КОМПЛЕКСА СОВМЕСТНОГО ПРОИЗВОДСТВА

На правах рукописи

 

 

Соколов Алексей Федорович

 

 

РАЗРАБОТКА ТЕПЛОЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

КОМПЛЕКСА СОВМЕСТНОГО ПРОИЗВОДСТВА

АММИАКА, МЕТАНОЛА И ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ

 

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

 

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

Череповец - 2003

Работа выполнена в Череповецком Государственном Университете (ЧГУ)

 

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор, заслуженный химик РФ Аншелес Валерий Рудольфович

Научный консультант – кандидат химических наук, доцент Галанов Марк Эммануилович

Официальные оппоненты – Доктор технических наук, профессор, действительный член МААНОИ и МАНЭБ Осипов… Кандидат технических наук Андреев Александр Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Важным обобщающим показателем эффективности экономики страны является… Одним из существенных методов снижения энергопотребления является создание комплексных теплоэнерготехнологических схем…

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

Глава 1. Аналитический обзор и задачи исследования. Приведена характеристика энергопотребления производств аммиака и указаны причины их повышенной энергоемкости. Главной из них является повышенный расход природного газа (основного и самого дорогого сырья) на единицу продукции. Кроме того, большое количество низкопотенциального пара не используется, а выбрасывается в атмосферу. Одним из способов снижения энергоемкости является создание теплоэнерготехнологического комплекса производства аммиака, метанола и энергоносителей на базе действующего агрегата аммиака. Структурная схема комплексного производства приведена на рис. 1, где пунктирными линиями указаны новые (проектируемые) стадии производства.

Как видно из схемы, в комплексном производстве тесно взаимосвязаны процессы выработки и потребления энергоносителей (водяной пар различного давления и электроэнергия) и получения целевых продуктов. Энергоносители вырабатываются как за счет утилизации тепла реакций, так и из природного газа, который является и основным сырьем для получения продукции. Водяной пар используется для привода турбин, обеспечивая возможность протекания физико-химических процессов и сам в свою очередь является реагентом.

 

Проанализированы способы комплексного производства и организации теплообмена при получении метанола. Указаны недостатки существующих схем их реализации. Исходя из принципа построения энергосберегающих технологий при переходе от производства аммиака к комплексному производству должен выполняться ряд требований:

1) минимальное количество дополнительных тепло- и хладоагентов;

2) максимально полная утилизация тепла химических реакций;

3) минимальное дополнительное количество природного газа и электроэнергии.

Для достижения этих требований в диссертации предложен ряд решений по снижению энергопотребления и организации теплообмена, которые обсуждаются в Главе 4.

Обоснование инновационного проекта комплексного производства и предлагаемых решений должно быть подтверждено результатами расчетов тепловых и материальных балансов, выполненных путем математического моделирования с применением ЭВМ и современных вычислительных программных пакетов.

В связи с этим изложены основные концептуальные положения математического моделирования химико-теплоэнергетических систем. Критически оценен имеющийся опыт моделирования производств аммиака и метанола: созданные модели ориентированы на отдельные производства, описывают в основном физико-химические процессы и не включают экономических расчетов.

Для решения указанных проблем поставлены задачи исследования:

1) разработка концептуальной модели теплоэнерготехнологического комплекса производства аммиака, метанола и теплоносителей;

2) формализация концептуальной модели;

3) алгоритмизация расчетов по формализованной математической модели;

4) реализация алгоритмов на ЭВМ с использованием современных вычислительных комплексов;

5) проведение на основе разработанной модели численных экспериментов с получением некоторого массива данных и их анализ;

6) подтверждение с помощью расчетов по модели предложенных технических решений, обеспечивающих снижение энергопотребления в комплексном производстве.

Объектом исследования является теплоэнерготехнологический комплекс производства аммиака, метанола и теплоносителей на базе агрегата АМ-76 (ОАО ''Череповецкий ''Азот'')

 

Глава 2. Методические научные основы построения математической модели теплоэнерготехнологического комплекса.Определены цель моделирования и тип разрабатываемой концептуальной модели. Конкретной целью моделирования исследуемого объекта является определение (расчет) значений выбранных показателей энергетической и экономической эффективности для различных энерготехнологических и теплотехнических вариантов реализации рассматриваемого комплексного производства.

Разрабатываемая модель исследуемого объекта является балансовой, детерминированной, статической и удовлетворяет принципу информационной достаточности. Модель обеспечивает:

1) ввод исходных данных;

2) расчет процессов теплообмена и других физико-химических процессов на различных стадиях производства;

3) расчет баланса выработки и потребления энергоносителей разного уровня;

4) расчет тепловых и материальных балансов выбранных стадий производства;

5) поверочный расчет нового теплообменного оборудования;

6) вывод выбранных показателей процесса;

7) расчет экономических показателей.

