Моделирование стадии ректификации в производстве фреона-22 для снижения энергозатрат

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 66. 048. 3:004
Н. В. Шибитова, Н. С. Шибитов, В. Н. Максименков, Е. А. Кузнецов
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАДИИ РЕКТИФИКАЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ФРЕОНА-22 ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ
Волгоградский государственный технический университет
В работе предложен способ усовершенствования стадии ректификации фреона-22 за счет оптимизации технологических параметров. Для достижения поставленной задачи проведено моделирование процесса с использованием программы PRO-II. Сделаны расчеты для нескольких вариантов работы ректификационной установки и выбраны оптимальные технологические параметры для промышленной колонны.
Ключевые слова: ректификация, фреон-22, моделирование, оптимальный режим.
N. V. Shibitova, N. S. Shibitov, V. N. Maksimenkov, Е. А. Kuznezov
MODELING OF THE STAGE OF RECTIFICATION IN MANUFACTURE OF FREON-22 TO REDUCE ENERGY CONSUMPTION
Volgograd State Technical University
In work the way of improvement of a stage of rectification freon-22 is offered due to optimization of technological parameters. For achievement of a task in view modeling process with use of program PRO-II is carried out. Calculations for several variants of work rectification installation are made and optimum technological parameters for an industrial column are chosen.
Keywords: rectification, freon-22, modeling, optimum mode.
В настоящее время существует большое количество компьютерных программ (HYSIS, ASPENTECH, CHEMCAD, PRO-II SIMSCI и др.), применяемых для моделирования технологических производств. Программы позволяют проводить расчеты для различных технологических процессов: ректификации, абсорбции, экстракции, системы электролитов, теплообмена, а также оптимизировать рассчитываемые параметры (например, количество тарелок в массообмен-ных колоннах, расход теплоносителей в теплообменниках и др.). С помощью таких программ решаются сложные проектные задачи. В частности, могут быть просчитаны различные варианты решения одной и той же задачи с последующим выбором наилучшего из них.
Целью работы является моделирование стадии ректификации выделения товарного фреона-22 из многокомпонентной смеси с ис-
пользованием программы PRO-II для снижения энергетических затрат и потерь продукта на существующем оборудовании.
Многостадийный метод производства фре-она-22 основан на взаимодействии хлороформа с фтористым водородом в присутствии катализатора — пятихлористой сурьмы под давлением (0,55−0,85) МПа и температуре (60−90) °С. Основные стадии производства фреона-22 представлены на рис. 1. На первой стадии проводится подготовка сырья, на второй — синтез фреона-22. После стадии синтеза полученная смесь, состоящая из фреона-22, фреона-21, фреона-23, хлороформа и инертов, направляется на третью стадию — стадию ректификации. Выделение фреона-23 и фреона-22 осуществляется в двух ректификационных колоннах непрерывного действия. Назначение первой колонны — отдувка инертов с фреоном-23, на вто-
рои колонне — выделение целевого продукта, фреона-22 (рис. 1).
выделение фреона-22
S*--N, г * Г *
I стадия II стадия III стадия

выделение фреона-21
Рис. 1. Структурная схема производства фреона-22
Общий подход расчета в программе PRO-II приведен в работах [1−4]. Чтобы получить точ-
ные результаты расчетов, необходимо выбрать метод расчета.
Выбор модели, адекватно описывающей фазовое равновесие системы, является важным и необходимым шагом при решении технологической задачи. Для расчета фазового равновесия системы в программе PRO-II может использоваться несколько моделей паро-жидкостного равновесия — UNIFAC, UNIQUAC и NRTL [5]. Нами проведено сравнение рассчитанных данных по фазовому равновесию для этих моделей, представленных в табл. 1.
Таблица 1
Расчетные данные по фазовому равновесию для смеси фреон-23 — фреон-22 при давлении
в первой колонне 1,35 МПа
Давление, МПа t, оС UNIFAC UNIQUAC NRTL
X, мол. Д Y, мол. Д. X, мол. Д. Y, мол. Д. X, мол. Д. Y, мол. Д.
