ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Методы анализа колонн многокомпонентной ректификации из "Процессы и аппараты химической технологии Том 2" Современные тенденции интенсификации производств, создания процессов и их агрегатов большой единичной мощности требуют разработки и внедрения соответствующих по мощности цроцессов разделения. Известная практика проектирования новых процессов разделения с использованием коэффициентов запаса, часто неоправданно завышенных, при этом иногда становится весьма убыточной, поскольку может привести к существенному перерасходу материалов при строительстве и завышенным энергозатратам при эксплуат.ации. Вместе с тем, даже при использовании коэф фициентов запаса е всегда можно гарантировать, что новый процесс будет удовлетворять предъявляемым к нему технологическим требованиям, так как большей частью выбор величин коэффициентов запаса бывает субъективным. [c.29] Для процессов ректификации создание более точных методов проектирования требует применения концепции реальной ступени разделения, т. е. /разработки методов расчета, в основе которых лежит не теоретическая ступень разделения, предполагающая наличие равновесия между шаром и жидкостью на ступенях контакта, а реальная ступень с разделительной соо-собн остью, определяемой с учетом конечной скорости процессов массопередачи, протекающих в условиях конкретного характера движения взаимодействующих потоков пара и жидкости [8, 126, 130—132, 183—1851. [c.30] Использование концепции реальной ступени разделения позволяет существенно повысить точность расчетов, однако требует значительно большего объема информации для построения математической модели процесса, что приводит к необходимости более углубленного изучения таких строго не опйсыв,аемых сторон процесса ректификации, как гидродинамика взаимодействия потоков шара и жидкости в колоннах и кинетика массопередачи в многокомпонентных смесях. [c.30] В химической и нефтехимической промышленности стадии ректификации многокомпонентных смесей часто представляют собой совокупность целого ряда колонн та)реяьчатых или на-садочных, объединяемых промежуточными потоками полупродуктов разделения в единый комплекс. Если колонны комплекса соединены по параллельной или последовательно-параллельной схеме, ТО расчет всех колонн может быть также проведен последовательно в соответствии с построением схемы разделения. Если же среди потоков, объединяющих колонны в комплекс, имеются рециркулируемые, то для тех колонн, которые охватываются рециклами, независимый расчет каждой колонны невозможен, поскольку перед началом расчета составы рециркулируемых потоков неизвестны. В этом случае комплекс колонн должен рассматриваться как единая система ректификации. [c.30] Другими словами, при создании и исследовании систем ректификации многокомпонентных смесей необходимо располагать алгоритмами моделиров,ания как отдельных колонн, так и их комплексов произвольной сложности, что позволяет при наличии достаточно точ ных математических описаний отдельны С колонн выбирать наиболее целесообразные схемы разделения сМ есей, а также определять оптимальные режимы эксплуатации каждой колонны с учетом взаимодействия всех ко-лойн комплекса. [c.30] Для анализа разделительной способности каждого элемента необходимо исследование особенностей гидродинамики взаимодействия потоков пара и жидкости, кинетики массопередачи, а также условий) паро-жидкостиого равновесия, что в совокупности и определяет точность описания эффективности функционирования элемента. [c.31] Таким образом, с точки зрения решения задачи построения математической модели ректификационная установка может рассматриваться как большая система, состоящая из ряда подсистем — элементов установки, свойства каждого из которых определяются подсистемами следующего уровня — гидродинамикой, равновесием и кинетикой массопередачи. Построение математической модели при этом должно начинаться с описания подсистем нижних уровней, моделирование которых также требует разработки соответствующих алгоритмов. Последующее объединение этих описаний в единую систему уравнений с использованием общих соотношений материальных и энергетических балансов позволяет получить математическое описание отдельных элементов и ректификационной установки в целом. [c.31] Наличие математического описания любой степени сложности, определяемой точностью описания основных закономерностей разделения. многокомпонентных смесей, еще не позволяет определить основные характеристики объекта моделирования. Особенно это относится к пр.оцессу ректификации, который отличается сложностью математического описания, представляющего собой систему нелинейных уравнений высокого порядка. Для решения систем уравнений математического описания необходима разработка алгоритма, обладающего достаточным быстродействием и обеспечивающего возможность расчетного исследования продесса в широком диапазоне изменения его режимных параметров. [c.32] Для процесса ректификации получение аналитического решения системы уравнений математического описания практически невозможно, за исключением редких случаев, в которых используются чрезвычайно упрощенные представления моделей [192—196]. [c.32] Как пр.