Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса 10
1.1. Повышение эффективности энергоиспользования в совместном производстве этилена и пропилена 10
1.2. Анализ структуры внутренних и внешних связей теплотехнологических схем 15
1.3. Исследование термодинамического совершенства промышленных и энергетических систем 17
1.4. Выводы 22
Глава 2. Теплотехнологическая схема пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена 24
2.1. Основные сведения о свойствах низших олефинов, технологии пиролиза 24
2.2. Характеристика стадии пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена 26
Глава 3. Анализ структуры связей теплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена 43
3.1. Постановка задачи 43
3.2. Блок-схема программы для проведения анализа структуры внутренних и внешних связей теплотехнологических схем 53
3.3. Результаты проведения анализа структуры связей теплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена 60
3.4 Выводы 68
Глава 4. Тепловой и термодинамический анализ и оценка эффективности теплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена 70
4.1. Постановка задачи 70
4.2. Методика проведения теплового и термодинамического анализа и расчета тепловой и термодинамической эффективности 70
4.3. Информационная часть термодинамического анализа 76
4.4. Оценка тепловой и термодинамической эффективности теплотехнологическои схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена 85
4.5. Анализ результатов расчета термодинамической эффективности 110
4.6. Выводы 116
Глава 5. Организация системы утилизации ВЭР на базе энерготехнологической комбинированной системы стадии пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена 120
5.1. Постановка задачи 120
5.2. Структура комбинированного использования ВЭР для теплотехнологическои схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена 122
5.3 Использование пароструйных компрессоров в утилизационной системе на базе ЭТКС 126
5.4 Расчет абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машины в утилизационной системе на базе ЭТКС 139
5.5. Оценка эффективности разработанного энерготехнологического комплекса для стадии пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена 144
5.6. Выводы 148
Заключение 150
Список литературы 155
- Анализ структуры внутренних и внешних связей теплотехнологических схем
- Характеристика стадии пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена
- Блок-схема программы для проведения анализа структуры внутренних и внешних связей теплотехнологических схем
- Методика проведения теплового и термодинамического анализа и расчета тепловой и термодинамической эффективности
Введение к работе
Актуальность темы
Предприятия нефтехимической отрасли относятся к числу наиболее крупных потребителей топливно-энергетических ресурсов. На предприятиях нефтехимии ежегодно расходуется около 30 млн. т. условного топлива и 650 млн. ГДж теплоты. По уровню потребления тепловой энергии она занимает первое место, по затратам натурального топлива - пятое место, по затратам электрической энергии — третье место среди других отраслей промышленности.
Одним из крупнейших предприятий нефтехимической промышленности Татарстана и России, производящим ежегодно более 1 млн. тонн химической продукции, является Акционерное общество «Казаньоргсинтез». ОАО «Казаньоргсинтез» сохраняет лидирующее положение в России среди производителей полиэтилена низкого и высокого давления (ПВД и ПНД) и является его крупнейшим экспортером. Удельный вес ПВД и ПНД в товарной продукции предприятия составляет 60%. Исходным сырьем для производства полиэтилена служит этилен - один из целевых продуктов олефинового производства, осуществляемого на первом в технологической цепочке ОАО «Казаньоргсинтез» заводе «Этилен». Наиболее топливо- и энергоемким участком теплотехнологической схемы производства низших олефинов, таких как этилен, пропилен, бутен, бутан, бутадиен, и ряда ароматических углеводородов, является участок пиролиза или термического разложения углеводородного сырья. Показатели норм расхода энергетических ресурсов ОАО «Казаньоргсинтез» для выработки этилена в 2003 году составили 700 тыс. Гкал/год теплоты в виде водяного пара, 400 тыс. Гкал/год холода, 280 тыс. МВт-ч/год электроэнергии. Энергопотребление рассматриваемой стадии пиролиза одной из технологических линий при производстве низших олефинов - 200 тыс. Гкал/год теплоты, 95 тыс. Гкал/год холода, 65 тыс. МВт*ч/год
5 электроэнергии. Кроме того, стадия пиролиза углеводородного сырья характеризуется значительным выходом тепловых высокопотенциальных, тепловых низкопотенциальных и горючих вторичных энергетических ресурсов.