1,35 34,00 0 0 0 0 0 0
30,00 0,035 0,140 0,031 0,125 0,035 0,120
25,00 0,087 0,270 0,075 0,250 0,084 0,250
20,00 0,140 0,400 0,125 0,380 0,128 0,390
15,00 0,186 0,510 0,180 0,500 0,185 0,510
10,00 0,260 0,610 0,260 0,610 0,260 0,600
5,00 0,320 0,700 0,340 0,700 0,340 0,710
0 0,410 0,780 0,440 0,780 0,440 0,780
-5,00 0,510 0,850 0,540 0,850 0,540 0,860
-10,00 0,640 0,910 0,650 0,910 0,650 0,910
-15,00 0,770 0,960 0,780 0,960 0,790 0,960
-20,00 0,950 0,990 0,930 0,990 0,950 0,990
-21,80 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000
Из табл. 1 видно, что при постоянном давлении и одинаковой температуре, составы по жидкой (X) и паровой (У) фазам очень близки и каждая из моделей может быть применена для расчета фазового равновесия.
Была выбрана модель и№БАС для создания псевдоэкспериментальных данных парожидко-стного равновесия. Метод и№БАС рассчитывает величины коэффициентов активности на основе концепции группового вклада. Предполагается, что взаимодействия между двумя молекулами являются функцией взаимодействий между группами. Данные межгруппового взаимодействия получаются путем обработки экспериментальных данных для пар компонентов. Число функциональных групп ограничено. Метод и№БАС основан на модели ЦКЩИАС, которая представляет избыточную энергию Гиб-
бса и логарифм коэффициента активности как комбинацию двух эффектов [5].
Все алгоритмы ректификации в программе PRO-II представляют собой строгие модели равновесных ступеней контакта. В каждой модели решаются тепловой и материальные балансы и уравнения равновесия жидкость-пар. Программа PRO-II предлагает четыре различных алгоритма моделирования ректификационных колонн — алгоритм Inside Out, алгоритм Sure, алгоритм Chemdist и алгоритм ELDIST. Алгоритм Chemdist может быть использован для решения большинства задач и обладает высоким быстродействием.
В данной работе расчет колонн ректификации проводился по этому алгоритму. Алгоритм Chemdist представляет собой алгоритм, разработанный для моделирования в высокой степе-
ни неидеальных химических систем. Этот алгоритм представляет собой полный метод Нью-тона-Рафсона с полным набором аналитических производных.
Он включает в себя производные по составу для коэффициентов фугитивности и активности, позволяет также рассчитать равновесие жидкость-пар на любой ступени контакта колонны. Расчеты показали, что при разделении смеси фреон-22 — фреон-21 коэффициенты активности равны 1, т. е. смесь близка к идеальной.
Схема предлагаемой ректификационной установки представлена на рис. 2. Расчет выполнен для нескольких вариантов работы установки и критерием выбора наиболее экономичной схемы является минимальные энергозатраты. В табл. 2 приведены исходные данные для расчета ректификационной установки непрерывного действия.
Рис. 2. Предлагаемая схема для получения фреона-22: 1 — колонна отдувки инертов с фреоном-23- 2 — колонна выделения товарного фреона-22- 3, 6 — дефлегматор- 4, 7 — кипятильник- 5 — дополнительный конденсатор
Исходные данные для расчета стадии ректификации по выделению фреона-22
Таблица 2
Наименование параметра Размерность Величина
Исходные данные:
1. Производительность по исходной смеси на первую колонну кг/ч 600,00
2. Усредненный состав исходной смеси, подаваемой % мас.
на первую колонну (опытные данные):
— фреон-22 80,36
— фреон-21 16,66
— фреон-23 0,70
— хлороформ 1,38
— инерты 0,90
3. Состав получаемого продукта (в соответствии % мас.
