Table Of ContentМИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МИРЭА ‐ Российский технологический университет»
(РТУ МИРЭА)
Анохина Е. А., Рудаков Д. Г., Тимошенко А. В.
Моделирование ректификации легких
углеводородов в ASPEN HYSYS
Методические указания по выполнению
лабораторных работ
Москва 2021
УДК 66.021.2.3.048
ББК 35.50
А 69
Анохина Е.А. Моделирование ректификации легких углеводородов в ASPEN HYSYS
[Электронный ресурс]: Методические указания по выполнению лабораторных работ /
Анохина Е.А., Рудаков Д.Г., Тимошенко А.В. –М.: МИРЭА – Российский технологический
университет, 2021. –1 электрон. опт. диск (CD-ROM).
Разработаны в помощь студентам, выполняющим лабораторные работы по
дисциплине «Химическая технология органических веществ». В состав методических
указаний входят: краткое описание широкой фракции легких углеводородов и методов еѐ
разделения, исходные данные для проведения расчетов, требования к содержанию отчетов
по лабораторным работам, подробное описание методики расчета схем ректификации легких
углеводородов в программном комплексе ASPEN HYSYS.
Предназначено для студентов, обучающихся в рамках образовательной программы
магистратуры по направлению 18.04.01 «Химическая технология».
Методические указания издаются в авторской редакции.
Авторский коллектив: Анохина Елена Анатольевна, Рудаков Данила Григорьевич,
Тимошенко Андрей Всеволодович
Рецензент:
Вязьмин Андрей Валентинович, д.ф.-м.н., заведующий кафедрой «Процессы и аппараты
химических технологий», ИТХТ имени М.В. Ломоносова
Системные требования:
Наличие операционной системы Windows, поддерживаемой производителем.
Наличие свободного места в оперативной памяти не менее 128 Мб.
Наличие свободного места в памяти постоянного хранения (на жестком диске) не менее 30 Мб.
Наличие интерфейса ввода информации.
Дополнительные программные средства: программа для чтения pdf-файлов (Adobe Reader).
Подписано к использованию по решению Редакционно-издательского совета
МИРЭА — Российский технологический университет.
Обьем: 9.17 мб
Тираж: 10
© Анохина Е.А., Рудаков Д.Г., Тимошенко
А.В., 2021
© МИРЭА – Российский технологический
университет, 2021
Оглавление
Введение ....................................................................................................................... 4
1. Постановка задачи ................................................................................................. 10
2. Исходные данные для моделирования схем ....................................................... 12
3. Содержание отчетов по лабораторным работам ................................................ 12
4. Моделирование и оптимизация схемы №1 ректификации ШФЛУ ................. 14
5. Моделирование и оптимизация схемы №2 ректификации ШФЛУ ................. 41
6. Моделирование и оптимизация схемы №3 ректификации ШФЛУ ................. 58
7. Моделирование и оптимизация схемы №4 ректификации ШФЛУ ................. 73
8. Моделирование и оптимизация схемы №5 ректификации ШФЛУ ................. 76
9. Моделирование и оптимизация схемы №6 ректификации ШФЛУ ................. 79
10. Моделирование и оптимизация схемы №7 ректификации ШФЛУ ............... 82
11. Моделирование и оптимизация схемы №8 ректификации ШФЛУ ............... 85
12. Моделирование и оптимизация схемы №9 ректификации ШФЛУ ............... 88
13. Моделирование и оптимизация схемы №10 ректификации ШФЛУ ............. 91
14. Моделирование и оптимизация схемы №11 ректификации ШФЛУ ............. 94
15. Моделирование и оптимизация схемы №12 ректификации ШФЛУ ............. 97
16. Моделирование и оптимизация схемы №13 ректификации ШФЛУ ........... 101
17. Моделирование и оптимизация схемы №14 ректификации ШФЛУ ........... 104
Список литературы ................................................................................................. 108
3
Введение
Широкая фракция легких углеводородов (ШФЛУ) образуется в процессах
подготовки природного газа к транспортировке и стабилизации газового кон-
денсата и нефти. В последнем случае от жидких компонентов нефти сначала
отделяется попутный нефтяной газ (ПНГ), из которого затем на нефтеперераба-
тывающих заводах (НПЗ) получают сухой отбензинненый газ (СОГ) и ШФЛУ.
