Содержание к диссертации
Введение
1. Методические основы оптимизации схем и рабочих параметров установок для получения и использования энергоносителей в нефтехимических производствах 68
1.1. Методика термодинамических исследований промышленных установок нефтехимии 73
1.2. Методика технико-экономических исследований и оптимизации промышленных установок 88
Выводы по главе 1 116
2. Совершенствование энергопотребления в нефтехимических производствах на основе оптимизации использования тепловых отходов 118
2.1. Оптимизация регенерации теплоты в технологических установках I20
2.2. Оптимизация использования тепловых ВЭР промышленных предприятий 136
Выводы по главе 2 *53
3. Оптимизация энерготехнологического комбинирования на основе использования тепловых ВЭР (на примере производства этилена) 155
3.1. Особенности энерготехнологической схемы на базе использования теплоты отходящих дымовых газов и технологических продуктов 155
3.2. Термодинамические исследования вариантов схем энергоиспользования в производстве этилена 64
3.3. Оптимизация расхода дополнительного топлива в энерготехнологическом производстве с заданной мощностью энергопотребления 70
3.4. Технико-экономическая оптимизация рабочих параметров технологических процессов и конструктивных характеристик оборудования в составе энерготехнологического производства 204
3.4.1. Оптимизация давления пиролиза углеводо-родов в трубчатых печах 204
3.4.2. Оптимизация скорости движения пирогаза в закалочно-испарительном аппарате 2X7
Выводы по главе 3 226
4. Оптимизация энерготехнологического комбинирования в производствах с экзотермическими процессами и выхогазов дом низкокалорийных на примере производства окисиэтилена) 228
4.1. Особенности энерготехнологических схем с использованием теплоты экзотермических реакций и низкокалорийных остаточных газов 228
4.2, Термодинамические исследования схем и рабочих параметров энерготехнологического комбинирования в производстве окиси этилена 243
4.3. Технико-экономическая оптимизация схем и рабочихпараметров энерготехнологического комбинирования в производстве окиси этилена 264
4.3.1. Оптимизация давления контактирования 265
4.3.2. Технико-экономическое сопоставление вариантов схем сожигания остаточных газов 275
4.3.3. Оптимизация характеристик циркуляции контактной системы в производстве окиси этилена.. 281
Выводы по главе 4 292
5. Оптимизация получения хяадоносителей в холодильных системах нефтехимических предприятий с компрессионными маршами 294
5.1. Оптимизация эксплуатационных характеристик холодильной системы с вентиляторными градирнями. .310
5.2. Оптимизация проектируемых холодильных систем с вентиля торными градирнями 329
5.3. Особенности оптимизации холодильных систем с двухступенчатыми машинами, конденсаторами воздушного охлаждения и башенными градирнями 349
Выводы по главе 5 350
Основные выводы и рекомендации 352
Литература 357
Приложение 383
- Методика термодинамических исследований промышленных установок нефтехимии
- Оптимизация регенерации теплоты в технологических установках
- Особенности энерготехнологической схемы на базе использования теплоты отходящих дымовых газов и технологических продуктов
- Особенности энерготехнологических схем с использованием теплоты экзотермических реакций и низкокалорийных остаточных газов
- Оптимизация эксплуатационных характеристик холодильной системы с вентиляторными градирнями.
Методика термодинамических исследований промышленных установок нефтехимии
Энерготехнологические установки нефтехимического синтеза характеризуются большим разнообразием видов углеводородного сырья и материалов. Соответствующие установки потребляют также значительное количество различных энергоносителей. Одновременно в процессах технологического производства образуются вторичные энергоресурсы, позволяющие эффективно организовать выработку энергоносителей с необходимыми для производства потенциалами.Такое многообразие процессов в составе нефтехимических установок требует особого подхода к их анализу, позволяющего объективно оценить все сложные превращения потоков вещества и энергии. В настоящее время оценка использования различных видов углеводородных веществ и энергоресурсов в промышленных установках производится чаще всего на основе уравнений материального и энергетического балансов. Уравнение материального баланса, основанное на законе сохранения массы, позволяет численно оценить материальные потоки установки или отдельного аппарата на входе и выходе из них, Уравнение энергетического баланса, основанное на законе сохранения энергии, фиксирует потоки энергии, подведенные к анализируемой системе или отведенные от нее. В обоих случаях оцениваются потери процесса. Такой подход к оценке энергетической эффективности производственных процессов был предложен Н.А.Семенен-ко [144,146] применительно к огне техническим установкам, использовался в работах Л.АЛерномордика [207,208] для термодинамического анализа процессов производства аммиака. Так, по Н.А.Семенен-:ко энергетический к.п.д. комбинированного производства технологического продукта и тепловой энергии (в виде пара или горячей воды) определяется по уравнению где - физическwая теплота соответственно технологического продукта, технологических материалов и отходящих из рабочей камеры дымовых газов; зНі -ЗК теплота эндотермических и экзотермических реакций; dXT - химически связанная теплота топлива; оС - доля теплоты отходящих газов, использованная на производство теплоносителей; - суммарное потребление электроэнергии комбинированным агрегатом; CL - удельный расход теплоты топлива на единицу электроэнергии.
