автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Снижение энергозатрат и модернизация установки разделения формальдегид-метанол-водной смеси

ВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ЛАВА I ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЭНЕРГОСБРЕЖЕНИЯ 1 ПРОЦЕССАХ РАЗДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ. 1 Теоретические основы экономии энергии. Эксергетический метод ермодинамического анализа.

2 Способы экономии энергии при ректификации.

3 Реакционно-ректификационные процессы в химической технологии.

4 Термодинамика реакционно-ректификационного процесса.

5 Модели ступеней контакта фаз и методы расчета колонн.

1.5.1 Равновесная модель ступени контакта фаз.

1.5.2 Не равновесная модель ступени контакта фаз.

1.5.3 Множество стационарных состояний.

6 Моделирование процессов переноса на барботажных тарелках.

1.6.1 Метод сопряженного физического и математического моделирования.

1.6.2 Двужидкостная модель процессов переноса в двухфазном потоке.

1.6.3 Модель многоскоростного континуума.

1.6.4 Характеристики турбулентного обмена.

7 Модели массо- и теплообмена для двухфазных газожидкостных систем.

1.7.1 Многокомпонентная массоотдача.

1.7.2 Теплоотдача в барботажном слое.

1.7.3 Сопряженный массо- и теплообмен.

8 Выводы.

ЛАВА II ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ

ОСТАНОВКИ ПОЛУЧЕНИЯ ФОРМАЛЬДЕГИДА.:.

1 Краткая характеристика процесса получения формальдегида.

2 Анализ термодинамической эффективности ехнологической схемы производства формальдегида.

3 Анализ термодинамической эффективности работы ектификационной установки Кт-33.

4 Алгоритм расчета тарельчатых еакционно-ректификационных колонн.

5 Потарелочная процедура расчета колонны.

6 Проверка адекватности описания процесса атематической моделью.

7. Выводы. обозначения.

ЛАВА Ш МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАКЦИОННО-ЕКТИФИКАЦИОННОГО ПРОЦЕССА НА БАРБОТАЖНОЙ

АРЕЛКЕ.

1 Двужидкостная модель процессов переноса двухфазном потоке на барботажной тарелке.

2 Двумерная модель барботажного слоя.

3 Определение коэффициентов массоопередачи в барботажном слое.

4 Определение коэффициентов теплопередачи в барботажном слое.

5 Характеристики турбулентного обмена.

6 Численное решение системы уравнений переноса мпульса, массы и тепла.

7 Выводы. бозначения.

ЛАВА IV ДИАГНОСТИКА РАБОТЫ И

ЮДЕРНИЗАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ Кт-33. 1 Состояние формальдегида в водно-метанольных растворах парожидкостное равновесие.

4.1.1 Равновесие реакций формальдегида в водно-метанольных растворах.

4.1.2 Кинетика реакций формальдегида в водно-метанольных растворах.

4.1.3 Парожидкостное равновесие.

2 Моделирование реакционно- ректификационного процесса в ромышленной установке.

4.2.1. Результаты расчета реакционно- ректификационного процесса в промышленной колонне.

4.2.2 Моделирования процесса испарения в термосифонном кипятильнике установки.

3 Разработка технических решений по модернизации колонны.

4 Разработка технических решений о модернизации кубовой части колонны.

5 Выводы.

АКЛЮЧЕНИЕ.

ИТЕРАТУРА.

РИЛОЖЕНИЕ 1.

РИЛОЖЕНИЕ 2.

Рациональное использование и экономия сырьевых и топливно-нергетических ресурсов является приоритетной задачей как химической ехнологии, так и многих других отраслей промышленности. Современная имическая промышленность является одним из крупнейших потребителей оплива и энергии. Как известно, в химической технологии расходуется около 5% всех энергоресурсов [1]. Во многих химических производствах расход нергии составляет основную часть затрат. При этом необходимо учитывать рактическую пригодность энергии, ее эксергетическое содержание. )сновными теплоносителями, обеспечивающими тепловой энергией изкотемпературные технологические процессы (373-423 К), являются пар и зрячая вода. Одним из способов снижения потребления тепловой энергии и нижения потерь эксергии является модернизация действующих установок, оторая позволяет интенсифицировать процессы тепломассообмена. Научную снову для решения задачи экономии энергии дает термодинамика (предметом эторой является исследование превращения энергии) и, конкретно, грмодинамический анализ. Суть его вытекает из двух законов термодинамики.

Функционирование химических отраслей промышленного комплекса хшо связано с повышением эффективности использования природных, лрьевых и энергетических ресурсов и с жесткими требованиями сологической чистоты каждого производства. Одним из методов решения сазанных задач является создание производств химических продуктов на жове принципа совмещения химического превращения и тепломассообмена.

Ключевая особенность совмещенных процессов состоит в возможности 'щественного увеличения скорости целевой химической реакции и медления (и практически полного исключения) побочных за счет ненаправленного формирования состава смеси в реакционной зоне. Высокие :орости химического превращения, характерные для реакционно-юсообменных процессов, могут быть достигнуты при более «мягких» словиях, например при более низких температурах. Концепция совмещения озволяет упростить организацию непрерывных процессов и сделать более омпактными технологические схемы и тем самым сократить капитальные гграты. Преимущества совмещенных процессов играют особую роль в свете азработки малоотходной технологии получения различных продуктов рганического синтеза.

Целесообразность использования технологического принципа эвмещения с целью реализации перечисленных преимуществ может быть становлена оценкой влияния избирательного обмена на скорость химического ревращения. Такая оценка может быть проведена на основе критерия, редложенного [2,3].

