автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка рациональных энерготехнологических комплексов в производстве синтетического изопренового каучука СКИ-3 на базе структурного и термодинамического анализа

V I 11

На правах рукописи

БАКАЕВ МАРАТ РОБЕРТОВИЧ

Разработка рациональных энерготехнологнческих комплексов в производстве синтетического изопренового каучука СКИ-3 на базе структурного и термодинамического анализа

Специальность 05.14.04- «Промышленная теплоэнергетика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань- 1998

Диссертация выполнена на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» Казанского филиала Московского Энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель член- корреспондент Российской

Академии наук, доктор технических наук, профессор Назмеев Ю.Г.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Степанова А.И.

доктор технических наук, профессор Фафурин А.В.

Ведущая организация ОАО «Нижнекамскнефтехим»

Защита состоится « 19 » июня 1998 г. в ¡4 час.с^мин. в аудитории Г ~ 4-10 на заседании Диссертационного совета К- 053.16.03 в Московском Энергетическом Институте (Техническом университете)

Отзыв па автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Е-250, ул. Красноказарменная д. 14, Учедый совет МЭИ (ТУ)

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан « » мая 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета К- 053.16.03

к. т. я., доцент

Кулешов Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ*

Актуальность темы. Современная химическая промышленность является одним из крупнейших потребителей тепловой и электрической энергии. По использованию теплоты предприятия химической промышленности находятся на первом, а по потреблению электроэнергии на третьем месте среди всех отраслей промышленности. В связи с этим на первый план выходит задача рационального использования энергоресурсов. Актуальность данной задачи еще более повышается в связи с резко возросшими, в последнее время, ценами на энергоносители. Этот факт приводит к тому, что затраты на различные виды энергии становятся доминирующими при расчете себестоимости выпускаемой продукции.

Современные теплотехнологические схемы химических производств являются очень сложными . Поэтому проведение комплексного анализа таких систем невозможно без применения методов математического ч моделирования. Применение подобных методов позволяет снизить трудоемкость расчета существующих, а также может оказать существенную помощь при проектировании новых схем.

При разработке энергосберегающих мероприятий необходимо проведение сравнительного анализа теплоэнергетической эффективности. Подобный анализ целесообразно проводить с использованием эксергетического метода, который не только позволяет оценить потери максимально возможной работы, вызванной необратимостью тепловых процессов, но и может служить методической основой для проведения термоэкономической оптимизации теплотехнологических схем.

Анализ существующих технологических схем показал, что на предприятиях химической промышленности часто отсутствует четкий баланс между выработкой и потреблением энергоносителей.. В связи с этим ставится задача создания единой системы теплохладоснабжения

* В руководстве работой принимала участие к. т. п., доцент Конахина И. А.

предприятия, что позволит.существенно снизить энергопотребление извне и, вследствии этого, уменьшить себестоимость выпускаемой продукции.. Цель работы:

1 .Разработать методику и прикладные программы комплексного анализа сложных теплотехнологических систем промышленных производств;

2.На основе полученной методики провести анализ эффективности энергоиспользования теплотехнологии производств синтетического изопренового каучука (СКИ-3);

3.Выявить узлы и участки производства с наибольшей степенью необратимости энергетических процессов и разработать мероприятия по повышению термодинамической эффективности энергопотребления теплотехнологии СКИ-3;

4.Исследовать наиболее перспективные направления организации энегоиспользовапия внутренних энергетических ; ''■"'■ резервов теплотехнологии (ВЭР) и проанализировать эффективность принимаемых решений.

Научная новизна

Разработана новая методика комплексного анализа сложных производственных систем, на примере теплотехнологической схемы производства синтетического изопренового каучука, включающая в себя:

1) структурное описание системы, автоматизированное построение оптимального расчетного алгоритма с введением внутренней иерархии энерготехнологических процессов и систем;

2) определение энергетической и термодинамической эффективности проводимых технологических процессов на любом уровне построенной иерархической системы;

3) выявление внутренних резервов теплотехнологии, определение объемов и параметров источников и возможных потребителей ВЭР; разработку мероприятий по рациональному использованию ВЭР в рамках

промышленной технологии или создаваемого энерготехнологического комплекса в химической промышленности; 4) исследование динамики рационализации структуры энергопотребления производства.

Кроме того построен принципиально новый самоорганизующийся алгоритм исследования эффективности включения в энерготехиологических комплексах производствах СКИ абсорбционных преобразователей теплоты (АПТ) в широких диапазонах характеристик рабочих систем и конструкций АПТ.