с ГОСТ 8502–93):
— фреон-22 99,90
— прочие примеси 0,1
4. Температура исходной смеси °С Расчетное значение
5. Давление — в первой колонне — во второй колонне МПа 0,90−1,35 0,50−0,85
Существует определенный набор рабочих параметров, при котором энергозатраты на разделение минимальны. Для колонн ректификации такими параметрами являются, например, взаиморасположение тарелки подачи в колонну исходной смеси, температура исходной смеси и флегмовое число [6].
Практика эксплуатации действующей ректификационной установки показывает, что та-
кие рабочие параметры как температура исходной смеси, давление в аппарате, тепловые нагрузки в дефлегматорах и кипятильниках, заметно влияют на энергозатраты, а также на выход фреона-22 в конденсаторе.
В табл. 3 приведены результаты расчетов выделения фреона-22 по предлагаемой схеме при начальной температуре исходной смеси 18, 24, 30 оС и различных давлениях в колоннах.
Таблица 3
Расчетные данные по ректификационной установке
Наименование параметра Первая колонна Вторая колонна
1. Давление в аппарате, МПа 0,90 1,10 1,35 0,80 0,80 0,80
Расчетные данные:
2. Температура исходной смеси, 0С 18,00 24,00 30,00 21,60 21,85 22,14
3. Тепловая нагрузка на дефлегматор, М-Ккал/ч (хладагент рассол 1-н = -15 оС, 1-к = -12 оС) 0,0150 0,0145 0,0138 0,030 0,0301 0,0303
4. Тепловая нагрузка на конденсатор, М-Ккал/ч (хладагент рассол 1-н = -0 оС, 1-к = -27 оС) 1,238 10−3 1,573−10−3 1,794 10−3
5. Тепловая нагрузка на кипятильник, М-Ккал/ч (теплоноситель пар 1 = 119,6 оС) 0,0171 0,0161 0,0152 0,0302 0,0292 0,0280
6. Флегмовое число 5,00 5,00 5,00 0,48 0,485 0,49
7. Производительность по фреону-22, кг/ч 440,37 440,37 440,37
8. Количество сдувок, кг/ч 26,09 19,82 15,72
9. Состав сдувок, % мас. — фреон-22 — фреон-23 — инерты 66,54 12,93 20,53 58,66 14,50 26,84 51,30 15,19 33,51
10. Количество конденсата, кг/ч 23,91 30,18 34,28
11. Состав конденсата, % мас. — фреон-22 — фреон-23 — инерты 96,40 3,42 0,18 95,38 4,36 0,26 94,37 5,25 0,38
На основании анализа расчетных данных табл. 3, полученных при проведении процесса ректификации фреона-22, выбран следующий оптимальный режим. Температура исходной смеси на входе в первую колонну 30 оС. Давление в аппарате 1,35 МПа, при этом тепловая нагрузка на кипятильник составляет 0,0152 M-Ккал/ч и производительность по фреону-22 440,37 кг/ч.
Таким образом, расчеты, проведенные с использованием программы PRO-II, позволили выбрать оптимальный режим работы ректификационной установки, который обеспечивает минимальные энергозатраты и высокий выход фреона-22. Следует отметить, что при давлении в первой колонне 1,35 МПа количество конденсата (смесь фреон-23-фреон-22) из сдувок увеличивается на 30%, а количество сдувок уменьшается.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Renon, H. and Prausnitz, J. M., 1968, Local Composition in Thermodynamic Excess Functions for Liquid Mixtures, AIChE J., 14, 135 144.
2. PRO-II 5.0. Users Guide. SIMSCI SIMULATION SCIENCES INC. 1997.
3. Электронный ресурс: http: //www. simsci. com.
4. Шибитова, Н. В. Моделирование и расчет процесса ректификации с использованием программы PRO-II / Н. В. Шибитова, Н. С. Шибитов // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 1 / ВолгГТУ. — Волгоград, 2011. — (Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии» — вып. 4). — C. 118−120.
5. Кафаров, В. В. Математическое моделирование основных процессов химических производств / В. В. Кафа-ров. — М.: «Высшая школа», 1991. — 399 с.
6. Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А. Г. Касаткин. — М.: Альянс, 2008. — 750 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой