелок. При задании отличного от 1 КПД тарелки программа вводит байпассный поток пара, который обходит жидкость. См. рисунок ниже, n – КПД тарелки.
ХАЙСИС может моделировать как обсыхание тарелки, так и ее захлебывание. Если величина ∆Р слишком мала, - тарелка “обсыхает”. При этом возможен проток жидкости на нижележащую тарелку даже в том случае, когда превышение жидкости над перегородкой равно 0.
Захлебывание – это режим, при котором объем жидкости на тарелке приближается к объему тарелки. Это явление можно отслеживать на странице Содержимое закладки Динамика как в окне пульта колонны, так и в специализированном окне тарельчатой секции.
Колонна 2 - 9
2.2.1Трехфазные системы. Теория
При расчете неидеальных систем, содержащих более трех компонентов, могут возникать ограничения, которые не удается преодолеть с помощью обычных ректификационных колонн. Образование азеотропов в трехфазных системах часто представляет собой термодинамический барьер в процессах разделения таких систем.
Иногда бывает сложно свести расчет для неидеальной системы, поскольку нужны очень точные начальные приближения. Чтобы задать такие начальные приближения для ректификационной колонны, имеется трехфазный эксперт ввода, который позволяет инициализировать начальные профили температур, расходов и составов. Подробнее об этом смотри в Разделе 2.3.2 Шаблоны.
Имеется специальная программа DISTIL, предназначенная для расчета неидеальных многокомпонентных систем, с помощью которой можно определить возможные пути процесса разделения. Эта программа концептуального проектирования позволяет также определить оптимальное положение тарелки питания и позволяет непосредственно экспортировать параметры колонны в программу ХАЙСИС, где они используются как начальные приближения. Подробнее о программе DISTIL можно узнать у представителей фирмы ХАЙПРОТЕХ.
2.2.2Обнаружение наличия трех фаз
Когда расчет колонны сведен, ХАЙСИС автоматически проведет расчет трехфазного равновесия на верхней тарелке. Если на тарелке будет обнаружено две жидкости и для нее не задан боковой отбор воды, будет выдано соответствующее предупреждение. Это предупреждение не следует игнорировать - нужно задать боковой отбор воды на этой тарелке.
Сообщения о сходимости колонны выводятся в окне трассировки.
Если отбор воды задан, ХАЙСИС проверит следующую тарелку на наличие двух жидкостей и так далее. Это будет продолжаться до тех пор, пока не будет обнаружена тарелка только с одной жидкостью.
Обратите внимание, что если имеются тарелка с тремя фазами ниже тарелки с двумя фазами, это не будет обнаружено.
В результатах расчета будет отражено наличие второй жидкой фазы.
2.2.3Начальные оценки
Начальные оценки параметров помогают системе обеспечить сходимость расчета. Чем лучше заданные оценки, тем быстрее ХАЙСИС получит решение.
Имеется три способа задания начальных оценок колонны:
•Ввести оценки при создании колонны.
•На странице Профили или Оценки закладки Расчет задать значения оценок.
•Имейте в виду, что значения спецификаций, отмеченные как оценки (на странице Монитор или Спецификации закладки Данные)
используются программой как начальные оценки расчета.
2 - 10 Колонна
Необходимо помнить, что если Вы заменяете исходные спецификации, принятые по умолчанию (расход пара и жидкости с верха колонны или флегмовое число), замененные значения останутся начальными оценками. Поэтому рекомендуется с самого начала задавать разумные значения, даже если Вы собираетесь потом их заменять.
Хотя ХАЙСИС не требует обязательного задания оценок, разумные оценки помогают свести расчет колонны.
Температуры
Оценки температур можно задать для любой тарелки колонны, включая конденсатор и ребойлер. Это делается на странице Оценки закладки Параметры в специализированном окне колонны. Незаданные температуры вычисляются с помощью линейной интерполяции. Если перепад температур на конденсаторе или ребойлере значителен, полезно задать оценки температур на верхней и нижней тарелках секции.