Новыми являются и полученные на основе предложенной методики анализ результатов исследования тепловой и термодинамической эффективности энергоиспользования технологии СКИ.

Впервые разработаны прикладные программы на языке Си++ для реализации основных задач:

1. Исследование и описание структуры теплотехнологии химического производства

2. Исследования эффективности организации систем хладоснабжения производства СКИ на тепловом потреблении ВЭР с помощью АПТ.

Практическая ценность

Предложенная методика и программы ее реализации являются универсальными и позволяют провести структурный анализ теплотехпологической системы любой степени сложности.

Построенный алгоритм и прикладная программа исследования эффективности включения АПТ в систему теплохладоснабжсиия промышленного химического предприятия . также могут быть использованы при поиске эффективных методов для конкретных проектных решений рационализации систем теплохладоснабжсиия химического предприятия.

Рассмотреная принципиальная схема технологии СКИ по структуре и параметрам является характерной и для технологий других

синтетических каучуков, поэтому основные выводы , положения и рекомендации могут быть в полной мере применимы к ним.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на следующих научно- технических конференциях :

1. II Республиканская конференция молодых ученых и специалистов, Казань, 1996 г;

2. IV Конференция по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-96», Нижнекамск, 1996 г;

3. Республиканская научно- техническая конференция «Проблемы энергетики», Казань, 1997 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 'четырех глав основного текста, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 116 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков и 11 таблиц. Список использовапиой литературы содержит 102 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе проведен обзор литературных источников, посвященных состоянию работ по энергосбережению на предприятиях химической промышленности, рассмотрено применение методов математического моделирования « для анализа сложных теплотехнологических схем, а также проанализировано применение эксергегического метода термодинамического анализа для оценки эффективности технологических схем.

В результате сделаны следующие выводы:

1.проведенный анализ литературных источников показал, что в последнее время для оценки показателей термодинамической эффективности теплотехнологических схем, установок и отдельных

элементов системы нашел широкое применение эксергетическнй метод термодинамического анализа.

2. в имеющихся литературных источниках зачастую отсутствует комплексный системный подход к проведению анализа сложных теплоэнергетических систем, в том числе с использование методов математического моделирования, а также недостаточно внимания уделяется использованию эксергетического метода термодинамического анализа для оценки показателей термодинамической эффективности производства синтетического изопренового каучука.

3. при разработке новых энергосберегающих технологий большинство авторов ограничивается модернизацией отдельных элементов теплотехиологических схем, недостаточно внимания уделяется созданию комплексных систем тепло- и холодоснабжения предприятий, в том числе с использованием низкопотенциальиых ВЭР.

Во »торой главе описана теплотехнологическая схема производства синтетического изопренового каучука (СКИ-3). Основная сложность и высокая трудоемкость расчета современных технологических схем состоит в наличие множества замкнутых контуров между отдельными элементами технологической схемы. Существование контура означает, что параметры потока, выходящие из какого- либо элемента схемы оказывают влияние па парамет ры потока, входящего в этот элемент.

Рассматриваемое производство включает в себя 2 цеха ( в целом около 500 основных теплоиспользугощих элементов) и состоит из 13 основных стадий.

Был проведен структурный анализ теплотехнологической схемы производства с использованием графоаналитического метода. Построена и проанализирована балансовая теплотехнологическая схема, которая представляет собой потоковый граф, вершинами которого служат элементы теплотехнологической схемы, а дугами- потоки энергоносителей. Разделение схемы на разомкнутые последовательности и

8 .. контуры проводилось с использованием матрицы смежности. Оптимальные места разрыва контуров были получены на основе построения и анализа матрицы циклов и сокращенной матрицы циклдв.,

В результате выявлено наличие в схеме 16 замкнутых контуров различных рангов (11 контуров 2 ранга, 1 контур третьего ранга, 1 контур четвертого ранга, 1 контур пятого ранга, 1 контур десятого ранга и 1 контур 12 ранга), определены оптимальные места их разрывов, составлена оптимальная последовательность расчета схемы.

На основе алгоритма была составлена программа на языке «Си», которая позволяет проводить структурный анализ теплотехнологических схем химических производств любой степени сложности.

В третьей главе исследованы потребности предприятия в теплоэнергетических ресурсах. В результате выявлено, что энергозатраты в общей структуре себестоимости составляют величину порядка 38 %, и с учетом годового выпуска каучука, абсолютная величина энергозатрат на рассматриваемом производстве составляет около 135 миллиардов руб/год (цены на декабрь 1997 г.). Анализ структуры энергозатрат на производство каучука показал, что основные затраты приходятся на холодопотребление основных технологических процессов (примерно 29% от общей суммы энергозатрат).

