Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса 9
1.1. Энергосбережение в нефтехимической промышленности 9
1.2. Методы анализа и оценки эффективности теплотехнических схем 12
1.3. Выводы 21
Глава 2. Теплотехнологическая схема получения гидроперекиси изопропилбензола окислением изопропилбензола 23
2.1. Основные сведения о свойствах и технологии получения гидроперекиси изопропилбензола 23
2.2. Характеристика стадии производства гидроперекиси изопропилбензола 25
Глава 3. Структурный анализ теплотехнологической схемы окисления изопропилбензола до гидроперекиси изопропилбензола 37
3.1. Постановка задачи 37
3.2. Алгоритм и схема проведения структурного анализа 42
3.3. Результаты структурного анализа теплотехнологической схемы окисления изопропилбензола до гидроперекиси изопропилбензола 46
Глава 4. Анализ и " оценка термодинамической эффективности теплотехнологической схемы получения гидроперекиси изопропилбензола 72
4.1. Постановка задачи 72
4.2. Методика проведения анализа и оценки термодинамической эффективности 72
4.3. Информационная часть анализа и оценки термодинамической эффективности 78
4.4. Тепловая и эксергетическая эффективность теплотехнологической схемы стадии производства технической гидроперекиси 84
4.5. Аналитическая часть анализа и оценки термодинамической эффективности 101
Глава 5. Разработка системы комплексной утилизации ВЭР в целях повышения эффективности энергоиспользования для теплотехнологической схемы окисления изопропилбензола до гидроперекиси изопропилбензола 107
5.1. Постановка задачи 107
5.2. Описание системы комплексной утилизации ВЭР для теплотехнологической схемы получения гидроперекиси изопропилбензола 107
5.3. Исследование возможности использования пароструйных компрессоров в системе комплексной утилизации ВЭР для теплотехнологической схемы окисления изопропилбензола до гидроперекиси изопропилбензола 110
5.4. Расчет абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машины для системы комплексной-утилизации ВЭР 123
5.5. Эффективность разработанной системы комплексной утилизации ВЭР для теплотехнологической схемы окисления изопропилбензола до гидроперекиси изопропилбензола 129.
Выводы 129
Заключение 132
Список литературы 137
- Методы анализа и оценки эффективности теплотехнических схем
- Характеристика стадии производства гидроперекиси изопропилбензола
- Алгоритм и схема проведения структурного анализа
- Методика проведения анализа и оценки термодинамической эффективности
Введение к работе
Актуальность темы
Предприятия нефтехимической отрасли, осуществляющие переработку углеводородного сырья и находящаяся в числе лидеров потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), характеризуется относительно низкой эффективностью использования подведенной энергии. По данным [1-3], фактический расход ТЭР на предприятиях нефтехимического комплекса превышает теоретически необходимый примерно в 1,7-^-2,6 ~раза, что указывает на значительные неиспользуемые резервы по энергосбережению.
Предприятия органического синтеза, проводящие низкотемпературные химические процессы имеют некоторую особенность - значительное потребление тепловой энергии преимущественно среднего и низкого потенциала. Практически во всех работах посвященных решению проблемы энергосбережения в промышленности, отмечается недостаточно эффективное использование образующихся вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). Как показывает анализ работ [1-21], эффективно используются в основном только горючие и высокотемпературные ВЭР. В промышленности теряется значительное количество теплоты дымовых и технологических газов, продуктовых потоков, пара вторичного вскипания, охлаждающей воды. Особенно трудно поддаются утилизации низкопотенциальные ВЭР, представленные на нефтехимических предприятиях в виде жидкостей и парогазовых смесей с химическими и механическими включениями и оборотной воды. Сложность решения задачи заключается в том что, во-первых, низкопотенциальную теплоту очень трудно полезно использовать в виду ее низкого качества (имеется в виду, как энергетический потенциал, так и загрязнение побочными продуктами), требуется специальное теплотехническое оборудование, а во-вторых, при использовании низкопотенциальных ВЭР возникают сложности в связи с отсутствием крупных и постоянных потребителей. Несмотря на трудности с реализацией, работы в этом направлении приносят ощутимый экономический эффект, что объясняется преобладанием низкотемпературных ВЭР в балансах сбросной теплоты нефтехимических производств [1-5].