Несмотря на широкое применение совмещенных реакционно-ектификационных процессов в промышленности, теория комплексного роектирования или модернизации ректификационной установки с гплообменным оборудованием разработана не достаточно полно. Поэтому ггуальной задачей является составление математической модели процесса с инимальным привлечением экспериментальных данных, позволяющей сследовать влияние конструктивных и режимных параметров на ]зфективность работы установки.

Из массовых видов продукции химической промышленности наиболее юргоемкими являются пластмассы, синтетические смолы, метанол, штетический каучук, аммиак, каустическая сода, искусственные волокна, ?рная кислота. На производство их расходуется до 55% электро- и шлоэнергии, и 95% топлива [4]. Формальдегид играет ключевую роль в роизводстве некоторых названных ранее видов продукции. Производство ормальдегида в большинстве развитых стран неуклонно растет (мировой эъем производства в 1981-1982 гг. превысил 2,5 млн.т.[5]). Значительное зличество формальдегида в России расходуется на производство изопрена, элиизопренового каучука, пластических смол, пластмасс, клеев, лаков, енопластов, фенопластов и многих других материалов [5]. Таким образом, нижение энергозатрат на единицу продукции в производстве формальдегида сключительно важно в самых разных отраслях производства.

Целью данной работы является: . Термодинамический анализ и оценка эффективности работы промышленной тепломассообменной установки получения формальдегида на основе эксергетического метода. . Определение методов снижения потерь эксергии в процессе разделения. . Для выбора вариантов модернизации разработка математической модели и расчет процессов тепломассообмена в промышленной ректификационной установке. Разработка технических решений по модернизации установки разделения на заводе «Изопрена- мономера» ОАО «Нижнекамскнефтехим» для снижения энергозатрат на единицу продукции.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, писка литературы и приложений.

4.5 Выводы

На основе алгоритмов расчета, реализованных на ЭВМ, проведено )делирование режимов работы колонны Кт-33 и кипятильника Т-34.

В результате расчетов по модели предложены технические решения ) модификации конструкции тарелки позволяющие увеличить )фективность разделения с 0,096 до 0,107, т.е. на 12%. Модернизация )Зволит снизить нагрузку на кипятильник в колонну с 28692 мДж/час до >627 мДж/час за счет снижения флегмового числа с 7 до 5.8. Годовой ономический эффект при этом составит 1,5-2 млн. руб.

Разработан вариант модернизации кубовой части колонны Кт-33. редложенная модернизация позволяет увеличить уровень жидкости в 'бе, что приводит к увеличению полезной поверхности теплообмена и :орости циркуляции жидкой смеси в кипятильнике и, как следствие, к ггенсификации теплообмена в аппарате.

Как показывает поверочный расчет кипятильника, повышение оизводительности колонны при модернизации кубовой части обеспечивается йствующим теплообменником Т-34.

Предложенная модернизация установки Кт-33, как наиболее ергоемкого блока в производстве формальдегида, позволит повысить ее ергетические показатели эффективности работы (табл.4.2.). Значительно ^высится степень использования подведенной энергии в установке Кт-33. зедложенная модернизация позволит значительно сократить потери эксергии установке (рис.4.13). Модернизация блока разделения (установки Кт-33) в юизводстве формальдегида позволит повысить ее тепловой и эксергетический

-1Д.

Термодинамические показатели эффективности работы установки до и после модернизации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ г I

Проведены тепловой и термодинамический анализ схемы производства формальдегида на заводе «Изопрена- мономера» ОАО "Нижнекамскнефтехим". Показана необходимость повышения эффективности работы ректификационной установки Кт-33. Расчеты показали, что из-за термодинамического несовершенства процесса в установке Кт-33 теряется 2,75 МВт эксергии, а эксергетический и тепловой КПД равны 12,6% и 93%, соответственно. В настоящее время расчет совмещенных процессов осуществляется с использованием полуэмпирических моделей, что затрудняет их применение для выбора вариантов модернизации оборудования. Поэтому в качестве инструмента для решения задачи энергосбережения на основе использования двужидкостной модели разработано математическое описание реакционно- ректификационного процесса с учетом особенностей взаимодействия фаз на тарелке колонного аппарата. В модели учитываются режимные и конструктивные характеристики работы контактного устройства без привлечения дополнительных экспериментальных данных при выборе вариантов модернизации.

Выполнен расчет двумерных полей скорости, давления, температур и концентраций в двухфазном потоке на тарелке. Получены значения эффективности разделения смеси при различных режимных и конструктивных параметрах ведения процесса.

На основе использования разработанной модели предложены технические решения, принятые к внедрению, по модернизации промышленной колонны Кт-33 с теплообменным оборудованием с целью повышения эффективности процесса разделения, снижения энергозатрат и повышения эксергетического КПД. Модернизация тарелки заключается в структурировании двухфазного потока путем установки дополнительных элементов. Так же разработаны решения по модернизации кубовой части колонны, что дает увеличение скорости циркуляции жидкости в кипятильнике и повышение коэффициента теплопередачи, а также снижение скорости образования муравьиной кислоты. В результате срок эксплуатации кипятильника увеличивается. В результате модернизации установки потери эксергии сократятся до 2,15 МВт, а эксергетический и тепловой КПД установки повысятся до 15,3% и 94%, соответственно. Нагрузка на кипятильник сократится на 1,3-1,5 гкал/час (т.е. -20%).

Предложенный в диссертационной работе подход снижения энергозатрат при проведении процессов разделения может использоваться при проектировании или модернизации аналогичных ректификационных установок.