Также были рассмотрены методы определения термодинамических характеристик и проведен анализ теплоэнергетической и

термодинамической эффективности отдельных стадий технологического процесса по введенным в главе 2 уровням иерархии. Для удобства оценки эффективности использования энергоресурсов в элементах оборудования составлены диаграммы теплового баланса и построены оценочные эксергетические диаграммы в координатах тэ-С>. В результате проведенного анализа были сделаны следующие выводы:

1 .Эксергетический к. п. д. основных стадий технологического процесса не превышает 0.6, что указывает на необходимость организации более рационального энергопотребления.

2.Режим энергопотребления некоторых стадий отличается неравномерностью, так как часть оборудования работает в периодическом режиме (например полимеризаторы на стадии полимеризации; весь участок регенерации осушителей)

3.Высокую долю в себестоимости составляют затраты па химическую очистку загрязненных промышленных стоков (около 5 %).

4.Использование теплоты ВЭР загрязненных промышленных стоков осложняется неблагоприятными условиями эксплуатации, хотя доля теплоты, которую теоретически можно регенерировать на теплоснабжение тенлотехиологий достигает 30% от внешнего теплоснабжения.

5.Технологические процессы производства СКИ, связанные с отводом теплоты в сильной степени зависят от режима работы системы оборотного водоснабжения.

В_четвертой_главе проведен синтез единого

энерготехнологического комплекса производства СКИ-3 и разработана методика оценки эффективности включения абсорбционных преобразователей теплоты (АПТ) в структуру единого энерготехнологического комплекса производства СКИ.

На основе выводов, изложенных в главе 3 были выработаны основные решения, которые позволят:

1.Повысить энергетическую и термодинамическую эффективность систем теплоснабжения технологии СКИ.

2.Снизить объемы энергоснабжения промышленных предприятий от внешних источников

3.Эффективно использовать теплоту загрязненных стоков иизкопотепциальных ВЭР.

4.Уменьшить или полностью снять проблемы с сезонным (летним) повышением нагрузок систем оборотного водоснабжения, когда рост температур в подающие линии отрицательно влияет на условия работы технологического оборудования.

Синтез единого энерготехпологического комплекса предлагается производить с помощью создания дополнительного,промежуточного звена - централизованной замкнутой утилизационной системы . Система представляет собой замкнутый контур циркулирующего промежуточного теплоносителя, который последовательно проходит ступени нагрева за счет использования теплоты ВЭР технологии; буферный подогреватель, в который подается теплота от внешнего источника; ступени охлаждения за счет передачи теплоты потребителям; буферный охладитель.

Для исключения контакта теплообменивающихся сред, который может произойти в условиях эксплуатации теплообменного оборудования, а также снижения температурного напора (необратимых потерь) при передаче теплоты предлагается использовать теплообменники па тепловых трубах или термосифонах.

Предлагаемая система утилизации позволяет охватить большое количество источников ВЭР и потребителей теплоты с t = 40 4-150 "С,

При разработке комплексной утилизационной системы производства СКИ возможны следующие варианты использования теплоты ВЭР или их комбинация:

1 .Трансформация теплоты низкого потенциала па §олсе высокий уровень с помощью теплонасосных компрессионных установок и абсорбционных преобразователей теплоты (АПТ).

2.Одновременная выработка теплоты, и холода на тепловом потреблении от утилизационной системы иа базе АПТ.

3.Выработка холода параметров (+ 10 °С) -ь (- 40 °С) на базе АПТ.

4. Непосредственное использование утилизированной теплоты на нужды теплотсхиологии. В качестве теплопотребляющих элементов

рассматривались теплообменники - подогреватели технологического исходного сырья (t < 70 °С) и кубы ректификационных колонн (t < 150 °С)

Были проанализированы объемы и параметры ВЭР теплотехнологии производства СКИ. В результате выявлено что 60% ВЭР теплотехнологии имеют температуру 40 ч- 70 °С, 30%- температуру 70 -ь 150 °С, 10%-температуру более 150 °С..

Для оценки эффективности включения АГ1Т в синтезируемый энерготехиологический комплекс разработана расчетная методика, на основе которой построена математическая модель процесса, позволяющая проводить исследования в широком диапазоне параметров термодинамического цикла АПТ, теплофизических свойств рабочих веществ, а также конструктивного исполнения АПТ.