Наиболее перспективным направлением энергосбережения в нефтехимической промышленности, на сегодняшний день, считается создание энерготехнологических комплексов, в которых ТЭР используются с наибольшей эффективностью [1-5]. Применение принципов энерготехнологического комбинирования является обязательным условием проектирования новых нефтехимических производств. На действующих предприятиях, со сформировавшейся теплотехнологической структурой, принцип энерготехнологического комбинирования в полной мере реализован быть не может, но зато может быть использован частично, через создание систем комплексной утилизации вторичных энергоресурсов.
Современные теплотехнологические схемы нефтехимических производств, представляют собой сложные теплотехнологические объединения (структуры), состоящие из множества различных взаимозависимых элементов. Задача определения существующей структуры связей между элементами, выделения замкнутых и разомкнутых последовательностей элементов, нахождения оптимальной последовательности расчета теплотехнологической схемы эффективно может быть решена только с использованием методов математического моделирования и ЭВМ.
Для проведения анализа и оценки термодинамической эффективности современных теплотехнологических схем нефтехимических производств и разработки систем комплексной утилизации ВЭР, требуется создание специальных методик, позволяющих определять объемы потребления и пределы использования подведенной и переданной в отдельных элементах энергии в составе объединяющей их системы производства. При этом необходимо учитывать практическую пригодность энергии. С этой точки зрения наиболее перспективным для разработки энергосберегающих мероприятий является использование эксергетического метода термодинамического анализа, позволяющего оценить величину технически работоспособной энергии и определить потери вызванные необратимостью.
Работа выполняется в соответствии с тематическим планом Научно -технической программы Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (шифр работы 01.01.055).
Цель работы.
Является разработка на основе принципов энерготехнологического комбинирования системы комплексной утилизации низкопотенциальных вторичных энергоресурсов для теплотехнологической схемы окисления изопропилбензола до гидроперекиси изопропилбензола в совместном производстве фенола и ацетона.
Научная новизна.
Проведен анализ тепловой и термодинамической эффективности теплотехнологической схемы получения гидроперекиси изопропилбензола в совместном производстве фенола и ацетона.
На базе методов математического моделирования проведен комплексный структурный анализ теплотехнологической' схемы окисления изопропилбензола до гидроперекиси изопропилбензола в совместном производстве фенола и ацетона с введением внутренней иерархии энерготехнологических процессов и систем.
Предложен алгоритм построения энерготехнологического комплекса для теплотехнологических схем получения гидроперекиси изопропилбензола в совместных производствах фенола и ацетона.
Разработана новая система утилизации низкопотенциальных вторичных энергоресурсов для теплотехнологической схемы окисления изопропилбензола до гидроперекиси изопропилбензола в совместном производстве фенола и ацетона на базе пароструйных компрессоров и абсорбционных холодильных машин.
5. Разработанная методика расчета может быть использована при курсовом и дипломном проектировании и чтении лекционных курсов «Основы энергосбережения» и «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях».
Достоверность
Достоверность представленных результатов обеспечивается применением современных методов структурного и термодинамического анализа, результатами натурного эксперимента, полученными с применением установленного на предприятии контрольно-измерительного оборудования, прошедшего государственные испытания и аттестацию.
Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что разработанные в диссертационной работе положения и программы могут быть использованы при проектировании новых и усовершенствовании действующих теплотехнологических схем получения гидроперекиси изопропилбензола. Основные результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы к применению при организации энерготехнологических комплексов на предприятиях нефтехимической отрасли.
Разработанная методика расчета может быть использована при курсовом и дипломном проектировании и чтении лекционных курсов «Основы энергосбережения» и «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях».
Личное участие. Основные результаты работы получены автором лично под руководством член-корр. РАН, д.т.н., проф. Назмеева Ю.Г.