Недостатком такого метода анализа является то обстоятельство, что фиксируемые потоки вещества и энергии не подразделяются по их качественным различиям. Такой недостаток очень существенен для реальных энерготехнологических систем, относящихся к многоцелевым установкам. В большом числе практических случаев энерготехнологического комбинирования нефтехимическая промышленная установка выдает для последующего использования несколько видов углеводородной технологической продукции и может вырабатывать ряд энергоносителей для внутреннего потребления или для сопутствующих технологических агрегатов. При этом в известных пределах осуществляется перераспределение располагаемых БЭР на выработку того или иного энергоносителя, что необходимо учитывать при оценке эффективности системы в целом.
Оптимизация регенерации теплоты в технологических установках
В современных технологических схемах производств нефтехимии и других аналогичных отраслей, которым свойственно многократное нагревание и охлаждение технологических продуктов, обоснованное решение вопросов регенерации теплоты является важным фактором совершенствования теплопотребления. В общепринятом понимании принцип регенерации теплоты реализуется путем использования физической теплоты отходящих технологических потоков для нагрева входящих в этот же аппарат. При этом обеспечивается экономия тепловой энергии на стадии предварительного подогрева исходного потока или в самом технологическом аппарате и снижение расхода охлаждающих агентов при охлаждении отходящего технологического продукта до требуемой конечной температуры. Наиболее эффективно принцип регенерации теплоты может быть использован в системах аппаратов для абсорбции и десорбции, ректификационных установках, реакторных и выпарных устройствах. Большое народнохозяйственное значение повсеместного использования этого принципа очевидно, однако обоснованных рекомендаций по расчету регенерирующих устройств не существует. Между тем наивыгоднейшая организация процесса регенерации теплоты может быть реализована не только при проектировании новых технологических установок, но и в условиях эксплуатации существующих производственных схем путем установки дополнительной поверхности теплопередачи из числа типовых теплообменных аппаратов. На рис. 2.1. изображена схема взаимосвязанных теплообменников технологической установки, в которой основным технологическим элементом является аппарат І. В этом аппарате в общем случае производится технологическая обработка входящего продукта с расходом Gx и начальной температурой Тх, в результате которой отходящий продукт имеет расход Вг и температуру Тр . Для создания наилучших температурных условий основного технологического процесса целесообразно иметь температуру входящего потока Тх Тх . Подобные условия работы возникают в ректификационных колоннах и десорбционных аппаратах, в многочисленных реакторных устройствах. При отсутствии теплообменника 3 необходимая температура Тх обеспечивается в подогревателе 4 за счет греющего теплоносителя со средней температурой ТГр , а требуемая конечная температура отходящего потока Т - в холодильнике 2 за счет подачи охлаждающего агента (оборотная вода или хладоноситель) с температурой TQ. Соображения экономии теплоты и охлаждающего агента приводят к появлению теплообменника 3, в котором осуществляется подогрев входящего в технологический аппарат I продукта за счет охлаждения отходящего. В зависимости от соотношения полных теплоємкостей потоков Ьх х и 6гСр минимальная разность температур в теплообменнике - регенераторе теплоты определяется Тр (при ЬхСх брСр ) или Тх (при их х г г ) (рис.2.2.).
