ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНЕЙ СЖАТИЯ ПО СТУПЕНЯМ ВАКУУМСОЗДАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ НА БАЗЕ НАСОСОВ ТИПА РУТС

DETERMINATION OF COMPRESSION RATIOS BY STAGES OF A VACUUM-GENERATING SYSTEM BASED ON ROOTS-TYPE PUMPS

Pavel Yakovlev

master's degree, Department of Mechanical Engineering for Chemical Industry, Kazan National Research Technological University,

Russia, Kazan

Eduard Osipov

Scientific adviser, Candidate of Engineering Sciences, associate professor, Kazan National Research Technological University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрено моделирование вакуумсоздающей системы для блока ректификационных колонн по разделению этаноламинов в моделирующей программе Unisim. Также произведен подбор распределения температур и давлений по ступеням, анализ компоновок технологических схем.

ABSTRACT

This article discusses the modeling of a vacuum-generating system for a block of rectification columns for the section of ethanolamines in the Unisim simulation program. Also, the selection of the temperature and pressure distribution over the stages, the analysis of technological layouts.

Ключевые слова: вакуумсоздающая система, насос Рутс, этаноламин.

Keywords: vacuum system, Roots pump, ethanolamine.

Введение

На химических предприятиях этаноламины получают путем оксиэтилирования аммиака с использованием воды в качестве катализатора. Продукт, полученный из реакторного блока, состоит из МЭА(Моноэтаноламина), ДЭА(Диэтаноламина) и ТЭА(Триэтаноламина) далее разделяется в ректификационных колоннах. Вследствие низкой термической стабильности разделяемых компонентов, а также жестких требований к получаемой продукции процесс происходит под вакуумом, при этом остаточное давление достигает 5 мм Hg. [1, с.1] Пароэжекторные насосы используемые в качестве систем создания вакуума, устарели и характеризуются повышенной потребление дорогостоящих энергоресурсов, поэтому данная задача является актуальной.

В [1, с.9] рассмотрены решения задачи реконструкции ВСС, в котором говорится о том, что в производстве замена существующих ПЭНов единой вакуумсоздающей станции на базе ЖКВН является оптимальной.

Подбор температур

Распределение давления по ступеням производится в зависимости от температуры на выходе, расчет которого производился по [2, с.106].

Главное требование - ограничение температуры на выходе из насоса Рутс (не более 120°С). Дальнейшее повышение температуры приведет к заеданию крыльчатки и корпуса. Дифференциальное расширение происходит из-за того, что и корпус, и рабочие колеса поглощают значительное количество тепла сжатия, но рабочее колесо частично изолировано вакуумом и расширяется с большей скоростью, чем кожух.

Температуру газа на выходе можно рассчитать следующим образом:

где -температура на выходе из насоса; -температура на входе в насос;

r=-степень сжатия; k=-показатель адиабаты; F-температурный фактор, E-КПД насоса.

КПД насоса рассчитывается следующим образом:

где -коэффициент сжатия при нулевом расходе;-теоретическая степень сжатия

Теоретическая степень сжатия рассчитывается следующим образом:

где -расход газа на входе;-расход газа на выходе.

Создание технологической схемы

На результаты расчета существенно влияет принятый пакет для расчета парожидкостного равновесия, поэтому одной из основных вопросов на начальной стадии -выбор модели.

В качестве пакета парожидкостного равновесия, был выбран UNIFAC вследствие того:

1. Основным назначением является вычисление коэффициентов активности компонентов растворов и предсказание фазовых равновесий жидкость-жидкость для целей ректификационного разделения веществ.
2. В модели UNIFAC коэффициенты активности жидкой фазы для каждого вида равны и рассчитываются по методу группового взноса UNIFAC.
3. UNIFAC читает параметр группового вклада, хранящийся в базе данных VLE.

Рисунок1. Технологическая схема ВСС без теплообменников

В расчетной схеме ВСС, представленной на рис. 1, модулем Compressor (модуль P-1 и P-2 на рис. 1) моделировались насосы Рутс, давление и температура на выходе из которых определялись по [2, с.109] и закреплялись в спецификации модуля.

Таблица 1.

Параметры потоков

Таблица 2.

Состав потоков

Протекание процесса, описанного выше, с технологической точки зрения нецелесообразно, так так после второй ступени температура потока №6 очень высока, а также мала степень сжатия второй ступени и использование таких параметров при дальнейшем сжатии невозможно. Все это наводит на мысль о том, что после каждого насоса должны быть поставлены теплообменники, которые будут охлаждать потоки до заданной температуры. Кроме того, при помощи этого мы сможем увеличить степень сжатия второй ступени.

Рисунок 2. Технологическая схема с двумя теплообенниками

Для обеспечения некоторого запаса, в дальнейшем ограничиваемся температурой на выходе равной 115 °С.

Рисунок 3. График зависимости давления от температуры на выходе из первого насоса

В целях увеличения второй ступени сжатия, температура на выходе из второго насоса Рутс рассчитывалась при различных значениях температуры потока после первого теплообменника.

Рисунок 4. График зависимости давления от температуры на выходе из второго насоса

Рисунок 5. График сопряжения второй и третьей ступени сжатия-двухступенчатого ЖКВН

Выбор данного значением =37,3 мбар при 880 об/мин можно обосновать с экономической точки зрения, так как при 975 и 1175 об/мин затраты на электроэнегию увеличатся, а диапазон изменения температур на выходе приводит к незначительному изменению давления, поэтому  выбираем осредненное значение =41°С.

Таблица 3.

Параметры потоков

Таблица 4.

Состав потоков

Вывод

В ходе проведения данной работы был произведен анализ технологических схем, обеспечивающих наилучшее протекание процесса, а также побор оптимальных степеней сжатия ступеней ВСС.

Список литературы:

1. Osipov, E.; Telyakov, E.; Ponikarov, S., Coupled Simulation of a Vacuum Creation System and a Rectification Column Block / Processes. 2020, т.8, в.1333, с.1-20.
2. Hoffman, Dorothy M., Bawa Singh, and John H. Thomas. Handbook of Vacuum Science and Technology. San Diego, CA: Academic Press, 1998.
3. Unisim Design. Tutorials and Applications. – Canada, 2017.