Введение к работе
Актуальность темы. В современных условиях эффективное использование топливно-энергетических ресурсов становится существенным элементом энергетической политики России. Переход на энергосберегающие технологии, включая внедрение эффективных систем утилизации вторичных энергоресурсов, является одним из основных направлении ее реализации. Нефтехимические технологии характеризуются многостадийностью и высоким уровнем удельных энергозатрат в себестоимости целевой продукции, причем до 80% энергозатрат приходится на тепловые энергоресурсы. Высокое содержание тепловых энергоресурсов в структуре энергозатрат обусловлено, помимо особенностей технологических процессов, низким уровнем использования низкопотенциальных вторичных энергоресурсов (ВЭР). В отличие от высокопотенциальных, низкопотенциальные ВЭР не находят применения в теплотехнологии и сбрасываются в окружающую среду, тогда как потенциал ВЭР может быть широко использован для теплоснабжения, холодоснабжения или водоподготовки. Кроме того, тепловые выбросы ухудшают экологическую обстановку в регионе расположения нефтехимического предприятия.
Применение энергосберегающих технологий с использованием теплоты низкопотенциальных ВЭР требует установки специального утилизационного оборудования с соответствующими капитальными вложениями. Отечественный и зарубежный опыт подтверждает, что затраты на утилизацию вторичных энергоресурсов быстро окупаются за счет экономии первичных энергоресурсов.
Рассматриваемое в работе производство этилена по объему товарной продукции занимает одно из ведущих мест в нефтехимической отрасли и ему в полной мере присущи перечисленные проблемы. В частности, стадия газоразделения производства этилена характеризуется значительным выходом ВЭР низкого потенциала, в основном за счет водоохлаждающих градирен. Создание на основе принципа энерготехнологического комбинирования систем утилизации низкопотенциальных ВЭР представляется одним из перспективных подходов, позволяющих повысить энергетическую эффективность стадии газоразделения и снизить нагрузку на системы оборотного водоснабжения.
Работа выполнена в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 – 2006 годы (госконтракт №02.435.11.5007), ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (госконтракт №02.516.11.6025), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракты №02.740.11.0062, №П829), гранта РФФИ (№05-08-50043-а).
Целью работы является разработка энергосберегающих мероприятий для стадии газоразделения в производстве этилена с использованием методов энерготехнологического комбинирования и интенсификации теплообмена.
При этом решались следующие задачи:
1) анализ структуры и связей, оценка тепловой и термодинамической эффективности теплотехнологической схемы стадии газоразделения производства этилена;
2) разработка системы утилизации низкопотенциальных ВЭР стадии газоразделения производства этилена с использованием методов энерготехнологического комбинирования;
3) выработка практических рекомендаций по снижению ресурсо- и энергозатрат для вспомогательного теплообменного аппарата стадии газоразделения с использованием поверхностных интенсификаторов теплообмена.
Научная новизна состоит в следующем:
- предложен алгоритм выбора эффективных решений по ресурсо- и энергосбережению на низкотемпературных нефтехимических производствах с использованием методов энерготехнологического комбинирования и интенсификации тепловых процессов во вспомогательном теплообменном оборудовании;
- выявлены источники потерь энергии и разработан способ утилизации низкопотенциальных ВЭР для стадии газоразделения производства этилена на основе применения пароэжекционной установки;
- в результате численных исследований выявлены зависимости изменения теплоотдачи и гидравлического сопротивления при ламинарном течении оборотной воды в каналах теплообменного аппарата с различными геометрическими характеристиками интенсификатора – кольцевой накатки.
Практическая значимость. Система утилизации на основе разработанного способа, включающая теплообменники для охлаждения оборотной воды, пароэжекционную установку для получения горячей воды и насосы, позволяет использовать 78,6 МВт низкопотенциальных ВЭР для выработки теплоты на отопление и горячее водоснабжение. Применение интенсифицированных теплообменных поверхностей позволяет снизить на 17% затраты электроэнергии на эксплуатацию вспомогательного теплообменного аппарата, вследствие сокращения на 49% расхода оборотной воды, проходящей через него. Основные результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы к применению на нефтехимических предприятиях с аналогичным аппаратурным оформлением и чтении лекционных курсов «Основы энергосбережения» и «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях».
Результаты работы использованы при разработке энергосберегающих мероприятий для крупнотоннажного производства этилена (госконтракт №02.435.11.5007, патент РФ на изобретение №2345952).
Основные результаты, выносимые на защиту:
1) алгоритм выбора эффективных решений по ресурсо- и энергосбережению на низкотемпературных нефтехимических производствах с использованием методов энерготехнологического комбинирования и интенсификации тепловых процессов во вспомогательном теплообменном оборудовании;
2) результаты анализа тепловой и термодинамической эффективности стадии газоразделения производства этилена и система утилизации низкопотенциальных ВЭР на основе применения пароэжекционных установок;
3) результаты численного исследования интенсификации теплообмена во вспомогательном теплообменном аппарате стадии газоразделения и практические рекомендации по снижению энергозатрат на его эксплуатацию.
Достоверность. Достоверность работы подтверждена использованием фундаментальных законов переноса импульса, сохранения массы и энергии, основных положений технической термодинамики, а также сравнением результатов диссертационных исследований с известными в научно-технической литературе экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы представлены на следующих научных мероприятиях: Национальная конференция по теплоэнергетике НКТЭ-2006 (Казань, 2006г.); V-VII Школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2006, 2008, 2010гг.); VII Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Красноярск, 2006г.); XV Международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения» (Казань, 2007г.); V Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2008г.); IV Школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика» (Москва, 2008г.); XXI Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2009г.); X Международный симпозиум «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, 2009г.); ежегодные итоговые научные конференции Казанского научного центра РАН (Казань, 2007-2009гг.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 23 публикациях, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ, получен 1 патент на изобретение.
Структура и объём работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения. Общий объем диссертации 131 страницы машинописного текста, включая 18 рисунков, 22 таблиц, список литературы из 161 наименований и приложение.
