Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №9/2020 ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛОННЫ ГАЗОФРАКЦИОНИРОВАНИЯ DYNAMIC MODELING OF GAS FRACTIONATION COLUMNS УДК 66.071 DOI: 10.24411/2658-4964-2020-10152 Юлукова Р.Р., Студент магистратуры, ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г.Уфа yulukovaruzilya@gmail.com Аннотация В статье представлена модель колонны деизопентанизации абсорбционно-газофракционирующей установки и изменение основных параметров: температуры верха и низа, давления верха и низа, расходов из ребойлера и конденсатора и нагрузок на них при аварийном отключении подачи сырья. В настоящее время все крупнейшие мировые компании, работающие в химической, нефтяной и газовой промышленности, широко используют различные программные продукты, позволяющие существенно сократить сроки проектирования и строительства новых технологических мощностей, улучшить качество продуктов, повысить прибыльность эксплуатации установок, а также строго соблюдать требования безопасности производства и защиты окружающей среды. Модель колонны реализована с помощью моделирующей программы Aspen Hysys. Summary The article presents a model of a deisopentanization column of an absorptiongas fractionating unit and a change in the main parameters: top and bottom temperatures, top and bottom pressure, costs from the reboiler and condenser and loads on them during an emergency shutdown of the feed. Currently, all the world's largest companies operating in the chemical, oil, and gas industries make extensive use of various software products that can significantly reduce the design and construction time of new technological facilities, improve product quality, increase the profitability of plant operation, and strictly comply with production safety requirements and environmental protection. The column model is implemented using the Aspen Hysys simulation software. Ключевые слова: моделирование, колонна газофракционирования, газофракционирующая установка, Aspen Hysys, ректификация, колонна, абсорбционно-газофракционирующая установка. 127 Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №9/2020 Keywords: modeling, gas fractionation column, gas fractionation unit, Aspen Hysys, rectification, column, gas absorption fractionation unit. Процесс газофракционирования предназначен для получения из природных, нефтезаводских, газоконденсатных газов индивидуальных низкомолекулярных углеводородов С1-С6 или их фракций высокой чистоты, которые являются компонентами высокооктановых автобензинов и ценным нефтехимическим сырьем [1]. Процесс разделения газов на установках ГФУ проводят в ректификационных колоннах. По типу внутренних контактных устройств различают тарельчатые, насадочные и пленочные колонные аппараты. Области применения контактных устройств определяются рабочим давлением в аппарате, свойствами разделяемых смесей, нагрузками по пару и жидкости [2]. На сегодняшний день с развитием компьютерных технологий и появлением новых универсальных моделирующих программ, возможным становится динамическое моделирование процессов, происходящих в колоннах газофракционирования. Эффективным подходом для моделирования процессов является испольнование универсальных моделирующих программ, позволяющие рассчитать и оптимизировать как стационарные, так и динамические режимы функционирования химикотехнологических процессов. В настоящее время разработано множество программ, к числу которых относятся: UniSim, Aspen Plus, PRO/II [3] , Hysys[4], ChemCAD [5,6], и другие. В работе использован Aspen Hysys, так как данная программа является более гибкой для формирования расчетных схем в программной среде, предоставляет более широкие возможности. В работе была создана модель колонны деизопентанизации (ДИП) абсорбционногазофракционирующей установки (АГФУ) (Рисунок 1). 128 Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №9/2020 Рисунок 1 – Модель колонны ДИП АГФУ Смоделирована ситуация, когда подача сырья прекращается и ее расход приближен к нулю. Были проанализированы параметры и поведение колонны, конденсатора, ребойлера при этой ситуации. Рисунок 2 - График изменения расходов в конденсаторе и ребойлере в зависимости от расхода сырья На данном графике изображены массовые расходы продуктов и массовый расход орошения. Как видно из графика массовые расходы пришли к нулю, так как питание на входе в колонну отсутствует. Однако наблюдаются некоторые скачки во время падения расходов. Расход рефлюкса зависит напрямую от контроллера температуры, так как общее количество вещества, которое циркулировало в колонне снизилось, что привело к снижению массового расхода рефлюкса, а также, чтобы 129 Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №9/2020 охладить верх колонны меньше требуется вещества. Установившееся периодичность орошения показывает то, что вещество в колонне ходит не равномерно, а импульсно. Рисунок 3 – График изменения нагрузок на конденсатор и ребойлер в зависимости от расхода сырья Данный график отображает тепловые нагрузки. На данном графике видно, что нагрузки после отключения питания снизились. Это произошло потому, что общее количество вещества в колонне постепенно начало уменьшаться, а соответственно и меньше начало требоваться тепла для того, чтобы охладить пар для конденсатора или нагреть жидкость для ребойлера. Однако эти изменения идут скачкообразно, так как в