Оптимальное проектирование ректификационных установок в Aspen Plus
Объектом исследования является ректификационная колонна разделения фракции С3.
Цель работы: создание математической модели ректификационной колонны разделения фракции С3. Подбор оптимального количества тарелок, флегмового числа. Расчет гидравлики контактных устройств. В результате исследования был проведен литературый обзор современных контактных устройств, существующих схем ректификации, методов расчета паро-жидкостного равновесия и симуляторов химико-технологических процессов и систем. Было расчитано оптимальное количество тарелок, флегмовое число, а также выбор оптимальной тарелки питания. Расчитана гидравлика различных контактных устройств.
Введение 18
1 Технико-экономическое обоснование 20
1.2 Современные контактные устройства ректификационных колонн 20
1.2 Эффективные технологические схемы ректификации 24
1.2.1 Основные пути – оптимизация режимов, технологических схем и
конструкций аппаратов. 24
1.2.2 Ректификации с применением теплового насоса 24
1.2.3 Диабатическая ректификация 26
1.2.4 Ректификационная колонна с тепловой интеграцией 28
1.2.5 Усовершенствованная ректификационная колонна с тепловой
интеграцией 29
1.2.5 Термически связанные ректификационные колонны 31
1.2.6 Прочие виды разделения 32
2 Аналитический обзор 35
2.1 Методы расчета паро-жидкостного равновесия 35
2.1.1 Расчет фазового равновесия по избыточной энтальпии 35
2.1.2 Расчет фазового равновесия по уравнению состояния 41
2.2 Симуляторы химико-технологических процессов и систем 45
2.2.1 Коммерческие решения 46
2.2.2 Некоммерческие решения 50
2.3 Выбор программного обеспечения 53
2.4 Объект и методы, постановка задач исследования 55
3 Экспериментальная часть 56
3.1 Разработка моделей колонного оборудования в среде Aspen Plus 56
3.1.1 Выбор термодинамического пакета 56
3.1.2 Построение фазовой диаграммы бинарной смеси пропан-пропилен 57
3.1.3 Построение технологической схемы основного оборудования 61
3.2 Оптимизация числа тарелок и флегмового числа 62
3.2.1 Определение минимального количества тарелок, флегмового числа 62
3.2.2 Подбор оптимального числа тарелок, флегмового числа, выбор
тарелки питания 63
3.2.3 Исследование гидравлики тарельчатых колонных аппаратов 65
4 Анализ результатов 74
5. Финансовый менеждмент рессурсоэффективность и ресурсосбережение 75
5.1 Предпроектный анализ. Анализ рынка. Основные потребители и
конкуренты. 75
5.2 SWOT-анализ. 75
5.3 Экономический расчет 78
5.3.1 Расчет производственной мощности 78
5.3.2 Расчет себестоимости готовой продукции по действующему
производству 80
5.3.3 Расчет капитальных затрат 87
5.3.4 Расчет технологических затрат 89
5.3.5 Калькуляция себестоимости получения 1 т товарного пропилена 91
6 Социальная ответственность 95
6.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 96
6.1.1. Специальные правовые нормы трудового законодательства. 96
6.1.2. Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 97
6.2 Производственная безопасность 99
6.2.1 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть на
рабочем месте при проведении исследований. 100
6.2.2 Анализ вредных и опасных факторов, которые может создать объект
исследования. 102
6.3 Экологическая безопасность 104
6.3.1 Анализ возможного влияния производства на окружающую среду 104
6.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 105
Заключение 108
Список использованных источников 109
Приложение А Efficient distillation process flow design 120
Приложение Б Результаты расчетов исследования 133
Приложение В Гидравлика исследуемых контактных устройств 135
На сегодняшний день ректификация является наиболее широко
используемым методом разделения химических смесей. В настоящее время в
мире работает более 40 000 ректификационных колонн [1], на которые
приходится 40% энергии, потребляемой в химической промышленности.
Энергия, использованная в данном секторе, оценивается в 1458 ПДж.
