Оптимизация схем и рабочих параметров установок для получения и использования энергоносителей в нефтехимических производствах

К числу основных задач промышленной энергетики относится разработка технических решений, позволяющих обеспечить существенное снижение потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в условиях роста объема промышленного производства. Значение успешной работы в этом направлении определяется в первую очередь тем, что промышленность является наибольшим потребителем топлива, тепловой и электрической энергии, расходуя около 60 $ топливно-энергетических ресурсов [118]. Вследствие этого промышленный сектор имеет и максимальные возможности по экономии топлива и энергии. По данным ЕНИШэнергопром [118], на промышленность приходится около 80 $ суммарных резервов народного хозяйства страны в этой области.

Технологические процессы различных отраслей промышленности имеют неодинаковые показатели по удельному и абсолютному потреблению ТЭР. В связи с этим особое внимание должно быть обращено на отрасли с наиболее энергоемкими процессами, на которые приходится подавляющая часть общего промышленного потребления топлива и энергии. К числу таких отраслей относятся черная металлургия, химическая и нефтехимическая промышленность [112, 183]. Суммарное потребление ТЭР этими отраслями составляет более половины всего промышленного потребления. Разработка направлений и методов рационального использования энергии в технологических процессах в первую очередь энергоемких отраслей промышленности позволяет обеспечить существенную экономию ТЭР в масштабах всего промышленного сектора.

Среди энергоемких отраслей промышленности особое место занимает нефтехимия, которая сформировалась как отрасль народного хозяйства для химической переработки углеводородного сырья. Постоянно расширяющееся применение продукции нефтехимии в различных областях народного хозяйства способствует ускоренному развитию соответствующих производств. Уровень развития нефтехимии служит одним из показателей индустриализации страны.

Для совершенствования энергоиспользования в нефтехимической промышленности широко применяются технические решения, имеющие межотраслевой характер. В первую очередь это относится к использованию вторичных энергоресурсов, к вопросам преобразования энергоносителей и т. д. Однако имеется целый ряд задач, определяемых спецификой технологических процессов отрасли и их аппаратурным оформлением. Так, нефтехимическая и нефтеперерабатывающая промышленность характеризуется наибольшим среди энергоемких отраслей абсолютным потреблением тепловой энергии [38] и наибольшим показателем теплоемкости продукции, составляющим 30,6 ГДж на тысячу рублей валового продукта [112]. В связи с этим исследование и оптимизация схем и рабочих параметров получения и использования энергоносителей в нефтехимических производствах должно быть неразрывно связано с особенностями технологических процессов этой отрасли.

0.1. Энергопотребление в производствах нефтехимического синтеза.

Сложившиеся показатели промышленности нефтехимического синтеза по абсолютному потреблению топлива, электрической и тепловой энергии определяются уровнем энергопотребления крупнотоннажных производств. В таблице 0.1 представлены основные крупнотоннажные производства, объединенные в соответствии с особенностями головных химических процессов. Из таблицы следует, что нефтехимическая технология характеризуется чрезвычайно большим разнообразием химических процессов, в значительной мере определяющих уровень энергопотребления и параметры энергоносителей. При этом различные условия реагирования дают различный выход и качество целевого продукта при сохранении той же схемы химической реакции. Поэтому энергопотребление нефтехимического производства на стадии химического реагирования будет определяться не столько химизмом реакции, сколько условиями ее проведения (давлением, температурой, фазовым состоянием реагентов, наличием катализатора и т. д.).

Учитывая многообразие факторов, определяющих параметры проведения основной химической реакции, практически невозможно предложить классификацию крупнотоннажных производств нефтехимического синтеза как потребителей топливно-энергетических ресурсов по одному признаку. Целесообразно рассмотреть классификацию по ряду признаков.

Для анализа потребления топлива в нефтехимических производствах может быть использована классификация по температурному уровню основного химического процесса, представленная на рис. 0.1. В соответствии с этой классификацией головные процессы подразделяются на низкотемпературные (до 160°С), среднетемператур-ные (160−500°С) и высокотемпературные (выше 500°С). Наибольшее применение в технологии современных нефтехимических производств получили контактно-каталитические процессы [96,136], при проведении которых химическое взаимодействие осуществляется при контакте реагентов с катализатором. В результате контактно-каталитического процесса получается несколько веществ, поэтому выбор условий проведения реакции всегда служит задаче получения максимального количества целевого продукта. Влияние температуры проявляется в том, что скорость химического реагирования.

Головные процессы крупнотоннажных производств нефтехимического синтеза.

Низкотемпературные (до 160° С).

Окмсиен^ *, чдко-«фаъчаг (.гоно-генко-кагалчти-тическое).

ЙАкилироъалше.

СеРиикиспотная гидратация.

Гидрирование.

Хдярцроъаиие ацстапьдегид гнцраперскисн (.¦"решал лаи, етон) < Юзмго >

Яксусна.9 кислота, н Лечены" ангидрид иьопропипъечъол.

ЭТИПБСНЪОЯ <оо° е).

Изаш>о!клое>ый спмрт (^ЗСГС) фенол ьциклоге*сэ.-ноя ^1)0−15а°с).

Бенъол Ь щикла-ге*".н (<�Чо-1Ь0°С).

Янхлорэтан.

Средатемператоные (Ш-500°с) Высокотемпературные (Бт?е500°с).

Окислек^ гетерогенно —каталитическое окисьэтилена. имо — г&о°с) ч>Т4леььил о. нгнйРчд I 370- 1⁰° с) мглгнноьый ангидрид акриПОНиЧРМП уизо-М50 ° С).