В последнее время на мировом рынке наблюдается тенденция роста спроса на этилен и пропилен. На ОАО «Казаньоргсинтез» в 2003 году общая мощность производства этилена составила 334 тыс. тонн в год. Достигнутая производственная мощность по этилену рассматриваемой стадии пиролиза составила 78 тыс. тонн в год, по пропилену - 39,6 тыс. тонн в год. Рост объемов производства этилена по сравнению с предыдущим годом - 11,3%. Кроме того, в результате осуществляемой модернизации и расширения производства планируется увеличить выпуск этилена с 334 тыс. тонн до 600 тыс. тонн в год и нарастить производство полиэтилена различных марок до 700 тыс. тонн в год. Реконструкция завода «Этилен» позволит вывести "Казаньоргсинтез" в лидеры этиленового рынка стран СНГ. Как следствие, наблюдается рост темпов потребления топлива, тепловой и электрической энергии в производстве низших олефинов. В данных условиях проблема повышения эффективности использования всех видов энергии в совместном производстве низших олефинов (этилена и пропилена) становится все более актуальной.
При значительной энергоемкости теплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена нужно отметить недостаточно эффективное использование образующихся на предприятии вторичных энергетических ресурсов (БЭР). В производстве этилена и ряда других продуктов олефинового производства теряется значительное количество теплоты уходящих из печей пиролиза дымовых газов, продуктовых потоков, охлаждающей воды. К вторичным энергоресурсам рассматриваемого производства также можно отнести теплоту продуктов реакции (пирогаза, паров верхнего продукта колонн), теплоту образующегося конденсата, теплоту, отводимую в системах принудительного охлаждения (теплоту циркуляционной воды скрубберов).
Наиболее перспективным направлением энергосбережения в нефтехимической промышленности на сегодняшний день считается создание энерготехнологических комплексов, в которых топливно-энергетические ресурсы используются с наибольшей эффективностью [1-5]. Применение принципов энерготехнологического комбинирования стало обязательным условием проектирования новых нефтехимических производств. На действующих предприятиях по производству низших олефинов, где уже сформировалась своя тешютехнологическая структура, принцип энерготехнологического комбинирования в полной мере реализован быть не может, но возможно его частичное использование через организацию систем утилизации неиспользуемых на предприятии вторичных энергоресурсов на базе энерготехнологических комбинированных систем.
Теплотехнологические схемы пиролиза в совместном производстве низших олефинов (этилена и пропилена) представляют собой сложные объединения, состоящие из множества различных взаимозависимых элементов, различающихся по назначению, конструкции, по структуре включения в технологическую линию с учетом взаимодействия с системами энергообеспечения. Работа каждого аппарата влияет на графики энергопотребления и выхода вторичных ресурсов в той технологической линии, к которой относится данный элемент. Оценить эффективность работы такой системы возможно на основе системного анализа теплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве низших олефинов (этилена и пропилена), включающего анализ структуры внутренних и внешних связей рассматриваемого объекта, а также тепловой и термодинамический анализ.
Анализа структуры связей теплотехнологической схемы пиролиза в производстве этилена и пропилена заключается в выявлении зависимостей между элементами схемы, выделении замкнутых последовательностей
7 элементов и определении оптимальной последовательности ее расчета. Термодинамический анализ, основанный на применении эксергетического метода, позволяет оценить степень термодинамического совершенства исследуемой системы, выявить потери от необратимости для всей системы и элементов, произвести оценку эффективности элементов в составе системы, определить величину технически работоспособной энергии.
Системный анализ позволяет оценить резервы энергосбережения и выявить оптимальный вариант повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в теплотехнологическои схеме пиролиза при производстве этилена и пропилена.