Основными проблемами при моделировании задачи включения АПТ в энерготехнологический комплекс химического предприятия и реализации модели на ЭВМ являются:

1. Представление зависимостей теплофизических и термодинамических параметров рабочих систем и чистых компонентов, т.к. в настоящее время наиболее надежными являются экспериментальные данные, представляемые в виде графиков, таблиц и диаграмм. Аналитические и степенные зависимости известны только для некоторых чистых компонентов (Н20, NH3) в состоянии насыщения .

2.Представление структуры АПТ в расчетном исследовании. В литературе известны разнообразные схемы АПТ, выбор которых зависит от многочисленных факторов: термодинамических условий реализации цикла АПТ; рабочей системы АПТ; вида греющего теплоносителя, направляемого в генератор; предполагаемого режима работы АПТ (повышающий, понижающий, для одновременной выработки тепла и холода) и т.д.

В качестве объекта исследования расчетной методики рассматривались понижающие одноступенчатые АПТ для выработки

холода 1 = 0-=- (-40) °С, включаемые в централизованную утилизационную систему предприятия по производству СКИ методом двухстадийного дегидрирования. Однако при небольших доработках данная методика может быть использована для анализа работы ЛПТ повышающего типа, двухступенчатых АПТ и пр. в системах теплохладоснабжения промышленных предприятий.

Исследование эффективности включения АПТ в структуру синтезируемого энсрготехнологического комплекса проводилось на основе использования наиболее изученной рабочей системы: ЫНз - Н20 (водоаммиачная система). В качестве греющего теплоносителя для подачи в генератор АПТ рассматривалось горячая вода с I = 90 ч- 150 °С с верхних ступеней теплоотводящей линии централизованной утилизационной системы . Объемная подача теплоносителя рассчитывалась с учетом расходных характеристик и потенциала ВЭР со стадией производства СКИ.

Сравнение себестоимости 1 ГДж холода после приведения их к сопоставимым ценам. показало удовлетворительное совпадение результатов; расхождение значений не превышало 5 %. Показатели экономии топлива па 1 ГДж выработанного холода для случая включения АПТ в энерготехнологический комплекс производства СКИ оказались выше в среднем на 15 % за счет того, что вытеснялись менее эффективные парокомпрессионные одно - трехступенчатые поршневые холодильные машины, характеризуемые более высокой, по сравнению с турбокомпрессорами АТКП удельной энергоемкостью.

Себестоимость 1 ГДж холода, производимого на АПТ, существенно зависит от параметров внешних источников. С ростом температуры ^ растет и себестоимость вырабатываемого холода. Аналогичные тенденции прослеживаются и при понижении температуры кипения ^ в испарителе АПТ. Кроме того, значительное влияние оказывает и условия теплоотвода

в дефлегматоре, конденсаторе и абсорбере АПТ. Рассматривались два варианта внешних источников:

1) Градирня обратного водоснабжения 1Х| = 35 °С;

2) Наружный воздух 1x1 = 45 °С.

Во втором случае для всех рассмотренных режимов прослеживается рост себестоимости 1 ГДж холода от 5 % для ^ = О °С до 30 % для ^ = - 40

Результаты исследования показали, что использование понижающих одноступенчатых водоаммиачных утилизационных АПТ в структуре энерготехнологического комплекса производства СКИ во всем диапазоне параметров используемого холода ^ = 0 + (- 40) °С экономически выгодно. Себестоимость 1 ГДж выработанного па АПТ холода на 125 % ^ 220 % ниже по сравнению с компрессионными холодильными машинами (верхнее значение соответствует 1и = - 40 °С). Годовая экономия условного топлива при х = 6400 ч/год (число часов работы установки в течение года) может составить ВЭк < 5200 -4- 58000 т у.т./год.

В заключении., изложены основные выводы по результатам диссертационной работы:

1.На основе анализа литературных источников подтверждена необходимость проведения комплексного структурного анализа сложных теплотехпологических систем промышленного производства с целью оценки эффективности эпергоиспользования.

2.Разработана методика и прикладная программа комплексного анализа теплотехпологических схем химических производств. Данная методика позволяет выявить структуру внутренних связей рассматриваемой системы, организовать оптимальный расчетный алгоритм решения основных задач проводимого анализа.

3.Ма основе предложенной методики проведен анализ эффективности эпергоиспользования теплотехнологни производства

синтетического изопренового каучука. В результате выявлено наличие 16 замкнутых контуров различных рангов, определены наилучшие места их разрывов, рассчитана оптимальная последовательность расчета.