СОГ состоит преимущественно из метана и этана, а ШФЛУ – из алканов С –С .
2 6
Требования к составу ШФЛУ определяются ТУ 38.101524-93 [1], извлечение из
которых представлено в табл. 1.
Таблица 1 – Требования к составу ШФЛУ по ТУ 38.101524-93 [1]
Наименование показателя Норма для марки
А Б
Массовая доля компонентов, %:
– сумма углеводородов С –С , не более 3,0 5,0
1 2
– пропан, не менее 15,0 –
– сумма углеводородов С –С , не менее 45,0 40,0
4 5
– сумма углеводородов С , не более 15,0 30,0
6+выше
Массовая доля метанола, % не нормируется
Массовая доля сероводорода и
меркаптановой серы, %, не более 0,025 0,05
в том числе сероводорода, не более 0,003 0,003
Содержание свободной воды и щелочи отсутствие
Внешний вид Бесцветная прозрачная жидкость
Компоненты, входящие в состав ШФЛУ, находят широкое применение в
промышленности основного органического и нефтехимического синтеза. Эта-
новая фракция используется в качестве сырья для пиролиза при производстве
этилена, а также в качестве хладагента. Пропановая фракция применяется как
компонент сжиженного топлива для коммунально-бытового потребления и
топлива для автотранспорта; в качестве модификатора процесса полимеризации
в производстве полиэтилена высокого давления; растворителя в процессе деас-
фальтизации масел; хладагента; в качестве пиролизного сырья и др. целей. Все
большее значение в последнее время приобретают процессы получения пропи-
лена каталитическим дегидрированием пропана. В частности, компанией ОАО
«Сибур-Холдинг» на площадке Тобольского нефтехимического комбината в
октябре 2013 г. введен в эксплуатацию комплекс «Тобольск-Полимер», кото-
рый имеет в своем составе установку дегидрирования пропана в пропилен
4
мощностью 510 000 т/год [1]. Фракция изобутановая применяется в качестве
сырья для процесса дегидрирования в производстве синтетического каучука,
получения метилтретбутилового эфира и для других синтезов. Фракция нор-
мального бутана используется в качестве сырья для получения 1,3-бутадиена
дегидрированием в производстве синтетического каучука, а также для пиролиза
и других целей. Фракция изопентановая применяется в качестве сырья для де-
гидрирования в изопрен в производстве синтетического каучука и как высоко-
октановый компонент автомобильного и авиационного бензинов. Фракцию
нормального пентана используют в качестве сырья для изомеризации с после-
дующим дегидрированием в изопентены и изопрен в производстве синтетиче-
ского каучука, для получения пентенов, амиловых спиртов и их эфиров, а также
в качестве растворителя. Фракция гексановая применяется в качестве компо-
нента в производстве автомобильных бензинов или в качестве сырья нефтепе-
рерабатывающих заводов.
Разделение ШФЛУ на фракции индивидуальных углеводородов осуществ-
ляют на газофракционирующих установках (ГФУ) или центральных газофрак-
ционирующих установках (ЦГФУ), в основном, методом ректификации. В
табл.2 в качестве примера представлен один из возможных составов ШФЛУ [2].
Таблица 2– Состав ШФЛУ [2]
Компонент Концентрация, % масс.
Метан+этан 1,99
Пропан 33,09
Изобутан 13,32
Н-бутан 26,28
Изопентан 7,68
Н-пентан 8,19
Гексан и высшие 9,45
Таким образом, возникает задача разделения ШФЛУ на семь фракций (ме-
тан и этан отделяются в виде одной фракции – сухого газа). Число возможных
вариантов схем ректификации можно определить по формуле С.В. Львова [3]:
[ ]
2(n -1) !
N = ,
n!(n −1)!
где N – число вариантов схем, n – число выделяемых компонентов или фракций.
Легко подсчитать, что при разделении смеси на семь фракций число воз-
5
можных вариантов схем ректификации составляет 132. Общие подходы к син-
тезу схем ректификации рассмотрены авторами [2, 3, 5–7]. Ряд схем разделения
ШФЛУ, существующих на российских предприятиях, представлен в работах [1,
2, 4]. В качестве примера на рис. 1 изображена одна из них – схема ЦГФУ То-
больского нефтехимического комбината [2].
