Математическое моделирование ректификационной колонны в среде Chemcad



В работе приведено математическое описание процесса ректификации. На основе математического описания разработана математическая модель ректификационной колонны, используемой при атмосферной перегонке нефти и предлагается алгоритм построения автоматической системы регулирования концентрации паровой фазы изменением флегмового числа.

Ключевые слова: моделирование, атмосферная перегонка, регулирование.

Промышленная установка атмосферной перегонки нефти предназначена для разделения нефти на фракции, путем многократного испарения и при нормальном (атмосферном) давлении. Первичная переработка нефти начинается с ее поступления на установку ЭЛОУ-АВТ. Это далеко не единственная и не последняя установка, необходимая для получения качественного продукта, но от работы именно этой секции зависит эффективность остальных звеньев в технологической цепочке. Установки для первичной переработки нефти являются основой существования всех нефтеперерабатывающих компаний в мире. Именно в условиях первичной перегонки нефти выделяются все компоненты моторного топлива, смазочные масла, сырье для вторичного процесса переработки и нефтехимии. От работы данного агрегата зависит и количеств, и качество топливных компонентов, смазочных масел, технико-экономические показатели, знание которых необходимо для последующих процессов очистки.

Стандартная установка ЭЛОУ-АВТ состоит из следующих блоков:

– электрообессоливающая установка (ЭЛОУ);

– атмосферного;

– вакуумного;

– стабилизационного;

– ректификационного (вторичная перегонка);

– защелачивающего.

Каждый из блоков отвечает за выделение определенной фракции.

Одним из основных узлов атмосферной перегонки нефти является процесс ректификации. Так в ректификационной колонне одновременно протекают термодинамические, химические и гидродинамические процессы и каждый из которых требует математического описания как по отдельности, так и в целом. Построенная таким образом модель будет в полной мере описывать процесс ректификации, однако во всех исследованиях по ректификационным колоннам математическая модель строилась с небольшими допущениями.

В данной работе при построении математической модели в среде Chemcad мы использовали метод Мак-Кэба и Тиле (1925г.), в котором приняты следующие допущения:

– нет тепловых потерь в окружающую среду;

– исходная смесь подается при температуре кипения;

– мольные теплоты испарения одинаковы по всей длине колонны;

– состав верхнего и нижнего продукта одинаков.

Математическое описание процесса ректификации

При рассмотрении процесса ректификации использовались следующие обозначения [1]:

F, D, W — расходы исходной смеси, дистиллята и кубовой жидкости, кмоль/час;

x_F, x_D, x_W — концентрация легколетучего компонента в исходной смеси, в дистилляте и в кубовом остатке, мольные доли;

G — расход пара, поступающего в дефлегматор, кмоль/час;

Ф — расход флегмы, кмоль/час;

n — номер верхних тарелок;

m — номер нижних тарелок;

y — концентрация легколетучих компонентов в паре;

x — концентрация легколетучих компонентов в жидкости.

Общий материальный баланс для верхней части колонны между соседними тарелками равен

G = Ф + D(1)

Тогда материальный баланс для легколетучего компонента равен

Gy_n = Фx_n+1 + Dx_D (2)

Преобразовав уравнения (1) и (2) и учитывая, что R=Ф/D — флегмовое число, получим уравнение верхней части колонны:

y_n = R/(R+1)*x_n+1 + x_D/(R+1)(3)

Минимальное значение флегмового числа определяется из уравнения (3) как предельное, при котором укрепление до заданной концентрации прекращается.

Минимальное число тарелок соответствует бесконечному числу R, тогда уравнение (3) примет вид:

y_n = x_n+1 (4)

Это означает, что состав пара поднимающегося на тарелку выше равен составу жидкости стекающей с этой тарелки.

Аналогичным образом выводится уравнение для отгонной части ректификационной колонны:

y_m = x_m+1 (5)

Программа Chemcad для построения математической модели процесса атмосферной перегонки нефти.

Ректификация в ChemCad'e представлена набором модулей [2]: 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.

На рисунке 1 изображена технологическая схема процесса атмосферной перегонки нефти.

Рис. 1. Компьютерная модель процесса атмосферной перегонки нефти

Необходимо при заданных параметрах разделяемой смеси, спецификациях теплообменников, клапана и колонны произвести моделирующий расчет.

Исходные данные: H2O, С3, iC4, nC4, iC5 и nC5

В программе имеется несколько моделей для расчета ректификационных колонн различной конфигурации: Абсорбер (колонна без дефлегматора и кипятильника), Абсорбер с ребойлером, Абсорбер с конденсатором, ректификационная колонна (колонна с ребойлером и конденсатором). Кроме этого, имеются готовые шаблоны типовых колонн, в частности колонны с тремя боковыми стриппингами. Мы будем использовать модель Абсорбер с конденсатором, чтобы показать задание дополнительного оборудования.

Просмотр полученных результатов можно производить на конечной стадии работы так и на промежуточных стадиях.

Для получения отчета о ректификационной колонне достаточно подвести курсор мышки к объекту, рисунок 2.

Рис.2. Отчет по ректификационной колонне

Разработка алгоритма построения системы управления ректификационной колонной на основе регулирования концентрации паровой фазы изменением флегмового числа.

Для исследования работы компьютерной модели управления ректификационной колонной предложена типовая схема автоматизации, представленная на рисунке 3.

Рис. 3. Типовая схема автоматизации процесса ректификации

Основные задачи, решаемые системой автоматизации: автоматизация процесса загрузки и выгрузки сырья в куб; автоматизация выгрузки готового продукта; стабилизация основных технологических параметров — давления в системе, стабилизация парового потока по высоте колонне; получение продукта заданного качества.

Для автоматического регулирования процесса данная типовая схема автоматизации имеет возможность оперирования группами управляемых объектов по самостоятельным независимым друг от друга контурам для каждой группы.

Из множества контуров регулирования ректификационной колонны нами выбран метод регулирования концентрации паровой фазы изменением флегмового числа от минимального до максимального, так как на практике такое осуществить невозможно.

Итак, предлагаем следующий алгоритм построения системы управления ректификационной колонной на основе регулирования концентрации паровой фазы изменением флегмового числа.

1. На основе экспериментальных данных построить математическую модель.
2. Смоделировать технологический процесс.
3. Получить входные и выходные данные.
4. Выбрать контур регулирования
5. Построить кривую отклика на возмущение (изменение концентрации по высоте).
6. Получить математическую модель в виде передаточной функции.
7. Рассчитать настроечные коэффициенты регуляторов.

Выводы

Предложенный алгоритм построения системы управления ректификационной колонной на основе регулирования концентрации паровой фазы изменением флегмового числа позволит:

– проводить эффективное управление качеством на стадии его формирования;

– определить характер реакции процесса на возможные управляющие воздействия.

– создать базу с компьютерными моделями технологических процессов для исследования в нефтеперерабатывающей промышленности.

Литература:

1. Комиссаров Ю. А., Гордеев Л. С., Вент Д. П. Процессы и аппараты химической технологии. — 2-е изд., перераб. –М:Юрайт, 2018. -327с.
2. Пособие «Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов с применением моделирующей программы CHEMCAD» 12 // mysagni. URL: http://mysagni.ru/fea/ait/1921-posobie-matematicheskoe-modelirovanie-i-optimizaciya-himiko-tehnologicheskih-processov-s-primeneniem-modeliruyuschey-programmy-chemcad-12.html (дата обращения: 22.11.2019).