Особенности энерготехнологической схемы на базе использования теплоты отходящих дымовых газов и технологических продуктов
Среди крупнотоннажных производств нефтехимии многочисленную группу составляют технологические установки, вторичные энергоресурсы которых представлены физической теплотой отходящих технологических продуктов и дымовых газов огнетехнических агрегатов (рис.0.1.). Сюда относятся пиролизные установки различного целевого назначения, технологические установки для получения мономеров для синтетического каучука и многие другие. Каждое из производств имеет свои технологические особенности, связанные со спецификой сырьевых и конечных продуктов, параметрами ведения основных технологических процессов и т.д. Вместе с тем все они являются крупными потребителями энергии различных видов и источниками тепловых ВЭР. В связи с этим многие методические вопросы построения и оптимизации установок по энерготехнологическому принципу являются для них общими. В первую очередь это относится к определению способов использования тепловых ВЭР, созданию оптимальных условий и аппаратурного оформления процессов получения энергии на внутренних источниках.
Наиболее представительными для этой группы нефтехимических производств являются этиленовые установки. Производство этилена позволяет в самом общем виде поставить задачи энерготехнологического комбинирования и показать пути их решения. Накопленный к настоящему времени опыт эксплуатации этиленовых установок дает обширную информацию по работе отдельных узлов, что способствует получению объективных данных для анализа и оптимизации энергоиспользования в промышленных энерготехнологических агрегатах нефн-техимии.
Энерготехнологическое комбинирование в производстве этилена преимущественно развивается по схемам, когда генерируемый в за-калочно-испарительных аппаратах (ЗИА) пиролизной установки пар высокого давления используется в качестве рабочего тела для паровых турбин привода технологического оборудования. Весьма многочисленны мнения различных авторов относительно способов использования физической теплоты дымовых газов в конвективной части трубчатых печей. В отечественной и зарубежной практике имеют место решения [103,245] , в соответствии с которыми на дымовых газах устанавливаются котлы-утилизаторы для получения пара с давлением до 2,5 МПа. Однако в условиях энерготехнологической схемы такие варианты вряд ли целесообразны. Использование физической теплоты дымовых газов (теплоты более низкого потенциала, чем теплота пирогаза) должно быть подчинено задачам энерготехнологического комбинирования, которые в итоге определяются потребностями паровых турбин для привода газовых турбокомпрессоров системы газоразделения. Для увеличения выработки пара в ЗИА в конвективной части пиролизных печей располагается экономайзерная поверхность, обеспечивающая подогрев питательной воды.
Особенности энерготехнологических схем с использованием теплоты экзотермических реакций и низкокалорийных остаточных газов
В нефтехимии важное место занимает группа производств,осуществляющих окислительную параработку углеводородного сырья.Современное производство нитрила акриловой кислоты (акрилонитрила), окиси этилена и пропилена, формальдегида, фталевого и малеиново-го ангидрида превышает миллионы тонн в год. Все указанные производства характеризуются основными химическими процессами, протекающими с выделением значительных количеств теплоты при достаточно высокой температуре. Общей почти для всех технологических процессов является проблема обезвреживания и максимальной утилизации низкокалорийных газовых выбросов, характеризующихся содержанием вредных органических веществ. В таблице 4.1 приведены данные по содержанию горючих веществ, теплоте сгорания и количеству газообразных выбросов некоторых производств. Остаточные газы различных по мощности производств окиси этилена, имеющие к тому же избыточное давление до 0,7-2,0 МПа, подвергаются дожиганию на катализаторе. Продукты дожигания могут использоваться для выработки пара или механической энергии в газовой турбине. При синтезе нитрила акриловой кислоты окислительным аммонолизом пропилена предусмотрен выброс и рассеивание газообразных отходов в атмосферу через выхлопные трубы большой высоты. Аналогичное положение с водородосодержащими газами в процессе получения формальдегида из метанола.
Максимальное использование энергетического потенциала остаточных газов является важным направлением повышения экономической эффективности нефтехимических производств, доля энергетической составляющей в себестоимости продукции которых достигает 20-45$. Практически возможные пути и степень утилизации остаточных газов весьма различны. Вдесте с тем, несмотря на большой накопленный опыт каталитического и термического обезвреживания промышленных газовых выбросов, в настоящее время отсутствует единое мнение по выбору того или иного метода и экономической целесообразности его применения.