Следовательно, целью работы является организация системы комплексной утилизации вторичных энергетических ресурсов для теплотехнологическои схемы пиролиза в совместном производстве низших олефинов (этилена и пропилена) на базе комбинированных энерготехнологических систем.
Научная новизна состоит в следующем:
На основе методов математического моделирования проведен анализ структуры внутренних и внешних связей исследуемого объекта -теплотехнологическои схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена.
В результате проведения системного анализа, декомпозиции и синтеза теплотехнологическои схемы исследуемого объекта получена расчетная модель теплотехнологическои схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена.
Проведен анализ тепловой и термодинамической эффективности рассматриваемой теплотехнологическои схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена.
Предложены принципиальные схемные решения по организации новой системы утилизации вторичных энергетических ресурсов в рамках энерготехнологической комбинированной системы стадии пиролиза в
8 совместном производстве этилена и пропилена, обеспечивающей выработку технологической продукции и энергоносителей в виде пара промышленных параметров, горячей воды и холода требуемых параметров на основе применения пароструйных компрессоров и абсорбционных холодильных машин.
Достоверность
Достоверность представленных положений, предложенных решений обеспечивается применением современных методов структурного и термодинамического анализа, фундаментальных законов технической термодинамики, гидрогазодинамики, теплообмена, апробированных методик расчета теплообменного оборудования, оборудования нефтехимических производств, пароструйных компрессоров, абсорбционных холодильных машин, технологического комбинированных систем по отпуску технологической и энергетической продукции. Полученные результаты подтверждаются результатами натурного эксперимента, проводимого с применением установленного на предприятии контрольно-измерительного оборудования, прошедшего государственные испытания и аттестацию.
Практическая ценность
Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что разработанные в диссертационной работе положения и реализованные программы могут быть использованы при проектировании новых и усовершенствовании уже действующих теплотехнологических схем нефтехимических производств, в частности, теплотехнологических схем пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена. Результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы к применению при организации энерготехнологических комплексов на предприятиях нефтехимической промышленности.
Личное участие
Основные результаты работы получены автором лично под руководством член-корр. РАН, д.т.н. Назмеева Ю.Г.
9 Апробация работы
Основные положения диссертационной работы были доложены на следующих научно-технических конференциях:
Аспирантеко-магистерский научный семинар КГЭУ, Казань, март 2000 г.;
Всероссийская школа-семинар молодых ученых и специалистов «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, 2 — 4 октября 2002 г.;
Аспирантско-магистерский научный семинар КГЭУ, Казань, март 2003 г.;
III Международная конференция «Проблемы промышленной теплотехники», Киев, Украина, 29 сентября - 4 октября 2003 г.;
IV Международный Симпозиум «Ресурсоэффективность и энергосбережение в современных условиях хозяйствования», Казань, 18-20 декабря 2003 г,;
Аспирантско-магистерский научный семинар КГЭУ, Казань, 6-8 апреля 2004 г.;
IV Школа-семинар молодых ученых и специалистов «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», 28 - 29 сентября 2004 г.; V Международный Симпозиум «Ресурсоэффективность. Энергосбережение», Казань, 1 -3 декабря 2004 г.;
Итоговая научная конференция 2004 года Казанского научного центра Российской академии наук, Казань, 8-16 февраля 2005 г.;
Одиннадцатая ежегодная международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 1-2 марта 2005 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Анализ структуры внутренних и внешних связей теплотехнологических схем
Основная задача анализа структуры внутренних и внешних связей (структурного анализа) теплотехнологическои схемы пиролиза в производстве низших олефинов состоит в установлении взаимозависимостей между элементами внутри теплотехнологическои 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]. Однако вопрос анализа структуры связей для теплотехнологических схем производств этилена и пропиленаов не рассматривался [21, 34, 71, 72, 75]. Проведение же анализа структуры связей теплотехнологическои схемы пиролиза в совместном производстве низших олефинов (этилена и пропилена) позволит выявить зависимости между элементами схемы, выделить замкнутые последовательности элементов и определить оптимальную последовательность ее расчета.