Рисунок 1.
В таблице 3 приведены некоторые конструктивные и рабочие параметры
колонн данной схемы.
Таблица 3 – Технические характеристики и параметры работы колонн [2]
Колонны
параметр
К-1 К-2 К-3 К-4 К-5 К-6
число теоретических тарелок 28,85 28,96 66,6 20,72 6 1 , 1 11,33
диаметр, м 4,5 4,5 5,5 2,8 4,5 3,6
давление верха, МПа 1,9 0,71 0,925 0,23 0,18 2,8
флегмовое число 2,42 1,78 13,57 1,19 11,19 4,7
Тверха, ºС 52 61 60 61 46 56
Тниза, ºС 125 120 81 107 68 70
Поскольку при нормальных условиях алканы С –С являются газами, а
1 4
пентаны – жидкостью с низкой температурой кипения, то их ректификацию
проводят при повышенном давлении. Давление в колоннах подбирают таким
6
образом, чтобы температура потока, отбираемого сверху колонны, была выше
45 °С (табл. 3). В этом случае в конденсаторе колонны можно будет использо-
вать оборотную воду. Как правило, для снижения расхода воды используют по-
следовательно расположенные воздушный и водяной конденсаторы, что позво-
ляет при высокой производительности установки существенно снизить расход
воды на охлаждение. Наибольшую сложность представляет собой разделение
смесей изобутнан–н-бутан и изопентан–н-пентан вследствие невысокой относи-
тельной летучести изомеров. Именно этим обусловлено достаточно большое
число теоретических тарелок и высокие значения флегмовых чисел в колоннах
К-3 и К-5 (табл. 3), где осуществляется разделение указанных пар компонентов.
Требования к составу продуктовых фракций, получаемых на ГФУ или
ЦГФУ из широкой фракции легких углеводородов, представлены в табл. 4–11.
Таблица 4 – Фракция этановая по ТУ 0272-022-00151638-99 [1]
Наименование показателя Норма для марки
А Б
Массовая доля компонентов, %:
– метан, не более 2,0 20,0
– этан, не менее 95,0 60,0
– пропан, не более 3,0 не нормируется
– сумма углеводородов С , не более отс. 2,0
4+выше
Массовая доля СО , %, не более 0,02 не нормируется
2
Массовая доля сернистых соединений
в пересчете на серу, %, не более 0,002 0,002
Массовая доля сероводорода, %, не более 0,002 0,002
Таблица 5 – Фракция пропановая по ТУ 0272-023-00151638-99 [1]
Наименование показателя Норма для марки
А Б
Массовая доля компонентов, %:
– сумма углеводородов С –С , не более 2,0 4,0
1 2
– сумма углеводородов С , не менее 96,0 90,0
3
в том числе пропилена, не более 0,2 10,0
– сумма углеводородов С , не более 3,0 10,0
4+выше
– сумма углеводородов С , не более отс. 1,0
5+выше
Массовая доля сероводорода, %, не более 0,003 0,003
Содержание свободной воды и щелочи отсутствие
7
Таблица 6 – Фракция изобутановая по ТУ 0272-025-00151638-99 [1]
Наименование показателя Норма для марки
высшая А Б В
Массовая доля компонентов, %:
– сумма углеводородов С –С не нормируется
1 2
– пропан, не более 1,3 1,5 4,5 8,0
– изобутан, не менее 98,0 97,0 90,0 70,0
– сумма бутиленов, не более 0,5 0,5 0,5 не норм.
– нормальный бутан, не более 0,7 2,0 6,0 не норм.
– сумма углеводородов С , не более отс. отс. 0,5 1,0
5+выше
Массовая доля сероводорода и
меркаптановой серы, %, не более 0,005 0,005 0,005 0,01
Содержание свободной воды и щелочи отсутствие
Примечание: Для промышленности СК используются марки высшая и А.
Таблица 7 – Фракция нормального бутана по ТУ 0272-026-00151638-99 [1]
Наименование показателя Норма для марки
высшая А Б В
Массовая доля компонентов, %:
– пропан, не более 0,3 0,5 1,0 1,0
– изобутан, не более 0,9 1,5 4,0 не норм.