Таким образом, все указанные производства характеризуются принципиальной близостью проблем, связанных с рациональным применением теплоты экзотерических технологических процессов, а также с решением вопросов наивыгоднейших методов использования энергетических потенциалов остаточных газов. В связи с этим методические вопросы энерготехнологического комбинирования представляются для этой группы производств в достаточной степени общими и могут быть рассмотрены на примере наиболее показательной установки, характеризующейся экзотермическими реакциями и значительным выходом низкокалорийных абгазов. К числу таковых относится производство окиси этилена, для получения которой в индустриально развитых странах мира расходуется от 10 до 20$ всего вырабатываемого этилена [133].
Современные технологические схемы этого производства довольно разнообразны. На рисунке ПОЛ представлена принципиальная схема узлов контактирования и выделения современного варианта энерготехнологической схемы производств окиси этилена, иллюстрирующая сложную взаимосвязь технологических и энергетических процессов в подобных установках. В этой схеме имеет место органическая увязка технологического производства, его энергопотребления и производства энергии с использованием внутренних источников технологического процесса. Однако для реализации в полной мере основной задачи энерготехнологического комбинирования - достижения максимального экономического эффекта, кроме решения вопросов способов утилизации энергии и направлений ее использования для технологического энергоснабжения, необходимо найти оптимальные условия процессов. Параметрами ,в наибольшей степени влияющими на энергопотребление и выработку энергии в схеме, являются давление контактирования и степень циркуляции газов в основной ( ) и хвостовой ( tf ) ступенях окисления.
Оптимизация эксплуатационных характеристик холодильной системы с вентиляторными градирнями
Очевидно, что при известных конструктивных характеристиках оборудования работающей холодильной системы оптимальным значениям расходов воды и воздуха будут соответствовать оптимальные температура конденсации хладагента Т%: и давление на выходе из компрессора Р2.
Таким образом, на основе уравнений (5.49) и (5.63) сравнительно простыми расчетами можно установить оптимальный режим за грузки потребляющего электроэнергию оборудования водооборотной системы конкретной холодильной установки. Анализ этих уравнений показывает, что оптимальный эксплуатационный расход воды в значительной степени определяется характеристиками циркуляционного контура системы водоснабжения ( Нп +НК , Г ), а расход воздуха - площадью оросителей установленных градирен в плане.
Совместное решение уравнений системы (5.49) возможно известными математическими методами с использованием ЭЕМ. Шесте с тем несомненный практический интерес представляет предварительное решение отдельных уравнений при принятом другом расходном показателе. Такое решение позволяет провести анализ влияния различных технических и экономических факторов на оптимизируемую величину, выявить наиболее существенные связи. Кроме того, при эксплуатации холодильных систем оказывается целесообразным оценить влияние различных режимных, конструктивных и климатических условий на оптимальные показатели. Так, при частичном выводе оборудования в ремонт эксплуатация холодильных систем может осуществляться с уменьшенной поверхностью конденсаторов, с меньшим числом включенных в работу вентиляторов градирен или насосов оборотного водоснабжения. При функционировании на предприятии автоматизированной системы управления энергохозяйством полученные уравнения для определения оптимальных расходов воды и воздуха могут войти составной частью в общую математическую модель оптимального управления.
Для решения отдельных уравнений системы (5.49) могут быть использованы малые ЭЕМ типа "Наири", "Мир" и другие. По представленной в Приложении блок-схеме проведены расчеты оптимального эксплуатационного расхода воды при переменных значениях расхода воздуха в градирнях для холодильной станции, работающей нахладоагенте R -717 (аммиак), с холодопроизводительностью CL = 8140 кВт. Исходные данные: температура испарения хладоагента TQ =271,6 К; оборотная система водоснабжения с двумя одновенти-ляторными градирнями типа СК-400; поверхность конденсаторов варьируется от 6000 до 4500 иг; энтальпия воздуха на входе в градирню Ц. =58,6 кДж/кг, что соответствует температуре 0 =30С и относительной влажности =60$. Результаты расчетов представлены на рис.5.4. Из рисунка видно, что в условиях оптимальных расходов воды увеличение расхода воздуха сопровождается определенным уменьшением расхода хладоагента и давления на нагнетании компрессора. При этом увеличение расхода воздуха свыше 1400 кг/с для исследованнйй холодильной системы влияет на нагрузку компрессоров незначительно. Это объясняется тем, что для рассматриваемых параметров окружающей среды температура воды на выходе из градирни Tj практически не изменяется, асимптотически приближаясь к теоретическому пределу охлаждения. Вследствие этого температура конденсации хладоагента, а следовательно, и давление на нагнетании компрессоров также остаются практически постоянными.