Построение информационной блок-схемы (ИБС), графически отображающей топологию теплотехнологическои схемы участка пиролиза 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.
Представление ИБС в цифровой форме - реализация второй стадии структурного анализа теплотехнологическои схемы стадии пиролиза. 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 [53]. Матрица смежности позволяет проанализировать ИБС стадии пиролиза в производстве низших олефинов на предмет выявления разомкнутых последовательностей информационных блоков.
Следующий этап анализа структуры связей теплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена- это определение связей между информационными блоками. Для этой цели используется метод, основанный на анализе матриц смежности [53]. Для идентификации контуров используется следующее правило: элемент (i, j) произведения двух матриц А и В, есть XaikDkj гДе aik и Dkj элементы матриц А и В соответственно. Арифметика при перемножении матриц используется булева, то есть: 0+0=0; 0+1=1; 1+1=1; 0-0=0; 0-1=0; 1-1=1. Умноженная сама на себя k-раз, по правилам булевой алгебры сокращенная матрица смежности показывает связи, которые проходят из любого информационного блока к любому другому информационному блоку через к потоков. Если имеется контур, то в какой-то степени перемножения блок свяжется сам с собой (в матрице на его диагонали появится единица). Для определения минимального количества потоков, условный разрыв которых позволит провести расчет теплотехнологической схемы стадии пиролиза, применяется метод, использующий матрицу цикла. [53]. В матрице цикла ранг контура показывает число потоков в контуре, а частота потока сколько раз данный поток появляется в различных контурах. Минимальное число потоков, которые нужно разорвать определяется при предположении, что поток "і" включается в поток "j" если каждый контур, в который входит поток "і" содержит также и поток "j". Минимальное количество разрываемых потоков можно получить, если в первую очередь разорвать поток, имеющий максимальную частоту, а затем потоки, имеющие минимальный ранг и максимальную частоту. Таким образом, структурный анализ позволяет провести декомпозицию на отдельные контуры и свести расчет ИБС теплотехнологической схемы участка пиролиза в производстве этилена, пропилена и ряда других низших олефинов к расчету систем балансовых уравнений отдельных контуров.
Эксергетический метод термодинамического анализа позволяет проанализировать и оценить степень термодинамического совершенства системы и определить потери от необратимости для теплотехнологической схемы пиролиза в производстве низших олефинов в целом и для каждого из ее элементов в отдельности.
Значимость и практическая ценность эксергетического метода для анализа эффективности различных процессов отражена в работах [71-131]. Многие из этих работ посвящены практическому приложению эксергетического метода термодинамического анализа [73-76,79-84,86,91-95,103,106,108-109,111-116,119]. Особое внимание в эксергетическом методе уделено вопросам определения эксергетического КПД и установлению зависимостей между эксергетическим КПД системы и составляющих ее элементов [71,77,90,103,123-125].
Основные положения эксергетического метода термодинамического анализа подробно изложены в работах А.И. Андрющенко, В.М. Бродянского, Д.П. Гохштейна, Я. Шаргута, Р. Петеллы, М.В. Сорина, B.C. Степанова и др. [75,78,85,87,88,98,101,107,128-131]. Эксергетический метод термодинамического анализа в последние годы находит широкое применение, но в отношении процесса пиролиза в производстве низших олефинов рассмотрен не был.