4.Проведен комплексный анализ теплотехнологической системы производства синтетического каучука, определены показатели термодинамического совершенства отдельных стадий производства, построены и проанализированы диаграммы теплового баланса и оценочные экссргетичсские диаграммы для отдельных структурных подразделений производства согласно построенной иерархической системы.

5.Предложена структура единого эперготехнологического комплекса производства СКИ с помощью создания дополнительного промежуточного звена- централизованной замкнутой утилизационной системы. Предлагаемая система утилизации позволяет охватить большое количество источников ВЭР и потребителей теплоты с различными температурными уровнями.

6.Разработана методика эффективности включения утилизационных абсорбционных преобразователей теплоты в единый энерготсхнологический комплекс промышленного предприятия, предложен универсальный алгоритм и прикладная программа его реализации. Разработанная программа позволяет проводить исследования в широких диапазонах параметров рабочих систем и конструкций АПТ.

7.На основе предложенной методики исследована эффективность включения водоаммиачных АПТ в единый энерготехнологический комплекс промышленного предприятия. Показано, что использование понижающих одноступенчатых водоаммиачных АПТ в структуре производства СКИ экономически выгодно. Себестоимость 1 ГДж выработанного на АПТ холода на 125%-220% ниже по сравнению с компрессионными холодильными машинами. Возможная экономия

условного топлива в результате реализации предложенного решения может составлять 5228-58040 т.у.т.

Основное содержание работы изложено в следующих опубликованных работах:

1. Назмеев Ю.Г., Бакаев М.Р. Анализ теплоэнергетической эффективности производства синтетического изопренового каучука. // Итоговоя научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава: Тез. докл.,- Казань, 1995 -С. 100-101

2.Бакаев М.Р. Пашкова Е.В. Назмеев 10.Г. Организация оптимальной расчетной схемы при модернизации производства синтетического изопренового каучука. // Республиканская научная конференция «Проблемы энергетики»: Тез. докл.- Казань ,1996,- С. 27-28

3.Бакаев М.Р. Конахипа И.А. Назмеев 10.Г. Пути повышения термодинамической эффективности теплоиспользования в системе производства синтетического изопренового каучука. // Республиканская научная конференция «Проблемы энергетики»: Тез. докл.- Казань ,1996,-С. 28-29

4.Бакаев М.Р. Пашкова Е.В. Назмеев Ю.Г. Оптимизация последовательности расчета теплотехнологической схемы выделения и очистки изопрена.// II Республиканская научная конференция молодых ученых и специалистов: Тез. докл.- Казань, 1996,- книга 2.- С. 102

5. Бакаев М.Р. Конахипа И.А. Назмеев Ю.Г. Организация оптимального энергоиспользования при производстве изопрена. // IV конференция но интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-96»: Тез. докл.-. Нижнекамск, 1996,- С. 157

6.Бакаев М.Р. Назмеев Ю.Г. Организация расчетной теплотехнологической схемы производства синтетического каучука (стадия полимеризации изопрена). // Республиканская научная

конференция «Проблемы энергетики»: Тез. докл.- Казань, 1997-часть I.-С. 45

7.Назмесв Ю.Г. Конахина И.А.. Вачагина Е.К. Бакаев М.Р. Термодинамический анализ производства синтетического изопренового каучука .//Промышленная энергетика- 1997,-№4.- С. 40-43

8. Бакаев М.Р. Анализ термодинамической эффективности тсплотсхнологической схемы полимеризации, выделения, сушки и упаковки синтетического изопренового каучука // Республиканская научная конференция «Проблемы энергетики»: Тез. докл.- Казань, 1998-часть I.- С. 58

Подписано к печати 5.05.98 Формат 60 х Х4/16 Гаршпурл ГЛЙМС Псчл. 1,0 Закат 24(2 Типография КФ МЭИ 420066, Казань, Красиоссл|,ская,51

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) КАЗАНСКИЙ ФИЛИАЛ

На правах рукописи

Бакаев Марат Робертович

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ СИНТЕТИЧЕСКОГО ИЗОПРЕНОВОГО КАУЧУКА СКИ-3 НА БАЗЕ СТРУКТУРНОГО И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА

05.14.04 - промышленная теплоэнергетика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Член-корреспондент Российской Академии наук, Заслуженный деятель науки России и Татарстана Назмеев Ю.Г.

