Προσομοίωση στηλών απόσταξης και εναλλακτών θερμότητας με χρήση του λογισμικού Chemcad

Abstract

Η παρούσα εργασία ασχολείται με τη διεργασία της απόσταξης, όπως αυτή εμφανίζεται στις σύγχρονες βιομηχανικές αποστακτικές στήλες. Πρωταρχικός μας στόχος είναι η ακριβή προσομοίωση μιας εγκατάστασης απόσταξης και πιο συγκεκριμένα, η εγκατάσταση της εταιρίας «Motor Oil Hellas». Για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται ένα ισχυρό και αποτελεσματικό υπολογιστικό εργαλείο για την προσομοίωση χημικών διεργασιών, το πρόγραμμα Chemcad. Εκτός αυτού, η εργασία ασχολείται και με τον ενεργειακό υπολογισμό ενός εναλλάκτη θερμότητας μιας τυπικής χημικής εγκατάστασης. Ξεκινώντας το θεωρητικό μέρος της εργασίας, αναλύουμε τη διεργασία της απόσταξης όπως αυτή παρουσιάζεται σε βιομηχανικό περιβάλλον. Μελετώνται οι αποστακτικές στήλες και το εσωτερικό τους περιεχόμενο (δίσκοι ή πληρωτικό υλικό). Εν συνεχεία, μελετάμε το πρόγραμμα Chemcad και δημιουργούμε έναν πλήρη οδηγό με τα πιο βασικά στοιχεία λειτουργίας του, που βοηθά στη δημιουργία μιας επιτυχημένης και ολοκληρωμένης προσομοίωσης. Για το υπολογιστικό μέρος της εργασίας, ασχολούμαστε αρχικά με τον ενεργειακό υπολογισμό ενός εναλλάκτη θερμότητας μιας τυπικής χημικής εγκατάστασης. Ο εναλλάκτης αυτός είναι τύπου κελύφους και σωλήνων, αερίου/αερίου, αντιρροής και έχει δυο εισόδους και δυο εξόδους. Για τον υπολογισμό του χρησιμοποιείται η συνιστώσα CC-Therm του προγράμματος Chemcad. Στη συνέχεια, μελετάμε μια εφαρμογή απόσταξης αργού πετρελαίου σε τυπική εγκατάσταση διυλιστηρίου. Η εγκατάσταση αποτελείται από δυο αποστακτικές στήλες και δύο φούρνους θέρμανσης ενώ παράγει τέσσερα προϊόντα του πετρελαίου (Gasoline, Naphtha, Kerosene, Diesel). Η προσομοίωση της εγκατάστασης απόσταξης της εταιρίας Motor Oil πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τα στοιχεία σχεδιασμού της μονάδας, όπως αυτά προέκυψαν από την ίδια την εταιρία. Μερικές τιμές είναι ελαφρώς διορθωμένες ώστε να συμβαδίζουν με τις αλλαγές που έγιναν στην εγκατάσταση κατά τη διάρκεια λειτουργίας της. Η τροφοδοτική ροή της εγκατάστασης είναι το αργό πετρέλαιο Arabian Light και για την προσέγγιση της χημικής του σύστασης χρησιμοποιείται η μέθοδος των ψευδοσυνιστωσών. Η καμπύλη αληθινών σημείων βρασμού (True boiling point, TBP) και όλα τα απαραίτητα στοιχεία του αργού πετρελαίου έχουν προκύψει από τη διεθνή βιβλιογραφία. Η εγκατάσταση αποτελείται από ένα φούρνο θέρμανσης, τη στήλη απόσταξης, 2 εναλλάκτες για την περαιτέρω ψύξη του προϊόντος κορυφής και ένα δοχείο διαχωρισμού με τρεις εξόδους, που χρησιμοποιούνται σε άλλα σημεία του διυλιστηρίου. Τα προϊόντα της απόσταξης είναι πέντε (Naphtha, Jet oil, Kerosene, Gas oil, Diesel).

This thesis studies the process of distillation, as it appears on modern industrial distillation columns. The main objective is to successfully simulate a distillation installation, specifically the installation of the company «Motor Oil Hellas». For this reason, we are using a powerful and effective calculating tool for the simulation of chemical processes, the Chemcad program. Moreover, this thesis also deals with the heat calculation of a heat exchanger of a typical chemical installation. The theoretical part of the thesis starts by analyzing the distillation process on industrial environment. Distillation columns and the column internals (trays or packing material) are studied. Furthermore, we study Chemcad program and write a comprehensive guide for its most common elements of operation, that can help in creating a complete and successful simulation. For the calculating part of the thesis, we initially deal with the energy calculation of a heat exchanger of a typical chemical installation. The heat exchanger has 2 inlets and 2 outlets, its type is shell and tube, with countercurrent gas/gas flow. In order to calculate the exchanger we use CC-Therm module, a part of Chemcad suite. Moreover, we study the distillation of crude oil in a typical refinery installation. This installation consists of two distillation columns and two fire heaters and produces four crude oil products (Gasoline, Naphtha, Kerosene, Diesel). In order to simulate the distillation installation of Motor Oil Hellas we used the initial design values of the installation. Some values are slightly corrected to reflect the changes that occurred in the installation during its operation. The feed stream of the installation is crude oil Arabian Light. The method of pseudocomponents was used in order to estimate crude oil’s chemical composition. True Boiling Point (TBP) curve along with any other necessary data for the crude oil were found on international journals. The installation consists of a fire heater, the distillation column, two heat exchangers and a flash tank with three outlets that are used in other areas of the refinery. There are five distillation products (Naphtha, Jet oil, Kerosene, Gas oil, Diesel).