Общая форма записи эксергетического баланса для стационарного процесса, имеет следующий вид [4,85,87,88]:
Характеристика стадии пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена
Стадия пиролиза и последующего компримирования пиролизного газа включает в себя следующие процессы: подготовку углеводородного сырья к пиролизу (испарение и подогрев углеводородного сырья); непосредственно пиролиз углеводородных газов; подготовку пирогаза к компримированию (отмывку пирогаза от смолы и кокса); отстой, охлаждение и отпаривание подсмольной воды; компримирование пирогаза; выделение тяжелых углеводородов из пирогаза и осушку пирогаза. Цех пиролиза и компримирования входит в состав группы цехов производства этилена и пропилена завода «ЭТИЛЕН» ОАО «КАЗАНЬОРГСИНТЕЗ». Цех пиролиза и компримирования производства этилена и пропилена введен в эксплуатацию в 1964 году. Проектная мощность цеха по этилену составляет 62,4 тыс.т/год, достигнутая мощность - 78,0 тыс.т/год. Принципиальная теплотехнологическая схема пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена представлена на рис. 2Л. Обозначения элементов схемы приведены в табл. 2.3. Рассмотрим основные этапы производства. Подготовка углеводородного сырья. Пропан-бутановая фракция (ПБФ) с давлением не более 2 МПа подается в сепаратор 1, откуда поступает в трубное пространство испарителей 2, где испаряется за счет теплоты конденсации водяного пара, подаваемого в межтрубное пространство испарителей. Предусмотрен прием в качестве сырья этановой фракции. В испарителях 2 сырье испаряется за счет теплоты конденсации водяного пара, подаваемого с коллектора пара 0,6 МПа. Паровой конденсат из испарителей 2 поступает в емкость 3.
В емкость 3 принимается паровой конденсат из испарителей 2, аппарата 32 и из отделения КТФ (конденсации тяжелых фракций), откуда насосом 4 откачивается в заводской конденсатопровод (ЗКП). Газообразное сырье проходит сепаратор 1 и поступает в подогреватель 5, где подогревается до температуры 60 - 80 С паром давления 0,6 МПа. Паровой конденсат из подогревателя 5 поступает в отделение КТФ. Газообразное сырье после подогревателя 5 поступает в сырьевой коллектор печей пиролиза 6. Непосредственно процесс пиролиза углеводородных газов осуществляется в двухпоточных трубчатых печах градиентного типа с панельными и акустическими горелками. В качестве топливного газа используется метано-водородная фракция (МВФ), поступающая после регенерации осушителей пирогаза. Линия топливного газа подключена в общезаводскую топливную сеть. Дымовые газы удаляются через котлы-утилизаторы 7 дымососами с выбросом в дымовую трубу. При пиролизе происходят реакции, которые можно разделить на три основные группы; 1. реакции деструкции, идущие с образованием непредельных углеводородов; 2. реакции конденсации и полимеризации, ведущие к смоло- и коксообразованию; 3. реакции прямого молекулярного распада с образованием сажи и водорода. Газообразное углеводородное сырье с температурой 60 - 80 С поступает на сырьевые гребенки печей пиролиза 6 и двумя потоками идет в змеевик конвекционной секции печи, где подогревается до температуры 450 - 650 С, затем переходит в радиантную секцию, где при температуре 760 -840 С происходит процесс пиролиза. С целью уменьшения образования кокса и выхода побочных продуктов в сырье подается водяной пар. Газ пиролиза на выходе из печей 6 с температурой 760 - 840 С поступает в закалочные аппараты 11, где для прекращения реакции пиролиза температура его снижается до 440 — 450 С. Охлаждение пирогаза в закалочных аппаратах 11 производится циркуляционной водой, подаваемой из емкости 17 через воздушные холодильники 19. Из закалочных аппаратов 11 пирогаз поступает на отмывку в пенные аппараты 12, Метано-водородная фракция перед поступлением в форсунки печей подогревается в теплообменнике 10 паром 0,6 МПа. Дымовые газы после печей пиролиза с температурой 280 - 380 С поступают в котлы-утилизаторы 7. В аппаратах 7 теплота дымовых газов используется для получения пара с давлением 1,0 МПа, который используется в отделении пиролиза на технологические нужды. В котлы-утилизаторы 7 подается обессоленная вода. Дымовые газы из котлов-утилизаторов 7 с температурой 260 - 320 С отводятся дымососами в дымовую трубу и выбрасываются в атмосферу.