Апробация работы Основные положения диссертационной работы были доложены на следующих научно-технических конференциях: 1.1 Форум молодых ученных и специалистов Республики Татарстан, Казань, 11 - 12 декабря 2001 г;
2. Всероссийская школа - семинар молодых ученых и специалистов. «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» Казань, 2-4 октября 2002г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Методы анализа и оценки эффективности теплотехнических схем
В зависимости от поставленной задачи выбирается критерий оценки эффективности деятельности промышленных предприятий и их подразделений на определенных уровнях иерархической структуры. Очевидно, что в ходе разработки безотходной технологий [141,142,143], чему в последнее время уделяется особое внимание, критерий оценки строится на основе расходных характеристик материального баланса сырьевых и топливно - энергетических ресурсов производственной цепочки.
Выбор и расчет критериев оценки при построении эффективного энерготехнологического комплекса требует создания мощной информационной базы, в которую включаются расходные, тепловые, термодинамические показатели технологических и энергетических процессов, характеристики используемого и вновь устанавливаемого оборудования, совместимости их режимных характеристик, в том числе с учетом их изменения в определенные отрезки времени, и т.д.
Исходными данными для проведения аналитических-исследований действующего предприятия являются материальные, энергетические и термодинамические балансы [146,147], а также все необходимые данные для их построения на заданном уровне иерархии: теплофизические свойства, зависимость выхода продукта от изменения параметров технологического процесса и т.п. С этой точки зрения построения балансов также распределяются по уровням иерархии в зависимости от их сложности.Материальные балансы.
В основе материальных балансовых уравнений, характеризующих деятельность рассматриваемого объекта (промышленного комплекса, подразделения, установки и т.п.), лежит закон сохранения и превращения материи [4,17,144,146]. Построение материальных балансов технологических объектов химических и нефтехимических предприятий требует учета материальных потоков образующихся побочных и возвратных продуктов производства:tornxгде Gj - расход і-го компонента, введенного в объект, кг/с; Gj - количесво полученного в объекте j-ro целевого продукта производства, кг/с; G3 - количествовозвратного і-го компонента, кг/с; G"06 - потери і-го компонента, кг/с; G"k6 количество образовавшегося k-го побочного продукта, кг/с; Gmx - количествообразовавшихся отходов производства, не находящих применения на смежных стадиях и у внешних потребителей, кг/с.
Показателем эффективности деятельности предприятия является коэффициент безотходности производства /?„, отражающий соотношение полезнозатраченных материальных ресурсов к общему количеству ресурсов, введенных в систему,где выражение ]TGy+G,S U+Gff позволяет собой долю полезно затрачен ных ресурсов при условии, что побочные продукты полностью используются потребителем (внутренним или внешним), кг/с; выражение. G + G,0"" от к Iражает потери материальных ресурсов, кг/с. Энергетические балансы.
В основе энергетических балансовых уравнений и их частных случаев (тепловых, гидравлических, по энергоносителю определенного вида), характеризующих деятельность рассматриваемого объекта, лежит закон сохранения и превращения энергии. При построении энергетических балансов промышленного объекта используются данные с предыдущего иерархического уровня (материальные балансы).
В общем случае энергетический баланс промышленного объекта имеет вид, кВт,где Q, - количество подведенного к объекту энергоносителя і-го вида, кВт; Q""1 - количество полезно использованного энергоносителя і-го вида, кВт; Q"om - потери энергоносителя і-го вида в ходе проведения технического процесса в рассматриваемом объекте, кВт; Qj - количество образовавшегося в объекте энергоносителя j-ro типа (в том числе и ВЭР, находящего применение на смежных стадиях производства или у внешних потребителей), кВт.
Основными показателем эффективности энергоиспользования обычно являются энергетический (в тепловых процессах - тепловой) КПДгде Onol - суммарная полезно воспринятая в системе теплота, кВт; Q„ode - суммарная подведенная к системе теплота, кВт.В теплотехнологии предприятий химического и нефтехимического комплексов отмечается высокая степень взаимозависимости материальных и тепловых потоков, так как в них основными технологическими процессами являются массообменные. Выход конечного продукта непосредственно зависит от режима ведения процесса, определяемого поддерживаемым уровнем температуры и давления, а изменение расходных характеристик, в свою очередь, влияет на структуру энергетического баланса объекта исследования. Возникает пара метрическое возмущение, которое может захватывать большое количество разнотипных элементов оборудования. Как уже отмечалось в [4], моделирование этой ситуации возможно только с учетом структурной организации промышленного объекта.