Ректификация, как правило, наиболее экономичный метод разделения
жидких смесей, который имеет широкий спектр применения и является
технологически устоявшимся процессом. Ключевыми недостатками
ректификации являются высокая потребность в энергии и низкая
термодинамическая эффективность. Промышленные ректификационные
колонны работают с термодинамической эффективностью в диапазоне 5-20%
[4].
Улучшения в ректификации начались с момента ее промышленной
реализации. В частности, нефтяной и энергетический кризис в 70-х годах
способствовал значительному интересу к повышению энергоэффективности.
Было подсчитано, что снижение потребления энергии на 10% при
ректификации позволит сохранить эквивалент 100 000 баррелей нефти в день
[2]. Для сравнения: США импортировали вдвое больше сырой нефти в месяц
(примерно 200 000 баррелей сырой нефти в месяц) в течение того же года [5].
Акцент на эффективном использовании энергии обусловлен не только
экономикой. Общепризнано, что увеличение выбросов CO2, связанных с
потреблением энергии, связано с глобальным изменением климата. Прогнозы
предполагают повышение средней глобальной температуры до 6 ˚С к 2050
году, если сохранятся текущие тенденции выбросов. Поскольку на все
промышленные процессы приходится 5% глобальных выбросов CO2 в 2009
году, существует сильная потребность в улучшении современных технологий
в каждом секторе химической промышленности [6].
Было предложено несколько вариантов экономии энергии, которые
можно разделить на улучшения в области разделения и повышение
энергоэффективности [2]. Самым ярким примером оптимизации процесса
ректификации является снижение потребления энергии до 90% в колонне
разделения смеси пропан/пропилен, путем моделирования ректификационной
колонны [7]. Перспективным объектом оптимизации энергозатрат являются
близкокипящие смеси, обычно встречающиеся в нефтехимической
промышленности. К этой категории относится и смесь пропилен / пропан.
Разделение близкокипящих смесей, как правило, требует значительных затрат
энергии и больших ректификационных колонн с большими внутренними
скоростями потока. На разделение легких углеводородов расходуется
примерно 202.5 ПДж энергии [2]. Следовательно, улучшения ректификации
легких углеводородов имеют потенциал для значительной экономии энергии.
1 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
1.2 Современные контактные устройства ректификационных
колонн
В книге “Distillation Design” написанной Henry Z. Kister[8] рассмотрены
наиболее распространенные конструкции тарелок и насадок. Также приведен
сравнительный анализ различных контактных устройств в ректификационных
колоннах.
ЗАО «ПЕТРОХИМ ИНЖИНИРИНГ» совместно с Российским
государственным университетом нефти и газа им. И.М. Губкина разработали
[9] прямоточную клапанно-ситчатую тарелку для массообменных аппаратов,
в которой установлены клапаны с односторонним открытием в виде пластин с
отверстиями, под которыми размещены козырьки. Козырьки, имеющие
переменную высоту, в сторону открытия пластин, а направлены в
противоположную открытию пластин сторону. При использовании такой
тарелки обеспечивается интенсивная турбулизация контактирующих фаз и
увеличивается поверхность контакта фаз.
Для увеличения КПД тарелок путем исключения застойных зон на
боковых сегментах полотна контактного устройства в ОАО
«НИПИгазпереработка» С.И. Бойко с соавторами разработана конструкция
ситчато-клапанной тарелки [10], в которой на горизонтальном
перфорированном полотне этой тарелки установлены клапаны с различной
длиной ножек. Ситчато-клапанная тарелка массообменного аппарата [10]
содержит распределительную и переливную планки, приемный и сливной
карманы. Причем часть клапанов, расположенных на концах
распределительной планки, выполнены развернутыми относительно
остальных клапанов в центральную часть полотна тарелки. Также между
клапанами установлены направляющие пластины. По мнению разработчиков,
данная конструкция тарелки обеспечивает увеличение скорости течения
жидкой фазы и создает ее равномерное распределение по всей поверхности
тарелки, что увеличивает эффективность работы тарелки.
Проблемой работы массообменных тарелок при больших нагрузках по
паровой фазе является унос жидкости с нижерасположенной на
вышерасположенную тарелку. В патенте [11] предлагается конструкция
клапанной тарелки для массообменных колонн, на полотне которой
устанавливается дефлектор, представляющий собой пару проходящих в
продольном направлении пластин под углом друг к другу. чтобы жидкая фаза
легко стекала по тарелке к переливному устройству.