Блок-схема программы для проведения анализа структуры внутренних и внешних связей теплотехнологических схем
Алгоритм решения поставленных задач реализован при помощи прикладной программы, составленной на языке программирования СИ. 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 анализа структуры связей тешютехнологических схем приведена на рис. 3.2. Ниже приводятся пояснения к основным операциям, реализуемым в программе.
В блоках 1-4 вводятся исходные данные в виде сокращенной матрицы смежности A(ij) и максимальной степени перемножения Р сокращенной матрицы смежности; идентифицируются имеющиеся контуры. Матрица смежности для ИБС стадии пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена представлена в табл. 3.3. С целью выявления разомкнутых последовательностей информационных блоков (или элементов схемы) осуществляется сокращение матрицы смежности, а именно удаление строк и столбцов, содержащих только нули. Сокращенная матрица смежности для ИБС отображена в табл, 3.4.
В блоке 2 формируется первый элемент списка диагоналей при степени перемножения к=1, в который заносятся все элементы (блоки) 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 списки элементов 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 и 6 формируются матрица циклов и сокращенная матрица циклов (содержит только разрываемые потоки) и осуществляется вывод полученных результатов на экран и в файл. Сокращенная матрица циклов для ИБС стадии пиролиза приведена в табл. 3,5,
При проведении анализа структуры внутренних и внешних связей теплотехнологическои схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена с использованием разработанной прикладной программы были получены следующие результаты.
Определена необходимая для полной идентификации контуров степень перемножения сокращенной матрицы смежности Р=30. Определено количество контуров в ИБС стадии пиролиза - 254. Контуры представлены на рис. 3.3. Выявлено минимальное количество условно разрываемых потоков, позволяющих полностью выполнить расчет ИБС - 30. Условно разрываемые потоки на рис. 3.3 выделены жирной линией и представлены в виде сокращенной матрицы циклов в табл. 3.5. Табл. 3.5. дает наглядное представление о том, какие контуры возможно рассчитать при разрыве каждого из условно разрываемых потоков.
Условно разрываемые потоки в ИБС стадии пиролиза (используется следующее обозначение: номер потока - номер выходного блока / номер входного блока): 1 - 1/2, 3 - 64/65, 5 - 66767, 7 - 75/81, 9 - 76/82, 12 - 84/83, 13 - 16/17, 18 - 16/20, 20 - 93/23, 21 - 23/24, 22 - 24/16, 23 - 75/76, 28 - 83/85, 34 - 22/26, 39 - 14/122, 40 - 122/27, 41 - 27/31, 51 - 27/28, 59 - 38/39, 72 -50/118,73-118/119,74- 119/120,75- 120/84,78-122/38,81 -12/121,90-50/52, 100- 11/12, 108-13/15, 110-121/13, 111 -31/93. Разрываемые потоки выбирались с таким расчетом, чтобы в одном контуре их количество было минимальным.
Максимальный ранг контуров равен 30 в соответствии с максимальной степенью перемножения матрицы смежности. Количество контуров каждого ранга в порядке возрастания приводится ниже.
В результате проведения анализа структуры связей ИБС стадии пиролиза и компримирования выявлен 6 контуров второго ранга, 4 контура пятого ранга, 1 контур шестого ранга, 1 контур седьмого ранга; 4 контура восьмого ранга, 3 контура девятого ранга, 7 контуров десятого ранга, 46 контуров одиннадцатого ранга, 3 контура двенадцатого ранга, 4 контура тринадцатого ранга, 8 контуров четырнадцатого ранга, 7 контуров пятнадцатого ранга, 9 контуров шестнадцатого ранга, 8 контуров семнадцатого ранга, 11 контуров восемнадцатого ранга, 11 контуров девятнадцатого ранга, 11 контуров двадцатого ранга, 15 контуров двадцать первого ранга, 10 контуров двадцать второго ранга, 12 контуров двадцать третьего ранга, 13 контуров двадцать четвертого ранга, 19 контуров двадцать пятого ранга, 16 контуров двадцать шестого ранга, 17 контуров двадцать седьмого ранга, 17 контуров двадцать восьмого ранга, 19 контуров двадцать девятого ранга, 15 контуров тридцатого ранга. Информация о поэлементном составе и ранге каждого контура представлена в табл. 3.6.