Структурный анализ.Основная задача структурного анализа существующих теплотехнологи-ческих схем состоит в установлении взаимозависимостей между элементами внутри теплотехнологической схемы и определении оптимальной последовательности ее расчета [53].
При проведении структурного анализа широко используются различные методы математического моделирования [54-58]. Основные положения структурного анализа систематизировано и подробно, представлены в работах [53,59-70]. Построение информационной блок-схемы (ИБС), графически отображающей топологию теплотехнологической схемы является первым этапом структурного анализа [53,60]. Элемент оборудования в ИБС представляется в виде вычислительного блока (математической модели), в котором на основе заданных входных параметров определяются выходные. На действующих производствах в виду изношенности оборудования и по целому ряду других причин, составление точных математических моделей установок представляется очень сложным. В этом случае для определения значений выходных потоков используют режимные карты АСУТП. Эффективность работы оборудования определяется на основе натурного эксперимента по принципу «черного ящика» [68].
Представление ИБС в цифровой форме - реализация второй стадии структурного анализа теплотехнологической схемы. Для представления топологии ИБС в цифровой форме в работах [53,59,70] широко используются матрицы процесса, смежности и др. Одним из наиболее удобных способов представления ИБС для идентификации имеющихся контуров, является представление ИБС в виде матрицы смежности или ее аналога, списка смежности [53]. Мат
Характеристика стадии производства гидроперекиси изопропилбензола
Стадия окисления изопропилбензола до гидроперекисиизопропилбензола входит в состав производства фенола и ацетона. Производство фенола и ацетона относится к нефтехимическим производствам с низкотемпературными химическими процессами. Особенность производств с низкотемпературными химическими процессами значительное потребление тепловой энергии преимущественное среднего и низкого потенциала. Рассмотрим распределение теплопотребления на примере производства фенола и ацетона. В себестоимости 1 т фенола и 0,63 т ацетона нергозатратысоставляют 20% , в том числе 13% приходится на пар давлением до 1,6 МПа итолько 0,4%) - на электроэнергию. [3].Теплопотребление в производстве фенола и ацетона.
Как видно из табл. 2.1 тепловая нагрузка потребителей с температурой продуктов ниже 120 С составляет для данного производства около 43%) и может быть покрыта за счет использования низкопотенциальных тепловых ВЭР, а также путем широкого применения регенерации теплоты.
Структурная схема производства фенола и ацетона через изопропилбензол приведена на рис. 2.1.Стадия производства технической гидроперекиси изопропилбензола.
Производство технической гидроперекиси изопропилбензола входит в состав группы цехов совместного получения фенола и ацетона завода «ФЕНОЛ» ОАО «КАЗАНЬОРГСИНТЕЗ».
Год ввода цеха в эксплуатацию в июне 1963 года. Генеральныйпроектировщик «Гипрокаучук» г. Москва.
Общая проектная мощность производства гидроперекисиизопропилбензола - 9342,5 кг/час или 78477 т/год 100% гидроперекисиизопропилбензола, достигнутая мощность составляет 14580 кг/час или 122472т/год.
В 1993 году на основании проектной документации, разработанымероприятия, для глубокой очистки от органических примесей, монтированаустановка каталитической очистки абгазов окисления изопропилбензола.Стадия разложения гидроперекиси изопропилбензола и выделениетоварного фенола и ацетона.Производство фенола и ацетона по методу совместного получения фенола иацетона через гидроперекись изопропилбензола, известного под названием"Кумольный метод", введено в эксплуатацию в 1963 году.Проект производства фенола и ацетона выполнен предприятием"Гипрокаучук" (г. Новокуйбышевск) из одного технологического потокапроектной мощностью 5357 кг/ч или 45000 т/год товарного фенола и 3273,3кг/час или 27500 т/год товарного ацетона.
