Статья опубликована в рамках: LXXI Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (Россия, г. Новосибирск, 26 июня 2017 г.)
Наука: Технические науки
Секция: Химическая техника и технология
Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции
дипломов
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ КОЛОННЫ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ТРЕТ-БУТИЛОВОГО СПИРТА К ИЗМЕНЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА ПИТАНИЯ
TERT-BUTYL ALCOHOL CONCENTRATION COLUMN STABILITY ANALYSIS TO CHANGING THE PARAMETERS OF THE FEED FLOW
Danila Rudakov
PhD, Assistant of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis Department of Moscow Technological University,
Russia, Moscow
Anton Burachuk
Moscow Technological University student,
Russia, Moscow
АННОТАЦИЯ
В статье представлен анализ устойчивости режима работы колонны концентрирования трет-бутилового спирта (ТБС) к изменению параметров потока питания. Моделирование исследуемой колонны в динамическом режиме проведено в программном комплексе Aspen Plus Dynamics®. Показана устойчивость процесса концентрирования ТБС, выявлено, что на форму и качество переходного процесса оказывает значимое влияние характер возмущающего воздействия.
ABSTRACT
The article presents the stability analysis of the tert-butyl alcohol concentration column to changing the parameters of the feed flow. Dynamic simulation of the studied column was carried out in the software package Aspen Plus Dynamics®. Stability of the process is shown, revealed the shape and quality of the transient process is significantly influenced by the nature of the disturbance.
Ключевые слова: производство изопрена, трет-бутиловый спирт; анализ устойчивости процесса ректификации, моделирования динамического режима.
Keywords: isoprene production, tert-butyl alcohol; stability analysis of the distillation process; dynamic simulation.
Основной органический синтез характеризуется непрерывностью и многотоннажностью процессов, реализованных на крупных производственных комплексах с агрегатами большой единичной мощности. К таким процессам относится синтез изопрена – одного из важнейших мономеров химической промышленности
Объем рынка изопрена стремительно растет. В 2015 году он был оценен в 1,93 млрд. долларов и к 2021 году достигнет 2,96 млрд. долларов по оценкам экспертов [4]. Наибольшая часть изопрена-мономера используется для производства синтетического каучука (цис-1,4-полиизопрена) – аналога и заменителя натуральной резины в широком спектре технических изделий, среди которых особенно выделяются автомобильные шины.
Исходя из этого, в качестве объекта исследования была выбрана колонна концентрирования ТБС из фракции тяжелых углеводородов, входящая в подсистему разделения продуктов одностадийного синтеза изопрена из изобутилена и формальдегида. Трет-бутиловый спирт в данный процесс поступает в качестве исходного сырья, т.к. является источником изобутилена, а также образуется в ходе побочных реакций [2]. Исследуемый узел является первым этапом подготовки ТБС к возврату в реактор. Цель работы – анализ устойчивости колонны концентрирования трет-бутилового спирта к изменению параметров потока питания. Расчет проводили в программном комплексе Aspen Plus.
Состав потока питания, поступающий на разделение в исследуемую колонну, представлен в таблице 1.
Таблица 1.
Состав потока питания
|
Компонент |
Массовый поток, кг/ч |
Масс. д. |
Компонент |
Массовый поток, кг/ч |
Масс. д. |
|
Изопрен |
321 |
0,015 |
МДГП |
3720 |
0,173 |
|
ТБС |
6605 |
0,308 |
ДМД |
806 |
0,038 |
|
Сумма Х |
3804 |
0,177 |
Т.О. |
6303 |
0,289 |
Фракции «Сумма Х» и «Т.О.» при расчете были представлены конкретными компонентами – 2-метил-3-бутен-2-ол и предельным углеводородом со скелетом С20 соответственно, что позволяет снизить размерность задачи. Следует отметить, что данная система зеотропна [3].
Для описания парожидкостного равновесия разделяемой системы выбрана модель NRTL-RK с параметрами из базы данных Aspen Plus®, отсутствующие параметры были оценены посредством групповой модели UNIFAC.
При моделировании за основу были приняты рабочие и конструктивные параметры реальной действующей колонны концентрирования ТБС (табл. 2):
Таблица 2.