Обратите внимание, что если сверху колонны отбирается переохлажденная жидкость, в качестве оценки температуры в конденсаторе лучше задать не температуру переохлажденной жидкости, а оценку температуры кипения.
Правила смешения на тарелке питания
Для вычисления внутренних потоков на тарелке питания используется следующий алгоритм:
1.Покомпонентные расходы и паровой и жидкой части питания добавляются к покомпонентным расходам внутренних потоков пара и жидкости, поступающих на эту тарелку, т.е. смешиваются с содержимым тарелки.
2.Общая энтальпия питания добавляется к суммарной энтальпии внутренних парового и жидкого потоков, поступающих на тарелку.
3.Производится расчет фазового равновесия образовавшейся смеси при давлении, равном давлению на тарелке, и при суммарной энтальпии смеси. В результате этого определяются паровой и жидкий потоки, уходящие с тарелки.
Однако, в большинстве реальных ситуаций паровая фаза питания не контактирует с жидкостью на тарелке питания. Для того, чтобы жидкая часть питания попадала на одну тарелку, а паровая - на другую, лежащую выше, суммарный поток питания можно сначала разделить в сепараторе на два однофазных потока, и ввести их на разные тарелки колонны. Это можно сделать «вручную», установив соответствующий сепаратор, а можно поручить программе, отметив флажок Разделять питания на странице Соединения закладки Данные или на странице Настройка закладки Схема/Подсхема специализированного окна колонны.
Основные параметры колонны
Независимо от типа колонны ее основные параметры сохраняют заданные значения.
Давление
Профиль давления в тарельчатой секции рассчитывается на основе заданных пользователем значений. Вы можете задать давление для всех тарелок или только для верхней и нижней тарелки (или также и для любых промежуточных). Давление на тарелках, для которых оно не было задано непосредственно, рассчитывается линейной интерполяцией.
Колонна 2 - 11
Имеется возможность задать перепад давления в конденсаторе и ребойлере. По умолчанию эти перепады давления равны нулю, и ненулевые значения перепада давления не являются необходимыми для расчета.
Если давления продуктовых потоков (включая боковые отборы пара и жидкости, продукты из боковых стриппингов и внутренние потоки) известно (задано как спецификация или рассчитано до обращения к операции Колонна), ХАЙСИС передаст эти значения в колонну и будет использовать их в процессе расчета. При этом уже нет необходимости задавать давления на этой тарелке во входной форме. Если Вы затем измените давление продуктового потока, колонна будет пересчитана.
Философия ХАЙСИС такова, что при любых изменениях потоков система проверит все связанные с этим потоком операции и пересчитает их при необходимости.
Число тарелок
Число тарелок, которое Вы задаете для тарельчатой секции, не включает конденсатор и ребойлер (если они есть). Если к колонне добавляются боковые стриппинги, их тарелки также не входят в это число. По умолчанию тарелки нумеруются в ХАЙСИС сверху вниз. Изменить схему нумерации тарелок можно на странице Соединения закладки Данные.
Первоначально ХАЙСИС рассматривает тарелки как идеальные. Если Вы хотите, чтобы тарелки рассматривались как реальные, задайте КПД тарелок на странице КПД закладки Параметры. Как только эффективность тарелок задана (если даже задается1), ХАЙСИС рассматривает их как реальные.
Потоки
Положение потоков питания и отборов, их составы и условия являются основными параметрами колонны.
2.2.4Соотношения давления – расходы (P-F)
P-F спецификации, приведенные ниже, рекомендуются в тех случаях, когда колонна не содержит дополнительного оборудования, такого, как боковые стриппинги, боковые отборы, теплообменники и т.д. Возможны другие комбинации P-F спецификаций, однако, они могут привести к нестабильной работе колонны.
Вне зависимости от конфигурации P-F спецификаций при детальном расчете динамической модели рекомендуется по крайней мере установить клапаны на все граничные потоки (питания и продукты). Когда клапаны установлены, образующимся граничным потокам можно задать спецификации давления и регулировать расходы с помощью регуляторов там, где это необходимо.