Проведена декомпозиция объекта исследования. Структура исследуемого объекта представлена в виде системы относительно независимых подсистем. Каждая стадия производства рассматривается как отдельная подсистема, которой физически соответствует реальный аппарат (или несколько аппаратов), а математически – отдельный расчетный блок. Таким образом получена ''горизонтальная'' структура модели, представленная на рис.2, где приняты следующие обозначения: V – объемный расход, G – массовый расход, N_i – состав потока, t – температура, Р – давление, N – мощность. В штриховых прямоугольниках указаны параметры, которые должны быть заданы, остальные параметры являются расчетными. На схеме также указаны точки ''разрыва'' замкнутых рециркулирующих потоков.

Данная структурная схема является ''ядром'' модели, на ней указаны лишь основные расчетные блоки и связи между ними. Также проведен еще ряд поверочных расчетов с целью определения существенности влияния того или иного физико-химического процесса (например, растворение газов), расчеты аппаратов на прочность и др.

Детализация каждой подсистемы производилась до такого уровня, чтобы для каждого элемента были известны все параметры, которые обеспечивают определение интересующих исследователя характеристик системы; остальные параметры по возможности были исключены из модели.

 

При детализации каждой подсистемы и всей системы в целом возникла ''вертикальная'' структура модели, иерархические уровни которой показаны на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема построения модели ''по вертикали''.

 

Далее глава посвящена формализации объекта исследования.

Зависимости свойств веществ и их смесей (газов, жидкостей, твердых тел) от различных параметров представлены в виде уравнений:

y = f(x₁, x₂, x₃, …) (1)

где y - какое-либо свойство (вязкость, теплопроводность и т.д.), x_i - параметры состояния (давление, температура и т.д.).

Влияние давления на свойства газов оценено с помощью уравнения Ли-Кеслера. Свойства газовых смесей вычислены с помощью методов Джосси-Стила-Тодоса, Линдсея-Бромли и правила Вильке.

Равновесие реакций выражается через константу равновесия К_р:

(2)

где р - парциальные давления.

Для учета недостижения равновесия использован метод приближения к равновесию по температуре.

Процессы конденсации описаны с помощью уравнения:

y_i×F_i×P = g_i×x_i×P_нас,i×F_s,i×П_i (3)

где y - мольная доля компонента в газовой фазе, рассчитанная для нормальных условий; F - коэффициент фугитивности компонента в газовой смеси; Р – общее давление в системе; g - коэффициент активности компонента в жидкой фазе; x – мольная доля компонента в жидкой фазе; Р_нас – давление насыщенных паров компонента при заданной температуре без учета влияния давления; F_s - коэффициент фугитивности жидкости; П – поправка Пойнтинга, учитывающая влияние давления на объем сконденсировавшейся жидкости.

Процессы теплопередачи рассчитывали по уравнениям:

Q = K×F×Dt_ср (4)

(5)

Коэффициенты теплоотдачи a₁, a₂ определялись по известным критериальным уравнениям.

При поверочных расчетах теплообменной аппаратуры приняты следующие допущения:

- теплообменник работает в стационарном режиме;

- коэффициент теплопередачи постоянен по всей поверх­ности;

- потери теплоты в окружающую среду или приток теп­лоты из среды пренебрежимо малы;

- продольным тепловым потоком можно пренебречь;

- схема движения потоков представляет собой либо чи­стый прямоток, либо чистый противоток;

- термические сопротивления отложений равны нулю.

В диссертационной работе разработана модель реактора, основанная на законах Ньютона-Рихмана и Фурье и кинетических данных и представляющая собой следующую систему уравнений:

 

dn₁ = r₁×dv (6)

dn₂ = r₂×dv (7)

N×c_p×dT = (Q₁× dn₁ – Q₂× dn₂) - a_г×dF_ст,вн×(T_г – Т_ст,вн) (8)

a_г×dF_ст,вн×(T_г – Т_ст,вн) = (9)

= a_в×dF_ст,н×(T_ст,н – Т_в) (10)