– сумма бутиленов, не более 0,5 1,0 1,0 2,0
– нормальный бутан, не менее 98,6 97,5 94,0 88,0
– сумма углеводородов С , не более 0,4 0,6 2,5 5,0
5+выше
Массовая доля сероводорода и
меркаптановой серы, %, не более 0,005 0,005 0,01 0,01
Содержание свободной воды и щелочи отсутствие
Примечание: Для промышленности СК используются марки высшая и А.
Таблица 8 – Фракция изопентановая по ТУ 0272-028-00151638-99 [1]
Наименование показателя Норма для марки
А Б
Массовая доля компонентов, %:
– сумма углеводородов С –С , не более 1,5 6,0
2 4
– изопентан, не менее 97,5 80,0
– нормальный пентан, не более 2,5 18,0
– сумма углеводородов С , не более 0,3 1,0
6+выше
– сумма непредельных углеводородов, не более 0,5 1,0
Массовая доля общей серы, %, не более 0,003 0,01
Содержание щелочи отсутствие
Содержание свободной воды и механических примесей отсутствие
8
Таблица 9 – Фракция нормального пентана по ТУ 0272-029-00151638-99 [1]
Наименование показателя Норма для марки
А Б
Массовая доля компонентов, %:
– сумма углеводородов С , не более 0,2 0,1
4
– нормальный пентан, не менее 96,5 93,5
– изопентан не норм. не норм.
– сумма углеводородов С , не более 1,5 2,0
6+выше
– сумма непредельных углеводородов, не более 0,3 0,5
Массовая доля сернистых соединений, %, не более 0,01 0,01
Содержание щелочи отсутствие
Содержание свободной воды и механических примесей отсутствие
Таблица 10 – Фракция гексановая по ТУ 2411-032-05766801-95 [1]
Наименование показателя Норма для марки
А Б В
Прозрачная
жидкость от
Бесцветная прозрачная
Внешний вид светло-соло-
жидкость
менного до
желтого цвета
Фракционный состав, °С:
– температура начала кипения, не ниже 32 32 55
– температура конца кипения, не выше 165 180,0 200
Массовая доля серы, %, не более 0,1 0,1 –
Содержание фактических смол,
5 5 20
мг/100 см2, не более
Испытание на медную пластинку выдерживает – –
Таблица 11 – Газ сухой [1]
Наименование показателя Норма для марки
А Б
Массовая доля компонентов, %:
– сумма метана и водорода, не более 10,0 35,0
– сумма углеводородов С –С , не менее 75,0 55,0
2 3
– СО , не более 0,5 0,5
2
Массовая доля сероводорода и меркаптановой серы, 0,002 0,002
%, не более
9
1. Постановка задачи
Как известно, энергетические затраты на ректификацию зависят как от по-
следовательности выделения компонентов или фракций (т.е. от структуры тех-
нологической схемы), так и от состава разделяемой смеси [2, 3].
Цель лабораторных работ: выявить оптимальную по критерию суммарных
энергетических затрат в кипятильниках колонн схему ректификации ШФЛУ в
зависимости от состава исходной смеси. Для снижения размерности решаемой
задачи будет рассмотрена ректификация смеси легких углеводородов, состоя-
щей из пяти компонентов: изобутана (изо-С ), н-бутана (н-С ), изопентана (изо-
4 4
С ), н-пентана (н-С ) и н-гексана (н-С ). В этом случае в соответствии с форму-
5 5 6
лой С.В. Львова число схем ректификации равно 14. Принципиальные структу-
ры схем представлены на рис. 2. Схемы 1–8 являются линейными, при этом
один из продуктовых потоков каждой колонны представляет собой практически
чистый индивидуальный компонент. Схемы 9–14 являются разветвленными. В
данном случае оба продуктовых потока одной из колонн содержат в своем со-
ставе два и более компонента.
В ходе выполнения лабораторных работ необходимо с помощью про-
граммного комплекса ASPEN HYSYS смоделировать каждую из 14 схем рек-
тификации в проектно-поверочном варианте расчета, определить оптимальное
по критерию энергетических затрат в кипятильнике положение тарелки подачи
питания в каждой колонне и рассчитать суммарные энергетические затраты в
кипятильниках колонн при оптимальном положении тарелок питания.
10