Параметры моделируемой колонны
|
Расход питания |
21559 кг/ч |
|
Расход фракции верха |
7417 кг/ч |
|
Расход флегмы |
475 кг/ч |
|
Давление верха |
0,12 кгс/см2(изб.) |
|
Температура питания |
105°С |
|
Тип тарелок |
колпачковые |
|
Число тарелок |
50 |
|
Расстояние между тарелками |
400 мм |
|
Подача питания |
11 тарелка |
|
Диаметр колонны |
1,2 м |
|
КПД тарелок |
0,65 |
|
Гидравлическое сопротивление тарелки |
0,007 кгс/см2(изб.) |
Расчётный материальный баланс колонны концентрирования ТБС представлен в таблице 3.
Таблица 3.
Материальный баланс колонны концентрирования ТБС
|
Величина |
Ед. изм. |
Поток |
||
|
Питание |
Дистиллят |
Куб |
||
|
Температура |
°C |
105 |
93,97 |
123,2 |
|
Расход |
кг/ч |
21559 |
7417 |
14042 |
|
Состав |
масс. д. |
|
|
|
|
Изопрен |
|
0,0150 |
0,0350 |
0,0 |
|
ТБС |
|
0,3078 |
0,7112 |
0,0064 |
|
Сумма Х |
|
0,1773 |
0,2325 |
0,1360 |
|
МДГП |
|
0,1733 |
0,0 |
0,3028 |
|
ДМД |
|
0,0376 |
0,0213 |
0,0497 |
|
ТО |
|
0,2891 |
0,0 |
0,5050 |
Реальные объекты зачастую пребывают в динамическом режиме, т.е. в неравновесном состоянии, характеризующемся непостоянством во времени входных, выходных и промежуточных величин объекта. Такой режим работы возникает под действием возмущений, привносимых в систему колебаниями технологических параметров процесса, при переходе с одного режима на другой, осуществляемом оператором, при пуске и остановке технологической установки и т.п.
С целью достижения поставленной цели работы нами было проведено моделирование работы исследуемой колонны в динамическом режиме в программном комплексе Aspen Plus Dynamics®. Рассмотрены два варианта схем регулирования узла выделения ТБС – по температуре верхней тарелки (рис. 2) и непосредственно по составу трет-бутилового спирта в дистилляте (рис. 3). В обоих вариантах регулируемым параметром является концентрация ТБС в продуктовом потоке: 
масс. д. Допустимое отклонение ε = ±0,0050 масс.д. Как для первой, так и для второй схемы исполнительным устройством, на которое поступает управляющее воздействие от регулятора, является кипятильник колонны.
Рисунок 1. Схема регулирования по температуре верхней тарелки
Рисунок 2. Схема регулирования по составу ТБС в потоке дистиллята
Основные измеряемые и регулируемые параметры изображенных на рис. 1 и 2 схем представлены в таблице 4.
Таблица 4.
Измеряемые и регулируемые величины для двух вариантов схем регулирования
|
Обозначение на схеме |
Измеряемая величина |
Регулируемая величина |
|
LC_bot |
Уровень жидкости в кубовой емкости, м |
|
|
LC_rdrum |
Уровень жидкости в флегмовой емкости, м |
|
|
FC |
Поток питания, кг/ч |
|
|
FCR |
Отношение потока флегмы к потоку питания |
Поток флегмы, кг/ч |
|
COL1_CondPC |
Давление верха колонны, кг/см2 |
|
|
TC_st2 ( см. рис. 2) |
Температура верхней тарелки, °С |
Тепловая нагрузка кипятильника, кВт |
|
CCxD (см. рис 3) |
Состав ТБС в дистилляте, масс. д. |
|
Исследованы два самых распространенных типа возмущающего воздействия по потоку питания: ступенчатое и импульсное. Отметим, что исследование изменений параметров процесса при воздействии на него ступенчатых возмущающих воздействий проводят с целью изучения поведения системы при переходе на новый режим работы, а изучение импульсного – при краткосрочном отклонении от регламентных значений.
