д.т.н., профессор Тлебаев М.Б.

магистр Маматаева Д.У.

магистр Байжарикова М.А.

магистр Назаров Д.

магистр Сламкулова М.

Таразский государственный университет им. М.Х.Дулати

Математическое и компьютерное моделирование узла ректификации криогенной установки

В данной статье рассматривается математическое и компьютерное моделирование криогенной установки. Разработана математическая модель, состоящая и описание обобщенной системы с рециклами, потоками питания и отбора по пару и жидкости по высоте колонн. На основе компьютерных исследований по математической модели предложен способ разделения воздуха в криогенной установке.

Криогенная установка представляет собой сложную систему, в которой протекают различные по физической природе процессы.

Условная схема системы разделения воздуха представлена на рисунке 1.Условно в ней выделяют узел очистки и охлаждения и узел ректификации.

Рисунок 1- Узел очистки и охлаждения

1- нижняя колонна; 2 - верхняя колонна; 3 и 4 - основной конденсатор (2 шт); 5 - турбодетандер (2 шт); 6 - переохладитель кубовой жидкости; 7 - переохладитель чистой азотной флегмы; 8 - подогреватель кислорода; 9 - испаритель-конденсатор; 10 - адсорбер АЖ-800 (2 шт); 11 - адсорбер АЖ-1600 (2 шт); 12 - адсорбер АГ-2000 (2 шт); 13 - сборник азота; 14 - испаритель жидкого кислорода; 15 - скруббер АВО; 16 - регенератор (6 шт)

Обобщенная схема расчета взаимосвязанных колонн и аппаратов

Работа узла ректификации в основном определяет качественные показатели. В ее состав входят ректификационные колонны, конденсаторы-испарители, переохладители кубовой жидкости, грязной и чистой азотной флегмы, подогреватели обратных потоков, а также другие аппараты.

Математическое описание обобщенной системы с рециклами, потоками питания и отбора по пару и жидкости по высоте колонн включает:

- уравнение общего материального баланса всей установки

-зависимость расхода воздуха от концентраций C₁, С2, Сз уравнение общего покомпонентного баланса всей установки

- узел ректификации, представленного в виде обобщенной схемы из взаимосвязанных колонн и аппаратов

В основу алгоритма положен метод независимого определения концентраций. При матричной записи системы уравнений материального баланса по каждому из компонентов разделяемой смеси решением будет распределение концентраций по каждой тарелке для всех компонентов.

При расчете комплексов колонн появляются ненулевые недиагональные элементы, соответствующие связующим потокам. В случае, когда матрица коэффициентов системы уравнений балансов содержит большое число нулевых элементов, а ненулевые составляют малую часть, целесообразно решать систему уравнений специальным методом.

Компактность хранения разреженных матриц и их размещение в памяти машины, а также быстрота решения системы линейных уравнений являются важнейшими достоинствами методов расчета, основанных на трехдиагональной структуре матрицы коэффициентов.

Кинетика состоит из расчета фазового равновесия системы азот-кислород аргон. При расчете рециклических и межцикловых потоков по пару и жидкости, по покомпонентному материальному балансу верхней и нижней колонн используются приближенные значения концентрации на тарелках отбора продуктов, в кубе нижней колонн и в конденсаторах-испарителях, вследствие чего правильный выбор этих данных существенно ускоряет сходимость решения системы. В процессе расчета разделения в ректификационных колоннах и, особенно, парожидкостного равновесия необходимо определять потоки отходящих пара и жидкости и температуры на тарелках при разных давлениях.

В конденсационно-испарительном процессе определяющая роль при разделении отводится конденсатору и испарителю, так как их работа в полной мере отражает работу всей установки в целом.

Уровень жидкости в аппаратах является индикатором запаса холода и регулируется посредством воздействия на основной источник холода- турбодетандер. Изменение доли детандерного потока необходимо для компенсации увеличивающихся теплопритоков в течение компании и потерь тепла с переключением клапанов регенераторов с жидкими продуктами.

В настоящей работе предложен поиск оптимального режима с применением математического компьютерного моделирования.

Математическая модель построена с учетом современных знаний гидро динамики, кинетики, парожидкостного равновесия, рассматривающая расчет равновесия фаз смеси азот-аргон-кислород.

