Моделирование ректификационной колонны для разделения бинарной смеси

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Филиал в г. Стерлитамаке

Кафедра «Оборудование нефтехимических заводов»

ЖУРНАЛ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

по дисциплине «Прикладные программы расчета технологического оборудования предприятий органического синтеза»

Лабораторная работа: Моделирование ректификационной колонны для разделения бинарной смеси

Студент гр. БТС-14-31 Д.А Богданов

Руководитель

доцент, к.ф.-м.н. В.Б. Павлов

Стерлитамак

Цель работы: изучение основных принципов моделирования ректификационной колонны для разделения бинарной смеси в программе ChemSep.

Задание для моделирования ректификационной колонны

Таблица 1.1 - Исходные данные

Исходная смесь: ЧХУ - толуол
Исходная смесь	Дистиллят	Кубовая жидкость
Кол-во,моль/с	Состав, моль/доли	Кол-во,моль/с	Состав, моль/доли	Кол-во,моль/с	Состав, моль/доли
8.1313	ЧХУ-0,500 толуол-0,500	4,06505	ЧХУ-0,915 толуол-0,085	4,06565	ЧХУ-0,085 толуол- 0,915
Число тарелок -12
Тарелка питания -6
Доля пара в питании 0
Давление на входе в колонну, атм - 1,1
Давление в колонне, атм -1,1(постоянная по высоте колонна)
Тип кипятильника- с паровым пространством(кубовая жидкость отводится в виде жидкой фазы)
Тип конденсатора - дистиллят отводится в виде жидкой фазы(Total Liquid product))
Флегмовое число -1
Потери тепла по колонне -0

Постановка задачи. При проведении моделирования колонны определить оптимальное число тарелок, тарелку ввода исходной смеси.

Дополнительное задание: определить действительную высоту насадки в колонне через высоту эквивалентную теоретической тарелке (ВЭТТ).

Для проведения процесса моделирования:

1. Откроем программу ChemSep, щелкнув по ее иконке на рабочем столе.

2. Выбераем меню Тitle (титульный лист модели расчета).

3. В меню Тitle заполняем:

- строку Тitle

- строку Comments, вводим исходные данные для проводимого моделирования моделирование ректификационный бинарный смесь

Рисунок - 1 Окно заполнения меню Title

4. Сохраняем новый файл под именем «Моделирование колонны для смеси ЧХУ - толуол».

5. Выбираем меню Units (выбор единиц измерения).

6. В строке Select units set выбираем систему SI (СИ).



Рисунок 2 - Окно выбора системы единиц измерения

7. Используем кнопку Next, чтобы переместиться в меню выбора компонентов Components. В базе данных ChemSep находим компоненты, входящие в состав исходной смеси.

Выбрали два компонента : Carbon tetrachloride (ЧХУ) и toluene(толуол).

Рисунок 3 - Окно выбора компонентов

Выбираем меню конфигурации модели Operation и в строке Select type of Simulation - спецификацию Equilibrium column (Равновесная колонна)



Рисунок 4 - Окно выбора спецификации Equilibrium column

Определяем конфигурацию колонны. В поле строки Operation выбираем Simple Distillation (Простая дистилляция). Конденсатор Total (Liquid product) выбран автоматически.

Рисунок 5 - Окно конфигурации модели Operation

Для создания парового орошения колонны при моделировании для разделения бинарной смеси ЧХУ - толуол выбран кипятильник Partial (Liquid product). Кроме этого задается число тарелок в колонне - 12 и тарелка питания - 6. Первая тарелка (считая сверху вниз) - конденсатор , а последняя кипятильник.

9. Для моделирования равновесия пар-жидкость на тарелках в колонне ректификации выбираемтермодинамические модели.

В ChemSep вначале выбирается метод расчета констант фазового равновесия K - value.

В строке Equation of state (уравнение состояния) выбирается уравнение, связывающее между собой термодинамические параметры системы (температура, объем и др.)

В строке Activity coefficient ( коэффициенты активности) выбирается метод расчета коэффициентов активности.

В строке Vapour pressure выбирается метод расчета давления насыщенных паров.

В строке Enthalpy выбирается метод расчета энтальпий.

Рисунок 6 - Окно выбора термодинамической модели

В строке K-value выбрана K-model- DECHEMA, модель UNIFAC для коэффициента активности, и Antoine для давлений пара.

10. В создаваемой модели определяется насыщенный поток питания. Для этого необходимо выбрать спецификацию доли пара, выбираем давление, чтобы определить температуру потока питания, выбираем модель тарелки питания, вводим расход исходной смеси, устанавливаем состав потока питания и полной расход. Сначала вводятся эквимолярные расходы ЧХУ и толуола. Вводим одинаковые расходы для этих компонентов. Затем вводим в строку полного расхода «1 kg/s».

Рисунок 7- Ввод расходов ЧХУ и толуола на тарелку питания

Chemsep автоматически выполняет преобразование массового расхода в мольный расход.

Рисунок 8 - Конечный результат ввода расходов

11. Разворачиваем дерево для спецификаций (Specifications). Имеется пять вкладок .

Analysis - экран анализа, показывает степени свободы для колонны с равновесными тарелками, на него выводится: число тарелок, тарелка питания, расход кубовой жидкости, расход дистиллята и др.)

Рисунок 9 - Окно Analysis в меню Specifications

Принимаем значение по умолчанию для давления конденсатора в верхней части колонны, и выбираем спецификацию постоянного давления на экране Pressures.

Рисунок 10 - Окно ввода профиля давления по высоте колонны

Для ввода спецификации Pressure - задание профиля по высоте колонны надо:

- задать давление в конденсаторе (Condenser Pressure) - 1,1 атм ;

- задать давление на верхней тарелке (Top Pressure) - 1,1 атм ;

- выбрать постоянное давление по колонне (Constant Pressure) - 1,1 атм;

12. Далее на каждой тарелке определяем тепловую нагрузку на кипятильник, когда нагрузка положительна, или конденсатор когда она отрицательна. Имя по умолчанию для потери тепла по колонне устанавливается как Qcolumn. Принимается значение равное нулю, так как потери тепла незначительны.

Рисунок - 11 Панель для определения тепловой нагрузки

13. Следующей величиной является (Stage Efficiencies), коэффициент полезного действия (КПД) тарелок. Значение применяется по умолчанию равное единице (идеальные тарелки).

Рисунок 12 - Окно выбора КПД тарелок

14. Вводим две дополнительные спецификации , для фиксирования тепловых нагрузок теплообменных аппаратов. Вводится спецификации продукта колонны (Column product specifications). Это определит внутренние потоки, а также полный мат.баланс для всей колонны.

Рисунок 13 - Окно ввода спецификаций для колонны

Первой спецификацией является флегмовое число - Reflux Ratio, которая определяет отношение между верхним продуктом перегонки (дистиллятом) и потоком, который возвращается в колонну для орошения (флегмой).

Для кипятильника выбираем полный расход нижнего продукта - 4,06565 моль/c.

После установленных данных кликаем «стрелочка вправо», чтобы выполнить решение задачи. Сохраняем файл моделирования. Вводим допустимое имя файла и путь его расположения.

В окне Running simulator можно посмотреть результаты решения.

15. Переходим к окну Results , интерфейс автоматически выведет на экран таблицу потоков.



Рисунок 14 - Окно результатов расчета (таблица потоков)

Чтобы посмотреть другие результаты, выбирается их тип из выпадающего списка в строке Select table

Рисунок 15 - Результаты расчета массовых и тепловых балансов

Так же можем посмотреть в табличной форме другие результаты. В таблице T/P/Flow profiles видим , что флегмовое число , которое выбиралось по заданию, так же было фактически получено RR = 1. Все давления являются одинаковыми, и температуры изменяются.это типичный профиль температур для простой колонны дистилляции.

Рисунок 16 - Таблица профилей температуры, давления и материальных потоков по высоте колонны

Рисунок 17 - Таблица профилей мольных долей жидкости

В таблице видно, что ЧХУ сосредотачивается в верхней части колонны. На рисунке 18 выведены рассчитанные K-values значения. Здесь можно видеть, что коэффициенты равновесия для ЧХУ больше единицы - а для толуола ниже единицы. Относительное количество ЧХУ выше в паре, чем в жидкости. Именно поэтому доля ЧХУ увеличивается по мере того как пар поднимается выше по колонне.



Рисунок 18 - Окно вывода значений K-value profile

ChemSep может воспроизвести графики по результатам моделирования колонны. Меню Graph показывает различные графики, которые доступны.

Например на первом графике Liquid phase composition profiles выведены профили мольных долей жидкости , которые показывают как компоненты (ЧХУ и толуол ) распределены по высоте колонны.

Рисунок 19 - Окно Liquid phase composition profiles для компонентов (ЧХУ и толуола)

На рисунке 20 представлены константы равновесия (K-value). константы равновесия в колонне увеличиваются снизу вверх. Поскольку ЧХУ и толуол образуют относительно идеальную смесь, коэффициенты активности близки к единице не сильно изменяются по высоте колонны.

Рисунок 20 - константы равновесия (K-value) для компонентов (ЧХУ и толуола)

В начале моделирования было задано 12 теоритических тарелок в колонне и тарелка питания - 6. На рисунке 21 показана X, Y-диаграмма для бинарной смеси ЧХУ - толуол (диаграмма Маккейба - Тиле)



Рисунок 21 - X, Y-диаграмма для бинарной смеси ЧХУ - толуол

Число теоретических тарелок для бинарной смеси ЧХУ - толуол определено по диаграмме Х-Y - n = 11: в верхней части - 5, в нижней части - 6.

18. В заключении выполняем дополнительное задание и определяем

действительную высоту насадки в ректификационной колонне через высоту эквивалентную теоретической тарелке (ВЭТТ) по уравнению

Н = hэ·n, (1)

где hэ - высота эквивалентная теоретической тарелке (Приложение Б);

n - число теоретических тарелок.

Примем, что в колонну засыпана керамическая насадка кольца Рашига

25Ч25Ч3 мм. Тогда общая высота насадки в колонне

Н = 0,457·11 = 5,03 м.

Высота насадки с запасом 10 % составляет 5,53 м. Принимаем высоту в

укрепляющей части аппарата - одной секции с насадкой равной 2,5 м, в

исчерпывающей - 3,0 м.

По уравнению (2) найдем диаметр колонны



, (2)

где Vп - количество паровой фазы, кг/с;

щ - скорость паровой фазы, м/с (принимаем 1 м/с).

м.

Выбираем колонну с диаметром 0,6 м.

Общую высоту ректификационной колонны определяем по уравнению (3)

Нобщ = N·h + (N-1)·H + zв + zн, (I.3)

где H - расстояние между секциями насадки, м (принимаем 1,0 м); N - количество секций с насадкой; h - высота секции, м; zв, zн - расстояние соответственно между верхним слоем насадки и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней частью насадки , м.

zв принимаем равными 1,2 м;

zн - 1,5 м.

Тогда общая высота ректификационной колонны составит

Нобщ = 1·2,5 + 1·3,0 + (2-1)·1,0 + 1,2 + 1,5 = 9,2 м.

Принимаем высоту опоры для колонны - 2,5 м.



Рис. 22 Ректификационная (насадочная) колонна для разделения бинарной смеси ЧХУ - толуол:

А - ввод паровой фазы из кипятильника; Б - ввод флегмы В - ввод исходной смеси; Г - выход паровой фазы из колонны; Д - выход кубовой жидкости



Выводы:

1. Выполнено моделирование ректификационной колонны для разделения бинарной смеси ЧХУ - толуол.

2. Для получения заданного состава в дистилляте (ЧХУ - 0,915 мол. доли, толуол - 0,085 мол. доли) и кубовом остатке (ЧХУ - 0,085 мол. доли, толуол - 0,915 мол. доли) определено оптимальное число теоретических тарелок в укрепляющей и исчерпывающей части колонны.

3. Выполнено дополнительное задание: определена действительная высота насадки в колонне для разделения смеси ЧХУ - толуол через высоту эквивалентную теоретической тарелке (ВЭТТ), она равна 5,5 м.

4. Показан общий вид насадочной ректификационной колонны (рис. 22).

Размещено на Allbest.ru

...