где dn₁ и dn₂ – соответственно количества метанола и СО₂, образовавшиеся в результате реакций, моль; – количество, dv – объем слоя, м³; r₁ и r₂ – скорости реакций, моль/с; N – количество моль газовой смеси на входе в слой; с_р – теплоемкость газовой смеси, Дж/(моль×К); dТ – изменение температуры в слое, К; Q₁ и Q₂ – тепловые эффекты реакций, Дж/моль; a_г – коэффициент теплоотдачи от газовой смеси к стенке трубы, Вт/(м²×К); a_в – коэффициент теплоотдачи от кипящей воды к стенке трубы, Вт/(м²×К); l_ст - коэффициент теплопроводности материала труб, Вт/(м×К); d_ст – толщина стенки, м; dF_ст,вн, dF_ст,н – внутренняя и наружная поверхности элемента трубы, соответствующего слою катализатора, м²; dl – высота элемента трубы, м; R_н и R_вн – наружный и внутренний радиусы трубы, м; Т_г – температура газовой смеси на входе в слой, К; Т_ст,вн и Т_ст,н – температуры внутренней и наружной стенок трубы, К; Т_в – температура воды, кипящей в межтрубном пространстве, К.

Уравнения (6,7) описывают материальный баланс в слое катализатора, уравнение (8) – тепловой баланс в слое, уравнения (9,10) - перенос тепла от газовой смеси к кипящей в межтрубном пространстве воде.

Далее в диссертации рассмотрены тепловые и материальные балансы на каждой стадии производства. Из балансов определяется выработка пара различного давления за счет тепла реакций и путем сжигания природного газа, потребление пара для привода турбин и проведения химических реакций, расход сырья и количество полученной продукции.

Затем в соответствии со схемой на рис. 3 производится выборка существенных показателей процесса, основные из которых следующие:

1) потребление природного газа на производство;

2) потребление природного газа для выработки пара высокого давления во вспомогательном котле;

3) расход электроэнергии в контуре метанола;

4) выработка пара среднего давления в реакторе метанола;

5) выработка пара низкого давления в контуре метанола;

6) расход оборотной воды в контур метанола;

7) выработка аммиака;

8) выработка метанола.

Экономическая модель построена на основе методик, изложенных в литературе, и рассчитывает следующие параметры: себестоимость продукции, текущие затраты, валовая прибыль, чистый дисконтированный доход и др.

При выборе математического аппарата для описания той или иной стадии или процесса критически обсуждаются все принятые допущения. Указывается, что при необходимости математическая модель может быть расширена и дополнена включением дополнительных блоков, описывающих те или иные процессы (например, зерно катализатора).

Показано, что многие стадии описываются системами балансовых уравнений, которые необходимо решать итерационными методами. В связи с этим должен быть составлен четкий алгоритм моделирования.

 

Глава 3. Алгоритм моделирования теплоэнерготехнологического комплекса и его реализация на ЭВМ.

Описаны алгоритмы, которые применены при моделировании производства аммиака, метанола и энергоносителей, но которые, по нашему мнению, могут быть использованы при математическом моделировании во многих комплексных энерготехнологических производств. Общий алгоритм складывается из алгоритмов более низкого уровня, описывающих отдельную стадию производства или отдельный аппарат. Такие алгоритмы включают большое количество последовательных расчетов.

Алгоритмы более высокого уровня включают итерационные расчеты. Например, на стадии синтеза метанола итерационный расчет проводится по 8 параметрам. На каждом шаге итерации выполняется довольно объемный расчет реактора синтеза метанола и расчет процессов конденсации (в свою очередь тоже итерационный).

Математическая модель комплексного производства реализована на ЭВМ в программе ''Microsoft Excel'' в виде отдельной ''книги''. Каждый алгоритм выполнен на отдельном ''листе'' ''книги'', все ''листы'' взаимосвязаны между собой. Выделены ''листы'' исходных данных и результатов моделирования.

Итерационные вычисления организованы в надстройке ''Поиск решения'', где поиск нужных значений переменных осуществляется методом Ньютона. Относительная погрешность вычислений задается и определена нами величиной 0,001 %. Благодаря четко составленным алгоритмам, надстройка ''Поиск решения'' справляется с объемными итеративными расчетами.

 

Глава 4. Технические решения по снижению энергопотребления комплексного производства. Моделирование теплоэнерготехнологического комплекса и обсуждение результатов.

Описаны технические решения, направленные на экономию электроэнергии и природного газа:

1) организация выработки пара среднего давления в контуре метанола:

- поднять температуру газа, входящего в реактор синтеза метанола, до 260 °С. Это позволит вырабатывать в реакторе пар давлением 42-43 ата и присоединить его к системе пара среднего давления (39-40 ата) агрегата аммиака;

- подогрев питательной воды для реактора осуществлять парогазовой смесью, поступающей в контур метанола из агрегата аммиака;

- в качестве привода компрессора применить паровую турбину, выведенную из эксплуатации в производстве аммиака;

- пар, выработанный в реакторе метанола, направить в паровую турбину.