Достигнутая мощность производства фенола составляет 8014,3 кг/ч или62,8 тыс.т в год.Стадия переработки отходов производства фенола и ацетона.Отделение по переработке отходов производства фенола и ацетона вэксплуатацию на предприятии в 1963 году.Проект отделения выполнен предприятием (г. Новокуйбышевск) из трехтехнологических потоков:1. По переработке фенольной смолы с целью извлечения фенола - сырца производительностью 1420 кг/ч или 11500 т/год по фенольной смоле.2. По переработке промывных вод и технологических фенольных вод методом экстракции с ди - изопропиловым эфиром производительностью 800 кг/ч или 6400 т/год по фенольной воде.
. По переработке углеводородной фракции с целью извлеченияизопропилбензола и альфаметилстирола производительностью 295 кг/ч или2500 т/год по углеводородной фракции.
Ниже приведено описание стадии производства техническойгидроперекиси изопропилбензола.Приготовление окислительной шихты.Окислительная шихта готовится в ёмкости 1 смешиванием свежего изопропилбензола, поступающего со склада, обратного изопропилбензола, поступающего из цеха переработки отходов производства фенола и ацетона и обратного изопропилбензола, поступающего самотеком из отстойной колонны 42, из емкости 1 насосом 3. подается на стадии окисления. Окисление изопропилбензола.
Окисление изопропилбензола, проводится в шести параллельно работающих системах окисления. Окислительная шихта из емкости 1, пройдя теплообменник 2, где она подогревается паровым конденсатором, насосом 3 подается через подогреватель 4, где подогревается паром 0,6 МПа до 120 С, в верхнюю секцию окислительной колонны 5. Технологический, сжатый воздух проходит фильтр 6, где очищается от механических примесей, масла и частично от влаги, подогреватель 7, где подогревается до температуры не выше 70 С за счет теплоты пара с последних ступеней пароэжекционных насосов (ПЭН) 37, 39 и поступает вниз окислительной колонны 5 в количестве до 2800 м /час. Процесс окисления ведётся под давлением 0,25 - 0,32 МПа на верху колонны. Окислительная колонна состоит 8 секций тарельчатого типа, в каждой секции имеется змеевик, в который насосом 8 подается умягченная вода (паровой конденсат) из емкости 9, после змеевиков колонн поступает в холодильник 10, где охлаждается до температуры 60С оборотной водой. Из холодильника 10 охлажденная умягченная вода поступает в емкость 9, откуда насосом 8 вновь подается в змеевики колонн окисления для снятия тепла
При контактирорании на секциях окислительной колонныизопропилбензола с кислородом воздуха происходит образованиегидроперекиси изопропилбензола по реакции:
Одновременно с основной реакцией протекают побочные реакции, связанные с разложением гидроперекиси, в результате которых образуются диметилфенилкарбинол.ацетофенон и метанол:причем больная часть метанола окисляется дальше в формальдегид, муравьиную кислоту и т.д.
В окислительной колонне реакционная масса по мере своего движениясверху вниз по колонне постепенно обогащается гидроперекисьюизопропилбензола до содержания её не более 30,5 % на выходе из колонны. Изкубовой части колонны 5 реакционная масса, охлажденная в кубе колонны до98С, под авлением в системе поступает в емкость 12,- из которойреакционная масса самотеком подается в системы ректификации идистилляции. Отходящий из окислительной колонны, обедненный кислородомвоздух (абгазы), вместе с парами изопропилбензола, гидроперекиси и кислыхпримесей поступает в охлаждаемый оборотной водой конденсатор 14, гдеконденсируются пары изопропилбензола и гидроперекиси.
Несконденсировавщиеся пары изопропилбензола поступают в дополнительный конденсатор 15, охлаждаемый рассолом -5 С, где конденсируются. Конденсат из конденсаторов 14 и 15 поступает в емкость 24, где смешивается с раствором щелочи далее на всас насоса 41. Абгазы после конденсатора 15 с окислительных колонн поступает для очистки в два последовательно работающих вихревых конденсационно-сепарирующих теплообменника 16 и 17 типа ТБКСН с неподвижной трубной решеткой. Из
Алгоритм и схема проведения структурного анализа
Алгоритм решения поставленных задач реализован при помощи прикладной программы составленной на языке программирования СИ [21]. Программа позволяет идентифицировать замкнутые контуры, построить матрицу цикла, сокращенную матрицу цикла и определить потоки, разрыв которых позволит провести расчет технологической схемы по одному из наиболее оптимальных вариантов. Блок-схема программы для проведения структурного анализа тепло-технологических схем приведена на рис. 3.2.