Казань-1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение....................................................................................................... 5

Глава 1 Анализ состояния вопроса

1.1 Анализ современного состояния работ по энергосбережению на предприятиях химической промышленности..............10

1.2 Применение методов математического моделирования

для анализа сложных теплотехнологических схем...................13

1.3 Применение эксергетического метода термодинамического анализа для оценки эффективности теплотехнологических схем и установок.............................................................. 14

1.4 Основные выводы.........................................................................17

Глава 2. Описание и структурный анализ теплотехнологической схемы производства синтетического изопренового каучука СКИ-3

2.1 Постановка задачи......................................................................19

2.2 Описание технологической схемы производства синтетического изопренового каучука.....................................................20

2.2.1 Характеристика товарного каучука....................................20

2.2.2 Общая характеристика процесса.......................................21

2.2.3 Приготовление изопентан- изопреновой шихты..............22

2.2.4 Осушка и охлаждение изопентан- изопреновой шихты...................................................................................22

2.2.5 Непрерывная полимеризация изопрена в изопентане......29

2.2.6 Дезактивация каталитического комплекса, стабилизация и отмывка полимеризата...........................................32

2.2.7 Конденсация, щелочная и тонкая отмывка возвратного растворителя................................................................32

2.2.8 Приготовление раствора стабилизатора............................33

2.2.9 Азеотропная осушка толуола.............................................34

2.2.10 Приготовление толуола- хладоагента..............................35

2.2.11 Конденсация отдувок........................................................35

2.2.12 Пропарка, регенерация и охлаждение осушителей........35

2.2.13 Сбор и откачка парового конденсата...............................36

2.2.14 Усреднение полимеризата.................................................37

2.2.15 Дегазация полимеризата....................................................37

2.3 Разделение схемы на разомкнутые последовательности и контуры.............................................................................38

2.4 Идентификация контуров теплотехнологической схемы................43

2.5 Определение оптимальных мест разрыва контуров.......................45

2.6 Реализация алгоритма...........................................................46

2.7 Анализ результатов расчета....................................................51

Глава 3 Термодинамический анализ теплотехнологической схемы производства синтетического изопренового каучука

3.1 Постановка задачи...............................................................58

3.2 Анализ потребностей предприятия в теплоэнергетических ресурсах...........................................................................60

З.ЗМетодика определения термодинамических характеристик............62

3.4 Термодинамический анализ теплотехнологической

схемы производства синтетического изопренового каучука.........66

3.5 Определение эксергетических показателей эффективности производства синтетического изопренового каучука.........................69

3.6 Основные выводы................................................................81

Глава 4 Синтез объединенной энерготехнологической системы производства

СКИ...................................................................................83

4.1 Создание централизованной утилизационной системы..................86

4.2 Методика оценки эффективности включения АПТ в энерготехнологический комплекс...............................................................91

4.3 Результаты исследования.......................................................99

Заключение....................................................................................105

Список литературы........................................................................107

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Современная химическая промышленность является одним из крупнейших потребителей тепловой и электрической энергии. По использованию тепла предприятия химической промышленности находятся на первом, а по потреблению электроэнергии на третьем месте среди всех отраслей промышленности. Это объясняется большой насыщенностью предприятий тепломассообменным оборудованием низкой эффективностью использования энергии и сложными взаимосвязями тепловых и массовых потоков. В связи с этим на первый план выходит задача рационального использования энергоресурсов. Актуальность данной задачи еще более повышается в связи с резко возросшими, в последнее время, ценами на энергоносители. Этот факт приводит к тому, что затраты на различные виды энергии становятся доминирующими при расчете себестоимости выпускаемой продукции.

Современные теплотехнологические схемы химических производств являются очень сложными и могут включать в себя сотни различных аппаратов. Поэтому проведение комплексного анализа таких систем невозможно без применения методов математического моделирования. Применение подобных методов позволяет снизить трудоемкость расчета существующих, а также может оказать существенную помощь при проектировании новых схем.

При разработке энергосберегающих мероприятий необходимо проведение сравнительного анализа теплоэнергетической эффективности. Подобный анализ целесообразно проводить с использованием эксергетического метода, который позволяет оценить потери максимально возможной работы, вызванной необратимостью тепловых процессов. Применение эксергетического метода обусловлено также и тем, что он может служить методической

основой для проведения термоэкономической оптимизации теплотехнологи-ческих схем, поскольку данный метод позволяет оценить энергетическую ценность различных потоков энергии и вещества в одинаковых единицах (через эксергию).

Анализ существующих теплотехнологических схем показал, что на предприятиях химической промышленности часто отсутствует четкий баланс между выработкой и потреблением энергоносителей. В частности это объясняется тем, что вторичные энергоресурсы одной из стадий производства сбрасываются в отходы, хотя они вполне могли бы быть использованы на других стадиях. В связи с этим ставится задача создания единой системы теплохладоснабжения предприятия, что позволит существенно снизить энергопотребление извне и, вследствии этого, уменьшить себестоимость выпускаемой продукции..

