Моделирование технологического режима колонны

Лабораторная работа №3. «Моделирование технологического режима работы ректификационных колонн»

Цели работы:

• приобретение навыков моделирования и оптимизация технологического режима работы ректификационной колонны(рассмотрение типового примера и/или выполнение п.2 курсовой работы – если задание курсовой работы соответствует тематике настоящей лабораторной работы);
• приобретение навыков работы с  программа ChemSep, универсального моделирующего программного комплекса  CoCo(CAPE-OPEN to CAPE-OPEN)

 

 

Создайте в вашей личной папке папку «Лаб 3», в которую Вы будете сохранять выполненные задания(файл).

 

Исходные данные: (Типовой пример)

Тема «Моделирование и оптимизация технологического режима колонны деизопентанизации сырья установки низкотемпературной изомеризации легкого бензина».

Исходные данные:

1. Расход сырья: 22,476 кг/с.
2. Таблица – Модельный состав сырья на входе в колонну:

Компонент	%мас	кг/с
изо-бутан	0,045	0,010
н-бутан	0,019	0,004
и-пентан	22,737	5,110
н-пентан	22,522	5,062
Циклопентан	0,269	0,060
2,2 диметилбутан	2,401	0,540
2,3 диметилбутан	1,582	0,356
2 метилпентан	9,833	2,210
3 метилпентан	7,869	1,769
н-гексан	13,576	3,051
метилциклопентан	9,850	2,214
Циклогексан	3,415	0,768
Бензол	3,414	0,767
н-гептан	2,469	0,555
Итого	100,00	22,476

 

 

3. Мольная доля изопентана в дистилляте 0,95 и выше.
4. Изменяемые факторы:

• число тарелок (стадий) в колонне;
• тарелка ввода сырья;
• давление в емкости орошения;
• доля отгона сырья на входе в колонну;
• флегмовое число.

5. Анализируемые результаты моделирования:

• содержание изопентана в дистилляте, масс.доля;
• выход дистиллята, кг/с;
• тепловые нагрузки конденсатора и рибойлера колонны (МВт).

6. Критерии оптимизации: максимизация выхода дистиллята при условии, что массовая доля изопентана в дистилляте должна быть равна или больше 0,95.

 

Порядок выполнения работы:

Примечание: для разработки модели поставленной в примере задания задачи использована программа ChemSep, универсального моделирующего программного комплекса  CoCo(CAPE-OPEN to CAPE-OPEN). Программа на английском языке.

 

Ниже приведен алгоритм выполнения работы: (типовой пример)

 

1 Выбор единиц измерения (Units)

В качестве единиц измерения используйте основные и производные единицы системы (SI).Допускается использование в качестве единицы измерения температуры °С.

 

Сохраните созданный вами файл.

Этот пример сохранен под именем «Пример_ДИП_Моделирование.sep»_

 

2 Титульный лист (Тitle)

Заполните Тitle (можно заполнить только фамилию и № группы)

 

3 Ввод компонентов (Components)

 

Выберите компоненты, входящие в состав сырья, согласно вашего задания.

 

 

4 Выбор конфигурацию модели (Operation)

Тип модели – «Equilibrium Column»

Конфигурация:

• Operation – SimpleDistillation (если будете моделировать азеотропную ректификацию, то выберите AzeotropicDistillation)
• Condencer – Total(Subcooled product) – Конденсатор с переохлаждением дистиллята ниже температуры конденсации до заданной температуры. (Доступны другие модели работы конденсатора!)
• Reboiler–Partial (Liquidproduct) - Рибойлер с паровым пространством и отводом жидкого продукта (Доступны другие модели рибойлера!).
• Numberofstages – число тарелок(стадий или единиц переноса)  в колонне. Примите согласно литературным или практическим данным общее количество тарелок в колонне. В данном примере принято 40 тарелок. Обратите внимание, что 1 тарелка – конденсатор, а последняя – рибойлер.
• Feedstage(s) – тарелка (тарелки) ввода сырья. В данном примере принято 25. Если нет практических данных, можно принимать среднюю тарелку (на этапе отладки и анализа модели тарелка ввода сырья может быть изменена).

 

5 Свойства (Properties)

На этом этапе необходимо выбрать термодинамические модели для проведения расчета (см. рис. ниже)

 

 

 

 

6 Задание параметров и состава  сырьевого потока (Feeds)

Введите исходные данные в поля показаны ниже:

1. Выберите единицы, в которых будете вводить состав сырьевого потока – мольные (Molar flows) или массовые (Mass flows). В приведенном примере выбраны массовые.
2. При необходимости переименуйте сырьевой поток – по умолчанию (Feed1)/
3. Выберите в каком фазовом состоянии вводится сырье в колонну (Two-phase feed) – выбрано разделение, т.е. в паро-жидкостном состоянии (split).
4. Выберите параметры, по которым будет рассчитываться состояние сырьевого потока (State). Возможные варианты – «температура и давление» и «давление и доля отгона». В данном рассматриваемом примере выбрано «давление и доля отгона».
5. Задайте давление сырьевого потока. Рекомендуется задавать давление на 0,1 МПа больше, чем принятое давление в емкости орошения.  Примечание: единицы измерения вводимых параметров можно изменить см. п. 2.1 «Выбор единиц измерения (Units)».
6. Введите долю отгона (Vapour fraction). В данном примере минимальная массовая доля отгона должна быть 0,22801 – это сумма массовых долей компонентов от изобутана, до изопентана, т.е. тех компонентов которые должны перейти в дистиллят. Примем долю отгона больше минимальной на 5% и округлим до сотых. Получится 0,24. Примечание: рекомендуется принимать долю отгона не более чем на 10% большую, чем минимальная. Однако следует иметь в виду, если разделяются близкокипящие компоненты и принята доля отгона с большим избытком, то при моделировании может получиться отрицательная тепловая нагрузка рибойлера.
7. Далее введите расход компонентов сырья (в данном примере в кг/с).