Ниже приводятся пояснения к основным операциям, реализуемым в программе.В блоках 1-4 вводятся исходные данные в виде сокращенного списка смежности и идентифицируются имеющиеся контуры. Сокращенный список смежности для ИБС окисления изопропилбензола до гидроперекиси изопропилбензола приведен в табл. 3.3.
В качестве исходных данных вводятся: а) сокращенная матрица смежности A(i,j) в виде сокращенного списка смежности; б) максимальная степень перемножения Р сокращенной матрицы смежности.В блоке 2 формируется первый элемент списка диагоналей при степени перемножения к=1, в который заносятся все элементы сокращенной матрицы смежности на диагоналях которых имеются единицы.
В блоке 3 сокращенная матрица смежности перемножается сама на себя к раз (при изменении к от 2 до Р с шагом 1) и для каждой степени перемножения формируются элементы списка диагоналей.В блоке 4 определяются контуры в степени перемножения к (при изменении к от 2 до Р с шагом 1) и формируются к-ые элементы списка контуров.В блоках 5 її б формируются матрица циклов и сокращенная матрица циклов (содержащая только разрываемые потоки) и осуществляется вывод полученных результатов на экран и в файл. Сокращенная матрица циклов для ИБС стадии дегидрирования изоамиленов в изопрен приведена в табл. 3.4.
При проведении структурного анализа схемы окисления изопропилбензола до гидроперекиси изопропилбензола с использованием разработанной прикладной программы были получены следующие результаты.Определена необходимая для полной идентификации контуров степень перемножения сокращенной матрицы смежности Р=21.Определено количество контуров в ИБС окисления изопропилбензола до гидроперекиси изопропилбензола - тридцать семь. Контуры представлены на рис. 3.3.Определено минимальное количество условно разрываемых потоков, позволяющих полностью выполнить расчет ИБС - восемь.
Условно разрываемые потоки в ИБС окисления изопропилбензола до гидроперекиси изопропилбензола (используется следующее обозначение: номер потока - номер выходного блока/номер входного блока): 1 - 25/26, 3 -33/34, 5 - 8/9, 8 - 19/18, 12 - 54/55, 14-2/3,18- 45/46, 27 - 23/24. Условно разрываемые потоки на рис. 3.3. выделены.
Разрываемые потоки выбирались с таким расчетом, чтобы в одном контуре их количество было минимальным.Описание идентифицированных контуров в порядке возрастания ранга контуров приводится ниже.
Первый контур образован блоками 25 и 26. Разделительная колонна 25 связана с рибойлером 26 потоком жидкой реакционной массы 1 - 25/26 Рибойлер 26 связан с разделительной колонной 25 потоком жидкой реакционной массы 2 - 26/25. Условно разрываемый поток 1 - 25/26.
Второй контур образован блоками 34 и 33. Дистилляционная колонна 33 связана с рибойлером 34 потоком жидкой реакционной массы 3 - 33/34 Рибойлер 34 связан с разделительной колонной 33 потоком жидкой реакционной массы 4 - 34/33. Условно разрываемый поток 3 — 33/34.
Третий контур образован блоками 8, 7 и 9. Окислительная колонна 7 связана с холодильником 8, потоком охлаждающей воды 7 - 7/8. Холодильник 8 связан с перекачивающим насосом 9 потоком 5 - 8/9. С насоса 9 поток 6 - 9/7 направляется в окислительную колонну 7. Условно разрываемый поток 5 - 8/9.
Четвертый контур образован блоками 18, 19, 20. Теплообменник 18 связан с теплообменником 19 потоком абгазов 8 - 18/19. Теплообменник 19 связан с реактором 20 потоком абгазов 9 - 19/20. Поток доокисленных абгазов 10 - 20/18 из реактора 20 отдает часть теплоты в теплообменнике 18. Условно разрываемый поток 8 - 18/19.