Цель работы:

1. Разработать универсальную методику и прикладные программы комплексного анализа сложных теплотехнологических систем промышленных производств

2. На основе полученной методики провести анализ эффективности энергоиспользования теплотехнологии производств синтетического изопре-лового каучука (СКИ)

3. Выявить узлы и участки производства с наибольшей степенью необратимости энергетических процессов и разработать мероприятия по повышению термодинамической эффективности энергопотребления теплотехнологии СКИ

4. Исследовать наиболее перспективные направления организации энегоис-поль-зования внутренних энергетических резервов теплотехнологии (ВЭР) и проанализировать эффективность принимаемых решений.

Научная новизна

Разработана новая методика комплексного анализа сложных производственных систем, включающая в себя:

1) Структурное описание системы, автоматизированное построение опти-маль-ного расчетного алгоритма с введением внутренней иерархии энерго - технологических процессов и систем.

2) Определение энергетической и термодинамической эффективности проводимых технологических процессов на любом уровне построенной иерархической системы - от отдельного технологического аппарата до всего промышленного предприятия.

3) Выявление внутренних резервов теплотехнологии, определение объемов и параметров источников и возможных потребителей ВЭР; разработку ме-ро-приятий по рациональному использованию ВЭР в рамках промышленной технологии или создаваемого энерготехнологического комплекса.

4) Исследование динамики рационализации структуры энергопотребления производства.

Кроме того построен принципиально новый самоорганизующийся алгоритм исследования эффективности включения в энерготехнологических комплексах производствах СКИ абсорбционных преобразователей теплоты (АПТ) в широких диапазонах характеристик рабочих систем и конструкций АПТ.

Новыми являются и полученные на основе предложенной методики результата анализа тепловой и термодинамической эффективности энергоиспользования технологии СКИ.

Впервые разработаны прикладные программы на языке Си++ для реа-ли-зации основных задач:

1. Исследование и описание структуры технологии

2. Исследования эффективности организации систем хладоснабжения произ-вод-ства СКИ на тепловом потреблении ВЭР технологии с помощью АПТ.

Практическая ценность

Предложенная методика и программа ее реализации являются универсальными и позволяют провести структурный анализ технологической системы любой степени сложности.

Построенный алгоритм и прикладная программа исследования эффективности включения АПТ в систему теплохладоснабжения промышленного предприятия также могут быть использованы при поиске эффективных методов или для конкретных проектных решений рационализации систем теплохладоснабжения промышленного предприятия.

Рассмотреная принципиальная схема технологии СКИ по структуре и параметрам является характерной и для технологий синтетических каучуков: изобутиловых и бутадиеновых и др., поэтому основные выводы , положения и рекомендации могут быть в полной мере применимы к ним:

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на следующих научно- технических конференциях : 1. II республиканская конференция молодых ученых и специалистов, Казань, 1996 г;

2. IV конференция по интенсификации нефтехимических процессов «Нефте-химия-96», Нижнекамск, 1996 г;

3. Республиканская научно- техническая конференция «Проблемы энергетики», Казань, 1997 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1 Анализ современного состояния работ по энергосбережению на

предприятиях химической промышленности

Современная химическая промышленность является одним из крупнейших потребителей тепловой и электрической энергии. По использованию тепла предприятия химической промышленности находятся на первом, а по потреблению электроэнергии на третьем месте среди всех отраслей промышленности. Это объясняется большой насыщенностью предприятий тепломассообменным оборудованием низкой эффективностью использования энергии и сложными взаимосвязями тепловых и массовых потоков. В связи с этим на первый план выходит задача рационального использования энергоресурсов. Актуальность данной задачи еще более повышается в связи с резко возросшими, в последнее время, ценами на энергоносители. Этот факт приводит к тому, что затраты на различные виды энергии становятся доминирующими при расчете себестоимости выпускаемой продукции.

К основным техническим проблемам энергетики химических производств можно отнести следующие: [ 17 ]

1. Замена оборудования , видов энергии, энергоносителей, материалов на более прогрессисвные, с лучшими техническими, энергетическими и технико- экономическими показателями.

2. Модернизация оборудования с повышением его производительности, уровня полезного использования энергии и сокращением потерь.

3. Интенсификация производственных процессов с уменьшением удельных затрат энергии на единицу выпускаемой продукции.

4. Введение дополнительных устройств для совершенствования производственного процесса и сокращения удельных энергетических затрат.