Из рис. 3.3 видно, что контуры в ИБС по оказываемому друг на друга взаимному влиянию можно разделить на две отдельные системы. Система б) образована блоками 1 и 2. Система а) - остальными блоками, образующими контуры, а именно блоками 6, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19,20,21,22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 108, 109, 110, 111, 112, ИЗ, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124, 125, 126. Первая система а) объединяет в себе несколько контуров (253).
Методика проведения теплового и термодинамического анализа и расчета тепловой и термодинамической эффективности
Методика проведения анализа и оценки тепловой и термодинамической эффективности теплотехнологических схем составлена в соответствии с эксергетическим методом термодинамического анализа, основные положения которого изложены в главе 1. Алгоритм методики представлен на рис. 4.1. Елок L Сбор и обработка первичной информации, ее представление в виде расчетной балансовой теплотехнологической схемы (БТТС) с наложенными ограничениями и допущениями. Для сложных схем в целях упрощения исходной технологической системы проводится декомпозиция структуры БТТС по слабым связям на отдельные блоки или участки. Блок II. Определение действительных значений тепловой мощности потоков энергии и вещества на входе и выходе элементов БТТС, составление материальных и тепловых балансов, определение теплового КПД и потерь теплоты для каждого элемента и схемы в целом. Блок III. Определение действительных значений эксергетическои мощности потоков энергии и вещества на входе и выходе элементов БТТС, составление эксергетических балансов, определение эксергетического КПД и потерь эксергии для каждого элемента и схемы в целом. Блок IV. Проведение анализа и оценка термодинамической эффективности БТТС, ее элементов, оценка резервов энергосбережения БТТС. Разработка конкретных энергосберегающих 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). 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, Рассматривается один из блоков исследуемой балансовой теплотехнологической схемы стадии пиролиза в производстве этилена и пропилена, а именно участок испарения и подогрева сырья. Балансовая теплотехнологическая схема участка испарения и подогрева исходного сырья состоит из нескольких взаимосвязанных элементов (объектов).
Сырье (пропан-бутановая и этановая фракции) (потоки 1 и 2) подается в сепаратор, откуда поступает в испаритель 1 (поток 3), где испаряется за счет теплоты конденсации водяного пара (поток 5). Паровой конденсат (поток 6) из испарителей 1 поступает в емкость, куда также направляется паровой конденсат с других участков схемы (потоки 7 и 8). Паровой конденсат насосом откачивается в заводской конденсатопровод (поток 10). Газообразное сырье (поток 4) проходит сепаратор и поступает в подогреватель 2 (поток 11), где подогревается паром (поток 12). Паровой конденсат из подогревателя 2 поступает на следующую стадию производства (потоки 13, 259). Газообразное сырье после подогревателя 2 направляется на пиролиз (поток 14). Из всех выходящих из схемы потоков эксергии полезно используется в технологии эксергия потоков «14» и «259». Выходящий поток «10» (сумма потоков 6, 7 и 8) бесполезно теряется. В зависимости от используемого способа определения КПД, потери в каждом объекте определяются либо относительно подведенной к объекту эксергии, либо относительно переданной в объекте эксергии. Для объекта №1 (испарителя) (см. рис. 4.2) КПД относительно подведенной эксергии определяется по формуле: Здесь XАЕ = (Е(5) - Е(6)) - переданная в объекте эксергия (затраты); АЕ = (Е(4) - Е(3)) - 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(4) + Е(6)) - отведенная из объекта эксергия; Е = (Е(3) + Е(5)) - подведенная к объекту эксергия; D - потери эксергии в объекте; Ес6р=Е(6) - потери эксергии с отведенными из объекта потоками вещества. КСИ объекта будет максимальным, когда вся отводимая от объекта эксергия будет использоваться в системе.