При исследовании ступенчатого возмущающего воздействия полагали, что поток питания увеличивается с 21559 кг/ч на 20%, принимая новое постоянное значение 25871 кг/ч (рис. 3-4).
|
|
|
|
Рисунок 3. Изменение рабочих параметров колонны при воздействии ступенчатого возмущающего воздействия по потоку питания |
Рисунок 4. Изменение состава дистиллята колонны при воздействии ступенчатого возмущающего воздействия по потоку питания |
Далее исследовали импульсное воздействие (рис. 5-6) – возмущение, оказывающее кратковременное влияние на систему. Полагали, что поток питания принимает значение 17247 кг/ч на 30 мин, возвращаясь затем к исходным 21559 кг/ч. Такая ситуация может наблюдаться, например, при выходе из строя одного из насосов в системе подачи питания.
|
|
|
|
Рисунок 5. Изменение рабочих параметров колонны при воздействии импульсного возмущающего воздействия по потоку питания |
Рисунок 6. Изменение состава дистиллята колонны при воздействии импульсного возмущающего воздействия по потоку питания |
Известно [1], что качество переходного процесса количественно оценивается следующими основными показателями, а именно: динамической ошибкой регулирования (xдин), статической ошибкой регулирования (xст), временем регулирования (tр), перерегулированием (φ) и интегральной квадратичной ошибкой регулирования (I). На основе результатов моделирования колонны в динамическом режиме для каждого типа возмущающих воздействий по методике авторов [1] были рассчитаны показатели качества переходных процессов (табл. 5).
Таблица 5.
Показатели качества переходного процесса
|
Тип воздействия: |
Ступенчатое |
||||
|
Схема регулирования |
xдин, масс.д. |
xст, масс.д. |
tр, ч |
φ, % |
I |
|
По температуре |
0,0169 |
0,0049 |
2,02 |
24,3 |
5,05×10-5 |
|
По составу |
0,0168 |
0 |
1,27 |
0 |
3,18×10-5 |
|
Тип воздействия: |
Импульсное |
||||
|
Схема регулирования |
xдин, масс.д. |
xст, масс.д. |
tр, ч |
φ, % |
I |
|
По температуре |
0,0116 |
0 |
1,35 |
19,9 |
3,38×10-5 |
|
По составу |
0,0157 |
0 |
2,03 |
22,1 |
5,03×10-5 |
Из таблицы 7 видно, что при ступенчатом возмущающем воздействии с задачей вывода колонны концентрирования ТБС на новый технологический режим по потоку питания лучше справляется система регулирования по составу, ведь чем меньше статическая и динамическая ошибки, время регулирования, перерегулирование и интегральная ошибка регулирования, тем выше качество переходного процесса. При импульсном возмущающем воздействии для достижения заданного значения состава ТБС, схеме регулирования по составу требуется больше времени, нежели схеме регулирования по температуре. Также ей присущи большие динамическая ошибка и перерегулирование.
Заключение
Таким образом, выявлено, что обе схемы регулирования устойчивы к изменениям параметров потока питания. Однако с импульсными воздействиями лучше справляется схема регулирования по температуре. Кроме этого, показано, что на форму и качество переходного процесса оказывают значимое влияние не только свойства объекта регулирования (термодинамика процесса ректификации), тип регулятора и его настройки, но и характер возмущающего воздействия, что необходимо учитывать при разработке и оптимизации химико-технологического процесса.
Список литературы:
- Ленский М.С. Конспект лекций по дисциплине «Системы управления химико-технологическими процессами». – М.: МИТХТ, 2014. – Ч. 1. – С. 48-49.
- Огородников С.К., Идлис Г.С. Производство изопрена. – Л.: Химия, 1973. – С. 25-36.
- Огородников С.К., Лестева Т.М., Коган В.Б. Азеотропные смеси. – Л.: Химия, 1971.
- Isoprene Market by Type (Polymer grade, Chemical grade), Application (Polyisoprene, Styrene isoprene styrene, Isobutyl isoprene rubber), End-Use Industry (Tires, Non-tires, Adhesives), and Region - Global Forecast to 2021 // Markets and Markets [Электронный ресурс] – Режим доступа: http//www.marketsandmarkets.com/PressReleases/isoprene.asp (дата обращения: 29.05.2017).
дипломов
Оставить комментарий