5. Изменение параметров работы оборудования и энергии с целью улучшения технико- экономических показателей процессов.

6. Улучшение использования энергии внутри технолгической установки, повышение коэффициента полезного использования, сокращение прямых потерь.

7. Улучшение использования вторичных энергоресурсов

8. Повышение надежности энергоснабжения и оборудования, предотвращение внеплановых остановов, связанных с материальными и энергетическими процессами.

Вопрос о единицах измерения обобщенных энергозатрат на производство различных видов продукции однозначно не решен и при расчетах энергии в целом используются различные единицы измерения : тонны условного топлива, ГДж, МВт • ч.

Одной из основных технических проблем энергетики химических производств согласно [ 17, 22, 72] относится проблема поиска и улучшения использования вторичных энергоресурсов (ВЭР). Авторы [ 86 ] определяют ВЭР как энергетический ресурс, получаемый в виде побочного продукта основного производства или являющийся таким продуктом. Различные варианты определения ВЭР приведены также в [ 72, 89 ]. В частности, в [ 89 ] помимо термина "ВЭР" вводится также термин "ПЭР"- побочные энергоресурсы. В [ 72 ] предлагается определять ВЭР, как не только используемые в народном хозяйстве энергетические отходы (побочные продукты), но перспективные для применения.

Классификация различных видов ВЭР приведена в [ 89 ] и, более полно в [ 7,37 ]. Одним из видов классификации является разделение ВЭР на высоко-и низкотемпературные. К низкотемпературным относят жидкости с температурой менее 90° С и газы, имеющие температуру менее 250° С.

В [ 37 ] показано, что доля в процентах потребности в тепловой энергии, обеспечиваемой за счет использования ВЭР на различных предприятиях химической отрасли может достигать 21-30 %.

В настоящее время существуют различные подходы к решению проблемы поиска и рационального использования ВЭР . В частности авторы [ 41 ] рассматривают проблему утилизации ВЭР при производстве технического углерода, этилового спирта. В работах [ 54, 60, 91 ] исследуется возможность использования ВЭР при производстве основы для кинофотоматериалов. Производство аммиака и этилена подробно рассмотрено в [ 41-43 ]. Различные стадии производства серной кислоты изучены в [ 15, 87, 92, 98 ].

Структура энергозатрат в различных отраслях химической промышленности (производство формальдегида, этилена и др.) изложена в [ 79 ]

Производство синтетического каучука характеризуется, в основном, теми же особенностями, что и большинство химических производств.

Использование ВЭР на различных стадиях производства изопрена, который является основным сырьем для получения каучука рассмотрено в [41, 73 ].

Особую сложность представляет утилизация низкотемпературных ВЭР, так как помимо низкого температурного потенциала, они могут быть загрязнены отходами технологических процессов и обладать высокой коррозионной активностью. Даже при отсутствии подобных характеристик, утилизация низкотемпературных ВЭР представляется весьма непростой задачей, поскольку они малопригодны для использования непосредственно в технологическом процессе, а применение их для нетехнологических целей (отопление, горячее водоснабжение) также связано с большими трудностями.

Для организации оптимального энергопотребления, более полного использования различных видов ВЭР современными авторами предлагается широкий комплекс мероприятий. В частности, одним из наиболее перспективных, по мнению авторов [ 42, 79, 85, 88, 89] может стать применение для выработки

необходимого в технологических целях холода, абсорбционных тепловых насосов и абсорбционных бромисто- литиевых агрегатов (АБХМ).

В [ 85 ] предлагается применять для утилизации низкопотенциальных ВЭР различные виды теплообменного оборудования с использованием тепловых труб и сифонов, а также обосновывается целесообразность применения контактных и поверхностно- контактных теплоутилизаторов.

В [ 12, 62, 74 ] произведена оценка эффективности использования различных видов ВЭР на базе теплонасосного оборудования.

В качестве обобщенного показателя эффективности комплекса работ по экономии энергоресурсов предлагается использовать коэффициент эффективности [2].

Многие работы современных авторов посвящены анализу не только тепловой, но и экономической эффективности мероприятий по энергосбережению [ 41, 72, 79 ]. Так, например, в [ 37 ] приводится методика расчета экономической эффективности при осуществлении возврата конденсата от теплоисполь-зующих установок, оборудованных конденсатоотводчиками.

1.2 Применение методов математического моделирования для

анализа сложных теплотехнологических схем

Основная задача анализа технологических схем, согласно [31] заключается в том, чтобы математически связать характеристики составляющих системы ( значения температуры, давлени