колонне неравномерно циркулирует определённое количество вещества, что приводит к усилению нагрузки ребойлера при повышении количества постигаемой жидкости с низу колонны для поддержания температуры низа колонны с помощью пара, а также повышения пара в холодильнике конденсатора, для поддержания температура верха колонны с помощью рефлюкса. Из графика видно, что процесс принял периодическую форму, что говорит о том, что масса, которая неравномерно циркулирует в колонне осталась, однако она уменьшилась по сравнению с тем, что было в начале отключения питания колонны. Исходя из рассмотренных графиков видно, что все характеристики колонны находятся в прочностных и температурных пределах. Это говорит о 130 Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №9/2020 том, что колонна и остальные аппараты, которые включены в её работу останутся целыми и продолжат работать. Однако сам факт работы колонны на полном орошении не является положительным, так как на поддержание этого режима всё ещё расходуется энергия. Из этого можно сделать вывод, чтобы не было пустой траты энергии, требуется отключить ребойлер, конденсатор, закрыть клапаны на выходе из конденсатора и ребойлера, и использовать слив из колонны, чтобы колонна постепенно вышла сначала на режим полного орошения, а затем остыла под действием температуры окружающей среды. Во время этого вся жидкость из колонны будет сливаться в специальный бак (Рисунок 4). Это позволит оставить качество продукта нетронутым, а также данное непроработанное сырье можно утилизировать, как топливо или же повторно отправить, смешивая с новым входящим сырьем. Рисунок 4 – Модель колонны со сливом На графике (Рисунок 5) показано изменение давления после отключения подачи сырья в модели колонны с добавлением слива. Сначала отключилось питание, поэтому давление начало резко снижаться. Однако сработала "условная" сигнализация и закрыла все клапаны, которые вели к продуктам. Таким образом, из-за аварийного закрытия клапанов давление резко изменилось. После чего все эти продукты частично отправились в конденсатор и рейболер, и произошло небольшое, но резкое повышение давления. Потом за счёт окружающей среды колонна остужалась и всё, что было внутри, отправлялось в бак через насос. Когда создаётся вакуум уносящимися потоками и, так как у нас окружающая среда ещё нагревает всё, то у нас температура одна и та же остаётся. Дальше происходит повышение давления 131 Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №9/2020 из-за впуска воздуха и повышения температуры. Далее заново падает и система стабилизируется до внешнего давления. Рисунок 5 – График изменения давления при отключении подачи сырья в модели колонны со сливом Таким образом, при отключении энергии все характеристики колонны находятся в прочностных и температурных пределах. Это говорит о том, что колонна и остальные аппараты, которые включены в её работу останутся целыми и продолжат работать. Однако сам факт работы колонны на полном орошении не является положительным, так как на поддержание этого режима всё ещё расходуется энергия. Для этой угрозы было предложено решение с помощью отключения ребойлера, конденсатора, закрытия клапанов на выходе из конденсатора и из ребойлера, и использования слива из колонны. При моделировании этого решения из графиков видно, что у нас характеристики колонны не превысили условий эксплуатации. Литература 1. Дмитров А.В., Климентова Г.Ю. Повышение эффективности установки АВТ/ Дмитров А.В., Климентова Г.Ю.// Вестник КТУ.-2012.-№11.С.192-194 2. Балыбердина И.Т. Физические методы переработки и использования газа. М :Недра, 1988. – 568 c. 3. Сайт компании «AVEVA» [Электронный ресурс] http://software.schneiderelectric.com/simsci/ (дата обращения: 15.05.2020) 4. Сайт «Аспен Технолоджи» [Электронный ресурс] http://www.aspentech.com/products/aspen-hysys (дата обращения: 132 Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №9/2020 5. 6. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 15.05.2020). Сайт «Компания ChemStation» [Электронный ресурс] http://www.chemstation.com (дата обращения: 15.05.2020) Зиятдинов Н.Н., Лаптева Т.В., Рыжов Д.А. Математическое моделирование химико-технологических систем с использованием программы ChemCad. Учебнометодическое пособие / Н. Н. Зиятдинов, Т. В. Лаптева, Д. А. Рыжов; Федеральное агентство по образованию, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования "Казанский гос. технологический ун-т". Казань, 2008. Literature Dmitrov A.V., Klimentova G.Yu. Improving the efficiency of the AVT installation / Dmitrov A.V., Klimentova G.Yu.// Bulletin of KTU.-2012.-№11.S.192-194 Balyberdina I.T. Physical methods of gas processing and use. M: Nedra, 1988 .-- 568 p. The site of the company "AVEVA" [Electronic resource] http://software.schneider-electric.com/simsci/ (accessed: 05/15/2020) “Aspen Technology” website [Electronic resource] http://www.aspentech.com/products/aspen-hysys (accessed date: 05/15/2020). Website "ChemStation Company" [Electronic resource] http://www.chemstation.com (accessed: 05/15/2020) Ziyatdinov N.N., Lapteva T.V., Ryzhov D.A. Mathematical modeling of chemical-technological systems using the ChemCad program. Textbook / N. N. Ziyatdinov, T. V. Lapteva, D. A. Ryzhov; Federal Agency for Education, State. higher education institution prof. Education "Kazan State. Technological University". Kazan, 2008. 133