Профессор А.Б. Голованчиков с сотрудникаами Волгоградского
государственного технического университета рекомендуют клапанную
тарелку [12], в которой опорный элемент выполнен в виде винтовой пружины
с закрепленным грузом, состоящим из стержня с гайкой и шайбами.
Такая конструкция клапана позволяет вести процесс массопереноса
между пузырьками газа (пара) и неньютоновской жидкостью в режиме
резонансных автоколебаний. Резонансные колебания винтовой пружины идут
с высокой амплитудой, что приводит к разрушению структуры высоко вязкой
структурированной неньютоновской жидкости, а эффективная вязкость
снижается. Поэтому скорость массообмена на границе поверхности газовых
пузырьков с жидкостью значительно возрастает.
Целью изобретения [13], предложенного И.В. Сахаровым, является
дальнейшее совершенствование конструкции чешуйчато-клапанной тарелки
путем изменения расположения чешуек и клапанов на тарелке без применения
дополнительных опорных элементов.
Клапан выполнен с отгибами, и между крышкой клапана и основанием
тарелки остается сечение для прохода пара (газа), выходящих из-под клапана
струи пара (газа), снижают образование слоя отложений на тарелке. На
основании тарелки установлены устройства из жалюзийного полотна,
предотвращающие унос жидкости паром (газом) на вышележащую тарелку,
что повышает эффективность массообмена за счет создания дополнительной
поверхности контакта.
В работе [14] представлена интересная конструкция чешуйчато-
клапанной тарелки (рис. 1), включающая карман 1 для жидкости, сливную
перегородку 2, основание 3 с отверстиями 4, в которых жестко прикреплены с
помощью горизонтальной пластины 6 плоские клапаны 5 к основанию 3, а над
каждой прорезью 7 установлена чешуйка 8. Причем плоские клапаны 5,
чешуйки 8 и опоры 9 выполнены из упругого материала с возможностью
колебаний под действием потока газа (пара), выходящих из отверстий 4 и
прорезей 7, что позволяет дробить этот поток на большое число мел- ких
пузырьков, способствуя увеличению производительности.
В разработанной авторами конструкции массообменной тарелки [15] за
счет перенесения гидрозатвора с рабочей площади полотна в межтарельчатое
пространство увеличивается производительность колонны на 14 %. В статье
[16] приведена конструктивная разработка колонного аппарата с
массообменными тарелками данного типа.
Проведение исследований по гидродинамике ситчатой тарелки с
переливным устройством подвесного типа показало [17], что такое
техническое решение обеспечивает повышенную пропускную способность по
жидкости и хорошее газоотделение.
В работе [18] разработана конструкция прямоточной массообменной
тарелки для процессов разделения газовых (паровых) и жидких сред,
состоящая из горизонтального полотна 1 с барботажными элементами 2 (рис.
2), переливного устройства 3, выполненного в виде статического гидрозатвора
4 подвесного типа обтекаемой формы.
В результате выполнения исследования были выполнены все
поставленные цели:
разработана математическая модель ректификационной колонны
разделения фракции С3;
определено минимальное флегмовое число и минимальное
количество тарелок;
проведена оптимизация числа тарелок и флегмового числа;
выбрана тарелка питания;
расчитатана гидравлика исследуемых контактных устройств.
В результате данного исследования была подобрана оптимальная
конфигурация ректификационной колонны: число тарелок – 204, флегмовое
число – 14.6, тарелка питания – 124.
Исследования гидравлики показали, что оптимальным котнактным
устройством для разделения фракции С3 является ситчатая тарелка. Так она
обеспечивает нужное качество дистиллята и куба при меньшей высоте
колонны в сравнении с колпачковой и меньшим диаметром колонны в
сравнении с клапанной тарелкой.
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (13 отзывов)
4.2 (13 отзывов)
4.7 (46 отзывов)
0 (13 отзывов)
4.6 (92 отзыва)
4.8 (1033 отзыва)
4.9 (826 отзывов)
4.2 (5 отзывов)
4.9 (66 отзывов)