авило, на современном уровне исследований решение систем таких уравнений проводится численными методами с использованием вычислительных машин. Поэтому до появления в широкой практике научных исследований вычислительных машин существовали лишь некоторые общие соображения о возможных методах расчета процесса многокомпонентной ректификации. Тем не менее, и с появлением вычислительных машин задача расчета процесса многокомпонентной ректификации продолжает оставаться одной из самых сложных задач химической технологии, о чем может свидетельствовать, например, количество работ, посвященных вопросам создания алгоритмов расчета колонн ректификации [130, 132, 183—276]. [c.32] Следует отметить, что и р настоящее время даже учитывая значительные успехи в области расчета процессов ректификации на ЭВМ, проводятся работы, связанные с совершенствованием различ/ного рода гр афических и аналитических методов расчета, правда, в основном для бинарных и в некоторых случаях для тройных смесей при использовании тех или иных упрощающих допущений [186—200]. Так, например, проводилось сравнение результатов расчета процесса бинарной ректификации с использованием метода Мак-Кэба и Тилле [190] и метода пота-релочного расчета. Найдено, что между этими методами нет существенной разница. Последнее является очевидным следствием того, что в обеих методиках принимались одинаковые допущения, в частности, расчет основывался на концепции теоретической ступени разделения и проводился при допущении постоянства относительных летучестей компонентов для всех тарелок колонны. [c.32] При использовании метода математического моделирования для анализа процесса ректификации возникают определенные трудности, связанные с построением математического описания, адекватдчого в достаточной степени исследуемому объекту. В любом случае при разработке математического описания требуется включение в него некоторых теоретических или эмпирических соотношений, содержащих некоторые параметры, значения которых или неизвестны на определенных этапах исследования или известны лишь весьма приближенно. Тогда следует, естественно, ожидать существенных погрешностей в результатах моделирования, устранение которых связано с задачей коррекции принятой математической модели. [c.33] Степени свободы математической модели. Одним из важных этапов в решении общей задачи математического моделирования является оценка степеней свободы модели процесса, т. е. определение тех переменных, значения которых должны задаваться численно перед решением системы уравнений математического описания. В общем случае в рассмотрение должны быть включены и параметры, используемые в описании различных внутренних механизмов процесса ректификации, поскольку формально, их можно рассматривать как внешние переменные математического описания. Однако эти параметры не имеют аналогов в моделируемом процессе и при общем анализе степеней свободы следует принимать во внимание лишь те переменные, которые могут быть поставлены в соответствие аналогичным параметрам объекта моделирования [30]. [c.33] В ректификационной установке основными внешними переменными, определяющими режим разделения, являются 1) характеристики исходных сырьевых потоков 2) характеристики, определяющие функционирование дефлегматоров и кипятильников 3) управляющие воздействия, определяющие режимы отбора промежуточных фракций 4) давления в колоннах. Реально существуют также не поддающиеся учету внешние переменные, такие, как теплопотери, неизвестные и неизмеряемые колебания в параметрах теплоносителей и т. д. Здесь следует заметить, что проведенные исследования показали не-зкачительность влияния на результаты моделирования т,аких явлений, как теплопотери от установки разделения в окружающую среду. Кроме того, некоторые конструктивные параметры, например, число тарелок в колоннах, диаметры колонн, а также конструктивные параметры используемых тарелок могут рассматриваться как степени свободы. [c.33] В качестве параметров, определяющих состояние потока сырья, обычно рассматривают его количество Р, состав. Хр а=1,..к) для жидкофазного или Уе Ц 1, , к) для парофазного, энтальпию кр или Нр для жидкофазного или парофазного питания. Иногда вместо энтальпии задают температуру питания tF и его агрегатное состояние. При таком определении характеристик потоков сырья предполагается, что питанием установки являются только однофазные потоки. В противном случае (питание — паро-жидкостная смесь) питание может рассматриваться как совокупность двух однофазных потоков. [c.34] В качестве параметров, определяющих отбор фракций, обычно указывается только одна характеристика—величина отбора с указанием агрегатного состояния отбираемой фракции. [c.34] Относительно задания давления в ректификационной установке обычно полагается, что оно поддерживается на заданных значениях в ряде точек установки специальными мерами. [c.34] Использование моделей в задачах проектирования. Как уже отмечалось, на этапе синтеза любого технологического процесса необходимо располагать эффективным методом анализа принимаемых технологических рещений, на основе которого оказывается возможным сделать заключение о преимуществах того или иного технологического рещения [9]. Кроме того, для процессов ректификации многокомпонентных смесей необходимо решить задачи проектного или технологического расчета установки. [c.34] Это условие является необходимым, но еще не достаточным. Причина этого заключается в следующем. Для задач прямого моделирования, когда определяются значения внутренних переменных модели при заданной совокупности значений внешних переменных, определяющих число степеней свободы, решение системы уравнений математического описания всегда существует. В задачах же проектирования с постановкой, соответствующей первому варианту, по существу решается задача обратного моделирования, когда задан определенный режим работы установки и требуется определить внешние условия, отвечающие этому режиму. Очевидно, что заданный априорно режим не во всех случаях может быть реализуем на математической модели. Поэтому решение задачи проектирования для первого варианта ее постановки обычно возможно лишь в том случае, когда задаются одна или самое большее две концентрации компонентов в продуктах разделения [130]. [c.35] Вернуться к основной статье