Пятый контур образован блоками 51, 54, 55. Подогреватель 54 связан с подогревателем 55 потоком неочищенной химически загрязненной воды 12 — 54/55. Подогреватель 55 связан с насадочной колонной азотропной отгонки ИПБ 51 потоком неочищенной химически загрязненной воды 13 - 55/51. Тепловой поток кубовой жидкости (очищенная вода) 11 - 51/54 выходя из колонны 51 проходит теплообменник 54. Условно разрываемый поток 12 — 54/55.Шестой контур образован блоками 2, 3, 4, 56. Подогретый поток ИПБ 14 - 2/3 из подогревателя 2 поступает на всас насоса 3. Поток ИПБ 15 - 3/4 с насоса 3 поступает в теплообменник 4, где греется паром давлением 0,6 МПа. Конденсат пара 0,6 МПа, поток 16 - 4/56, из подогревателя 4 поступает в цеховой сборник конденсата 56, откуда часть конденсата, поток 17- 56/2, отводится в подогреватель 2, на продогрев ИПБ. Условно разрываемый поток 14-2/3.Седьмой контур образован блоками 45, 46, 47, 48,. Поступающий на всас насоса 46 загрязненный РШБ, поток 18 - 45/46, поступает с точки смешения в трубопроводной арматуре 45. Насос 46 связан с отстойной колонной 47 потоком 19 - 46/47. В колонне 47 происходит отстой загрязненного ИПБ, верхний органический слой (ИПБ 95%), поток 20 - 47/48, поступает в отстойную колонну 48. Колонна 48 связана с точкой 45 потоком 21 - 48/45. Условно разрываемый поток 18 - 45/46.
Восьмой контур образован блоками 45, 46, 47, 49, 50. Поступающий на всас насоса 46 загрязненный ИПБ, поток 18 - 45/46, поступает с точки смешения в трубопроводной арматуре 45. Насос 46 связан с отстойной колонной 47 потоком 19 - 46/47. В колонне 47 происходит отстой загрязненного ИПБ, нижний водный слой, поток 22 - 47/49, поступает в точку разделения 49, откуда поток 23 - 49/50 поступает в смеситель 50. Смеситель 50 связана с точкой 45 потоком 24 - 50/45. Условно разрываемый поток 18 - 45/46.
Девятый контур образован блоками 2, 3, 4, 7, 23, 24, 56. Подогретый поток ИПБ 14-2/3 из подогревателя 2 поступает на всас насоса 3. Поток ИПБ 15 - 3/4 с насоса 3 поступает в теплообменник 4. Теплообменник 4 связан окислительной колонной 7 потоком 25 - 4/7. Колонна 7 связана с емкостью 23 потоком 26 - 7/23. Емкость 23 связана с подогревателем 24 потоком 27 - 23/24. Конденсат пара 0,4 МПа, поток 28 - 24/56, из подогревателя 24 поступает в цеховой сборник конденсата 56, откуда часть конденсата, поток 17- 56/2, отводится в подогреватель 2, на продогрев ИПБ. Условно разрываемые потоки 14 - 2/3 и 27 - 23/24.Десятый контур образован блоками 23, 24, 25, 32, 33, 35, 38, 39.
Методика проведения анализа и оценки термодинамической эффективности
При проведении анализа и оценки термодинамической эффективности ставились следующие задачи:1. используя основные положения эксергетического метода термодинамического анализа составить методику для проведения анализа и оценки термодинамической эффективности теплотехнологической схемы окисления изопропилбензола до гидроперекиси изопропилбензола в совместном производстве фенола и ацетона. Предложить критерии эффективности, позволяющие проводить оценку эффективности отдельных элементов в составе объединяющей их системы;2. провести анализ термодинамической эффективности теплотехнологической схемы окисления изопропилбензола до гидроперекиси изопропилбензола с оценкой эффективности отдельных элементов в составе системы совместного производства фенола и ацетона;3. определить резерв энергосбережения и предложить варианты повышения эффективности использования ТЭР в теплотехнологической схеме окисления изопропилбензола до гидроперекиси изопропилбензола.1 часть. В первой, части осуществляется сбор и обработка первичнойинформации, ее представление в виде расчетной балансовой теплотехнологическойсхемы (БТТС) с наложенными ограничениями и допущениями. Для сложных схемдополнительно проводится декомпозиция структуры БТТС на отдельные блоки.2 часть. Во второй, части определяются действительные значения тепловоймощности потоков энергии и вещества на входе и выходе элементов БТТС,составляются материальный и тепловой балансы, определяются тепловой КПД ипотери теплоты для каждого элемента и схемы в целом. часть. В третьей, части определяются действительные значенияэксергетической мощности потоков энергии и вещества на входе и выходе элементов
БТТС, составляется эксергетический баланс, определяются эксергетический КПД ипотери эксергии для каждого элемента и схемы в целом.4 часть. В четвертой, части проводится анализ и оценка термодинамическойэффективности БТТС и ее элементов, оценивается резерв энергосбережения БТТС.Четвертая часть завершает анализ термодинамической эффективноститеплотехнологической схемы. За ней следует разработка конкретныхэнергосберегающих мероприятий.