2) организация выработки пара низкого давления в контуре метанола:

- связать систему пара 4,5 ата контура метанола с такой же системой агрегата аммиака, в результате чего открываются возможности для утилизации избыточного низкопотенциального пара агрегата аммиака.

3) подать кислород на всас компрессора воздуха агрегата аммиака, в результате воздух станет более богат кислородом, во вторичном риформинге (см. рис. 1) увеличится температура газа на выходе и степень переработки природного газа. Кроме того, увеличивается выработка пара высокого давления в котлах-утилизаторах (см. рис. 1), что ведет к снижению расхода природного газа на вспомогательный котел.

Основными результатами моделирования являются расчетные балансы комплексного производства по тепловым и материальным потокам, а также выработке и потреблению энергоносителей. Пример такого баланса приведен на рис. 4.

Важнейшим результатом моделирования является профиль температуры в реакторе синтеза метанола, полученный на основе расчетных данных и приведенный на рис. 5. Температурный режим определяет количества выработанного пара и целевого продукта. Подача большего количества воды для получения пара увеличит выработку последнего, но приведет к снижению температуры и прекращению реакции. Недостаточная подача вызывает неконтролируемый рост температуры и остановку производства.

 

Рис. 5. Профиль температуры газовой смеси по длине трубы реактора.

Данный температурный профиль является вполне характерным для экзотермических реакций с отводом тепла.

С помощью разработанной модели рассчитаны различные режимы работы комплексного производства. Основными параметрами, определяющими режим работы производства, являются, расход природного газа в производство, расход газа в контур метанола и величина дозировки кислорода.

Как видно из графиков на рис. 6, при комплексном производстве расходный коэффициент ниже, чем при производстве только аммиака (показано пунктирными линиями ).

Рис. 6. Расходный коэффициент К_пг при различных отборах газа V в

контур метанола и нагрузках по природному газу:

1 - 38000 нм³/ч; 2 - 40000 нм³/ч; 3 - 42000 нм³/ч.

 

На рис. 7 приведена характеристика контура метанола по выработке пара среднего (43 ата) давления.

Рис. 7. Зависимость выработки G_выр и потребления G_потр пара среднего

давления от нагрузки контура метанола V.

При нагрузках контура до 85000 нм³/ч он является автономным по пару среднего давления. Дальнейшее увеличение нагрузки требует выработки небольшого количества дополнительного пара в агрегате аммиака.

Выработка пара низкого давления существенно меньше, чем требуется для ректификации метанола-сырца (рис. 8). Недостаток (4-8 т/ч) можно покрыть за счет утилизации избыточного пара агрегата аммиака, выбрасываемого в атмосферу (10-15 т/ч).

Рис. 8. Зависимость выработки G_выр и потребления G_потр пара низкого

давления от нагрузки контура метанола V.

Приведенные на рис. 7,8 графики подтверждают целесообразность предложенных решений по организации выработки пара в контуре метанола.

При дозировании кислорода за счет увеличения температуры газовой смеси большее количество пара вырабатывается в котлах-утилизаторах (см. рис. 1). В результате снижается расход природного газа во вспомогательный котел, как это показано на рис. 9.

Рис. 9. Зависимость расхода природного газа V_пг во вспомогательный

котел от дозировки кислорода V_О2 при различных нагрузках

по природному газу:

1 - 38000 нм³/ч; 2 - 40000 нм³/ч; 3 - 42000 нм³/ч.

За счет более полной переработки природного газа и снижении его расхода на выработку энергоносителей значительно снижается расходный коэффициент К_пг (рис. 10).

Рис. 10. Расходный коэффициент К_пг при различной дозировке

кислорода V_О2 и нагрузках по природному газу:

1 - 38000 нм³/ч; 2 - 40000 нм³/ч; 3 - 42000 нм³/ч.

В конечном итоге улучшаются экономические показатели: растет чистый дисконтированный доход NPV (рис. 11).

Рис. 11. Чистый дисконтированный доход NPV при различной

дозировке кислорода V_О2 и нагрузках по природному газу:

1 - 38000 нм³/ч; 2 - 40000 нм³/ч; 3 - 42000 нм³/ч.

Как видно из графиков, на разных нагрузках производства по газу существует наиболее эффективная величина дозировки кислорода, при которой чистый дисконтированный доход достигает максимума.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

2) Формализация объекта исследования выполнена с помощью известных математических уравнений и систем уравнений, описывающих свойства веществ, их… 3) Разработанная математическая модель позволяет рассчитывать балансы… 4) Сделано сравнение расчетных данных по модели с практическими данными, полученными при эксплуатации производства…