Определение оптимальных значений расходов флегм и их распределения по колоннам создает избыток флегмового потока.

Изменение расхода отбросного азота в сторону уменьшения прекращается в случае получения отрицательной разности по одной из концентраций чистого азота или отбросного азота. Это объясняется тем, что получение отрицательной разности концентрации азота в отбросном азоте прямо влияет на концентрацию кислорода в продуктивном технологическом кислороде. Таким образом, увеличение выхода чистого азота возможно только лишь при получении положительной разности концентрации азота в обоих потоках, чтобы сохранить при этом выход продукционного кислорода заданной концентрации.

Использование данного способа не только позволяет сократить потери кислорода и азота с отбросным азотом, но и сократить энергозатраты на процесс ректификации

Снижение удельных энергозатрат получаемых продуктов достигается способом разделения воздуха низкотемпературной ректификации в установках, содержащих верхнюю и нижнюю колонны с отбором продукционного азота, отличающийся тем, что продукционный азот отбирают как из верхней, так и из нижней колонны, при этом величину соотношения между чистой азотной флегмой, орошающей верхнюю колонну, и флегмой, орошающей нижнюю колонну, определяют в интервале от 0,7 до 0,8 в зависимости от значений расхода, давления и температуры потока питания в установку.

Отличие предложенного способа от известных заключается в отборе продукционного азота - как из верхней ректификационной колонны, так и из нижней ректификационной колонны и в определении величины соотношения между чистой азотной флегмой и флегмой нижней колонны в интервале от 0,7 до 0,8 в зависимости от нагрузок на установку.

Такая совокупность поставленной цели признаков не известна в литературе.

Математическое и компьютерное исследование процесса разделения воздуха в криогенной установке показали, что концентрация чистого азота высокого давления зависит от значения расхода флегмы, подающейся на орошение нижней колонны и расхода грязной азотной флегмы, отбираемой с нижней колонны и с подачей на орошение верхней колонны. Концентрация же чистого азота низкого давления зависит от давления чистой азотной флегмы, расхода и концентрации грязной азотной флегмы. Концентрация азота в обеих продукционных потоках также зависит от расхода, давления и температуры потока питания (воздуха), подаваемого на разделение в ректификационные колонны.

На основе исследований предложен способ разделения воздуха. Ниже приводится описание предлагаемого способа.

Сжатый воздух, очищенный от влаги и двуокиси углерода в регенераторах и там же охлажденный встречными потоками отбросного азота высокого давления, подогреваемая в подогревателе, через задвижку по трубопроводу, по клапанам, змеевикам и задвижкам, установленным на холодных и горячих концах регенератора, отводится потребителю. Сконденсировавшийся азот подается в сборник азота, где разделяется на чистую азотную флегму нижней колонны, значения расходов которых определяется через величину соотношения.

Чистая азотная флегма через подогреватель-переохладитель и дросельный вентиль подается на орошение верхней колонны. В верхнюю колонну также подаются кубовая жидкость, грязная азотная флегма, проходящие предварительно подогреватель-переохладитель и дросельные вентили.

Продукционный чистый азот отбирается из верхней колонны, отдает холод в подогревателе и регенераторах, компримируется и подается потребителю.

Отбросной азот и технологический кислород, получаемые в верхней колонне, подогреваются в подогревателях и регенераторах, где очищают воздух от примесей, влаги и двуокиси углерода. Технологический кислород подается потребителю, а отбросной азот выбрасывается в атмосферу.

Эффективность способа заключается в том, что сокращаются энергозатраты на компримирование продукционного азота низкого давления для подачи потребителю и на процесс ректификации в укрепляющей части нижней колонны.

Литература:

1. Ветохин В.Н., Кусмухамбетов Е.М.,Тлебаев М.Б. Алгоритм расчета обобщенной схемы, состоящей из взаимосвязанных колонн и аппаратов. Теор. основы хим. технологии, 2004, т.23 №4

2. Тлебаев М.Б. Способ разделения воздуха низкотемпературной ректификацией. Предпатент № 9554 KZ,16.10.2000. бюл. №10.