2 - 12 Колонна
Абсорбер
В стандартной колонне – абсорбере имеется два входных и два выходных потока. При расчете такой колонны, не соединенной с другим оборудованием, образуется четыре граничных потока и, следовательно, необходимы четыре P-F спецификации. Жидкий продуктовый поток снизу колонны всегда требует спецификации давления. Другая спецификация давления должна быть задана для парового продукта колонны, а для потоков питания нужно задать спецификации расходов.
Если жидкий продукт колонны поступает в некоторый элемент оборудования, то необходимо “смоделировать” куб колонны. Для этого имеется несколько способов. Самый простой – вместо абсорбера установить абсорбер с ребойлером и задать нагрузку энергетического потока равной нулю. Другой вариант – направить жидкий продукт абсорбера в сепаратор и паровой продукт сепаратора вернуть на нижнюю тарелку колонны.
Абсорбер с конденсатором
Типичный абсорбер с конденсатором имеет один входной и два или три выходных потока в зависимости от конфигурации конденсатора. При этом образуются три или четыре граничных потока и требуется четыре или пять P-F спецификаций: обычно две спецификации давления и три спецификации расхода. Жидкий продуктовый поток снизу колонны всегда требует спецификации давления. Дополнительная спецификация требуется для рефлюксного потока и описана в Разделе 2.7 – Колонна:
дополнительные операции.
Если жидкий продукт колонны поступает в некоторый элемент оборудования, то необходимо “смоделировать” куб колонны. Для этого имеется несколько способов. Самый простой – вместо абсорбера установить абсорбер с ребойлером и задать нагрузку энергетического потока равной нулю. Другой вариант – направить жидкий продукт абсорбера в сепаратор и паровой продукт сепаратора вернуть на нижнюю тарелку колонны.
Абсорбер с ребойлером
Такая колонна имеет один входной и два выходных потока. При моделировании образуется три граничных потока, и требуется три P-F спецификации. Для парового продуктового потока необходима спецификация давления.
Колонна 2 - 13
Ректификационная колонна
В стандартной ректификационной колонне имеется один поток питания и два или три продуктовых потока – в зависимости от конфигурации конденсатора. В процессе моделирования образуется три или четыре продуктовых потока, но требуется четыре или пять P-F спецификаций. Дополнительная спецификация требуется для рефлюксного потока и описана в Разделе 2.7 – Колонна: дополнительные операции.
Трехфазная ректификационная колонна похожа на обычную ректификационную колонну, но только в ней три или четыре выходных потока. Таким образом, образуется четыре или пять граничных потоков, и требуется пять или шесть P-F спецификаций: обычно одна спецификация давления и четыре или пять спецификаций расходов.
Конденсатор и ребойлер
В следующих разделах приводятся некоторые рекомендации по заданию P- F спецификаций при упрощенном моделировании динамики. Использование спецификации расхода флегмы не рекомендуется для детального моделирования. Если уровень жидкости становится равным нулю, то спецификация массового расхода приводит к большому объемному расходу потока, поскольку поток паровой.
Настоятельно рекомендуется устанавливать соответствующее оборудование (насосы, клапаны и т.д.). В любом должно осуществляться регулирование уровня жидкости в конденсаторе для обеспечения необходимых показателей.
Парциальный конденсатор
Впарциальном конденсаторе имеется три выходных потока:
•Пар сверху
•Рефлюкс
•Дистиллат
Все три выходных потока должны быть заданы при присоединении к основной тарельчатой секции. Рекомендуется одна спецификация давления для парового потока и одна спецификация расхода для любого жидкого потока. Последней P-F спецификацией можно задать расход другого жидкого выходного потока или соотношение Флегма/Общий расход на странице Спецификации закладки Динамика специализированного окна конденсатора.
Полный рефлюкс
Вконденсаторе с полным рефлюксом имеется два выходных потока:
•Пар сверху
•Рефлюкс
Для парового потока требуется спецификация давления, а для потока рефлюкса – спецификация расхода.