Примечание: при вводе цифр в формате ##.## в качестве десятичного разделителя должна вводиться точка, а не запятая. Сохраняйте периодически файл, иначе могут появляться сообщения об ошибках при вводе данных.

В результате должно получиться следующее (см. рис. ниже)

 

7 Задание спецификаций

1. Задание спецификаций по давлению

Необходимо задать:

• Давление в конденсаторе. В данном примере принято 0,3 МПа (Тогда давление сырьевого потока 00,3+0,1=0,4 МПа. Введите это давление в исходные данные Feeds см. п. 2,6)..
• Выбрать способ задания перепада давления по колонне. Принято фиксированный перепад давления по стадиям(на тарелку).
• Задать давление на верхней тарелке с учетом принятого гидравлического сопротивления конденсатора-холодильника. Рекомендуется принимать 0,05МПа. Тогда давление вверху колонны будет  равно 0,35 МПа.
• Задать перепад давления на тарелку. Этот перепад зависит от типа тарелок и режима их работы. В данном примере принято 500 Па на стадию (тарелку) или 0,0005 МПа.

 

2. Задание тепловых потерь по колонне и/или подвода/отвода тепла к заданной тарелке (стадии). В приведенном примере потери тепла по колонне приняты равные 0 МВт. Примечание: единицы измерения вводимых параметров можно изменить см. п. 2.1 «Выбор единиц измерения (Units)».

 

 

3. Задание эффективности работы тарелок.

Эта спецификация является первичным приближением для моделирования. Эффективность может быть задана 1. В процессе расчета программа будет определять эффективность каждой тарелки.

 

4. Задание спецификаций по колонне

Здесь необходимо ввести следующие спецификации:

1. Спецификация по верху колонны. Возможны различные варианты задания спецификаций, однако в примере задания приводится требование – мольная доля изопентана в дистилляте должна быть не менее 0,95. Поэтому выберем спецификацию «Mole fraction  of a component». Выбираем компонент, содержание которого в дистилляте регламентируется и задаем его содержание в дистилляте.

 

 

2. Задаем температуру переохлаждения дистиллята в конденсаторе-холодильнике ( задается только в том случае, если в пункте 2.4 (Operation), выбран Condencer – Total(Subcooled product)).

Выбираем способ задания переохлаждения (Subcooling) – Температура рефлюкса «Temperature of reflux» 40°C. Примечание: единицы измерения вводимых параметров можно изменить см. п. 2.1 «Выбор единиц измерения (Units)».

 

 

3. Спецификация по кубу колонны.

Возможны различные варианты задания спецификаций по кубу колонны.

Однако  для определения опорной(звездной) точки для выбора граничных значений изменения независимых переменных, необходимых для проведения планирования эксперимента, с последующим анализом полученной модели и её оптимизации по заданным критериям, рекомендуется в качестве спецификации задать содержание целевого продукта (изопентана) в кубовом продукте. Очевидно, что оно должно быть как можно меньше, чтобы минимизировать потери целевого компонента. Поэтому зададим спецификацию  «Mole fraction  of a component» и мольную долю изопентана в кубовом продукте 0,03.

 

 

Примечание: мольная доля задается ориентировочно, и после проведения расчета может быть изменена – увеличена, если программа не может найти решение (не выполняются спецификации), или слишком большое паровое число, или уменьшена. Однако следует иметь в виду, что если программа не может найти решение в связи с тем, что не выполняется спецификация по содержанию изопентана в кубовом продукте, то можно не изменяя спецификаций попробовать увеличить число тарелок и/или изменить тарелку ввода сырья в п. 2.4 (Operation).

 

8 Запуск и отладка модели

Модель готова к работе.  Нажмите кнопку . В результате на экране отобразится часть отчета см. рис. ниже.

 

После успешного окончания расчета в левой части окна все красные крестики должны отсутствовать, а на из месте должны располагаться зеленые «галочки».

Если программа не может найти решения:

• выводятся сообщения об ошибках – устраните указанные ошибки;
• выводятся замечания и в левой части окна перед п. «Result» находится красный крестик – попробуйте изменять значения спецификаций и/или увеличьте количество тарелок в колонне и/или измените тарелку ввода сырья.

Необходимо добиться успешного завершения расчета, при этом, чтобы полученные результаты не противоречили заданию. Если не удается выполнить требования задания, то обратитесь к преподавателю.

 

9 Предварительный анализ полученных результатов

Создайте файл «Анализ модели.xls» (MS Excel). Переименуйте текущий лист в «Результаты моделирования» и создайте в нем следующую таблицу:

 

Независимые переменные						Результаты расчета. Зависимые переменные
№	Число тарелок Namber of stages	Тарелка ввода сырья	Доля отгона сырья масс. доля	Давление в емкости орошения МПа	Флегмовое число	Содержание изопентана в дистилляте, масс доля	Выход дистиллята кг/с	Тепловая нагрузка Energy (W), МВт
								Qcondenser	Qreboiler
	x1	x2	x3	x4	x5	y1	y2	y3	y4