Обычно при эксергетическом анализе технических систем используют такой универсальный критерий термодинамической эффективности как эксергетический КПД. При строгой форме записи эксергетический КПД определяет способность исследуемого элемента передавать или использовать эксергию с минимальными потерями (термодинамическое совершенство объекта), но не позволяет оценить, как и в каком количестве используется подведенная или переданная в элементе эксергия в системе производства. Предлагается решить задачу оценки эффективности отдельных элементов в составе объединяющей их системы введением в методику анализа термодинамической эффективности теплотехнологических схем следующих критериев эффективности: коэффициента системного использования (КСИ) и коэффициента полезного использования (КПИ) [4,94,95]. Для решения задачи необходимо предварительно принять следующее условие. Любой из элементов схемы рассматривать относительно других элементов, как объект в составе системы. Аналогично должна рассматриваться любая БТТС относительно других БТТС производства.
Используем для объяснения смысла предлагаемых критериев эффективности пример, представленный на рис.4.2.
Балансовая теплотехнологическая схема для нагрева технологического продукта состоит из четырех взаимосвязанных элементов (объектов). Примем, что из всех выходящих из схемы потоков эксергии полезно используется в технологии только эксергия потока технологического продукта «3». Остальные выходящие потоки «9», «6» и «12» бесполезно теряются в окружающую среду.
В зависимости от используемого способа определения КПД, потери в каждом объекте определяются либо относительно подведенной к объекту эксергии, либо относительно переданной в объекте эксергии (см.гл.1). Для объекта №1 (см.рис.4.2) КПД относительно подведенной эксергии определяется по формуле: где IE =(Е(1) + Е(8)) - подведенная к объекту эксергия (затраты);IE =(Е(2) + Е(9)) - отведенная из объекта эксергия (эффект); ID- потери эксергии в объекте.КПД относительно переданной эксергии определяется по формуле: Здесь, ДЕ =(Е(8)-Е(9))- переданная в объекте эксергия (затраты);X АЕ = (Е(2) - Е(1))- воспринятая в объекте эксергия (эффект).
Непосредственно из формул (4.1) и (4.2) определить эффективность использования в системе подведенной или переданной в объекте эксергии нельзя, так как в них не содержится необходимой для этого информации.
Применение КСИ позволяет определить долю использования в системе подведенной к объекту эксергии. Для объекта №1(см.рис.4.2):где Е =(Е(2) + Е(9)) - отведенная из объекта эксергия; Е =(Е(1) + Е(8)) -подведенная к объекту эксергия; D . потери эксергии в объекте; ЕЕС5р =Е(9) потери эксергии с отведенными из объекта потоками вещества.
КСИ объекта будет максимальным, когда вся отводимая от объекта эксергия будет использоваться в системе.Разница между КПД и КСИ, определенным по выражениям (4.1) и (4.3), показывает долю потерь подведенной к объекту эксергии с отводимыми потоками. Для элемента №1(см.рис.4.2):
Теряемая с отводимыми потоками эксергия является вторичным энергоресурсом и в последующем может быть использована при разработке энергосберегающих мероприятий.Применение КПИ позволяет определить долю полезного использования в системе переданной в объекте эксергии и оценить целесообразность применения