СИ"я мая ЭтилдвЫи СГ"и9Т гаозоо°о.

Оксихлорнромнно Дцхлор этан.

Рис. 0.1.Классификация производств нефтехимического синтеза по температуре головного процесса.

Пироли з.

Д, сгид? и?оъа.ние.

Этмптен, п? опнлен V Ы0 — &-40°с }.

Бу 7ТИЛен.

15ЕйЧ — 545 ° С).

Бупалиси ияго-бцо® с).

УЗо<�ымнпемп.

МЬйапрен^лдл -600* с).

С’ТЦРОА оои-з '¿-о" О.

СЛ.

Окислительно" ч>ор)->илу>детцд (60С1 • -ТОО'С.^.

Дегч&рироылте.

Термическое хпоруислыС" ьччил дегидрйгпотоьаине • -510″ С.).

Таблица 0.1.

Крупнотоннажные производства нефтехимического синтеза.

Головной процесс Крупнотоннажные производства Условияголовного Термич. Давление,! fc'!"3 ! продукта! ! 1Щодесса Температура, °С.

I 2 3 4 5.

Пиролиз Этилен, пропилен — 0,13 820−850.

ЭП).

Окисление.

— гетерогенноОкись этилена 2,4 0,5−3,0 240−280 каталитичесФгалевый ангидкое рид 12,2 0,2 370−430.

Малеиновый ан — гидрид 18 0,2 400−450.

Ацетальдегид 5,0 0,3−1,1 II0-I50.

Акрилонитрил окислительным аммонолизом 14,6 0,25 450−460 пропилена.

— гомогенноФенол и ацетон каталитичесчерез гидропекое рекись изопропил- 0,4 105−120 бензола 6,5.

Алкилирование Изопропилен- 0,8 0,15−0,20 100 бензол (ИПБ).

Этшгбензол 1,0 0,15−0,20 100.

Гидратация олефинов.

— прямая Этиловый спирт 1,0 7−8 280−300.

— сернокислотИзопропиловый ная 0,6−0,8 ~30 спирт —.

Хлорирование Дихлорэтан 1,7 0,15 50−80 олефинов.

Оксихлорирова- 2,0 0,5 260−280 ние.

Термическое деХлористый винил -2 1,5−2,0 500 гидрохлорирование.

Продолжение таблица 0,1.

1. 2 3 4 5.

Дегидрирование Бутилен -2 0,15 560−585.

Бутадиен -2 0,15 620−640.

Изоамилены -1,7 0,15 520−540.

Изопрен -1,7 0,15 550−600.

Стирол -1.2 0,15 600−630 оСметилстирол -1.0 0,15 530−560.

Окислительное дегидрирование Формальдегид (из метанола) (5 .окисле-|ние) 1 8 [дегидрирование) 0,15 600−700.

Гидрирование Циклогексанол 2 1−2 140−150 согласно закону Аррениуса, с повышением температуры увеличивается. Однако имеется оптимальная температура, выше которой скорость разложения или дальнейшего превращения целевого продукта начинает превышать скорость его образования. Таким образом, можно отметить интервал температур «^п'^пш ' в ДРвДвлэя которого достигается наибольшая эффективность контактно-каталитического процесса.

В первой группе классификации (температура до 160°С) представлены в основном жидкофазные головные процессы с относительно низкой оптимальной температурой (30−160°С). Несмотря на то, что все процессы являются экзотермическими, использовать теплоту реакций для получения теплоносителей с широкой областью применения оказывается нецелесообразным. Поэтому энергетическое обеспечение реакторных установок состоит, как правило, в отводе больших количеств теплоты на основе систем оборотного водоснабжения. Потребление топлива на технологические нужды отсутствует. Представительным для этой группы является производство фенола и ацетона через изоцропилбензол (алкилирование бензола пропиленомполучение гидроперекиси изопропиленбензола (Ш ЖЕБ) — разложение Ш ЙПБ и выделение из продуктов разложения товарных фенола и ацетона). В себестоимости производства I тонны фенола и 0,63 тонны ацетона (включая цеховые и общезаводские расходы) энергетические средства занимают 20 $, в том числе 13 $ приходится на пар с давлением до 1,6 МПа, около 6 $ на воду из оборотной системы и только 0,4 $ на электроэнергию.

Для второй группы классификации головных процессов нефтехимии (рис. 0.1.) характерны повышенные оптимальные температуры реагирования и высокие экзотермические эффекты. Тешюотвод в процессах гетерогенно-каталитического окисления, имеющих максимальный экзотермический эффект по основным реакциям и дополнительные тепловыделения за счет побочных реакций полного окисления углеводородов, является крупным источником вторичных энергоресурсов схемы. При охлаждении реакторов непосредственно кипящей водой или с помощью промежуточных высокотемпературных теплоносителей появляется возможность получать пар энергетических параметров (давлением 4−8 МПа). В результате технологическое оборудование может быть обеспечено паротурбинным приводом взамен электрического. Наиболее представительным является в этом отношении производство окиси этилена. Один из современных вариантов принципиальной схемы контактного отделения производства и ее описание представлены в приложении [66].

Приведенная схема производства окиси этилена является по существу энерготехнологической. В ней прослеживается стремление обеспечить минимальные энергозатраты для осуществлявшая процесса. Данные по энергозатратам на одну тонну окиси этилена представлены в табл.0.2. Для сравнения в той же таблице приведены аналогичные показатели в сопоставимых ценах находящихся в эксплуатации производств окиси этилена с менее развитой системой использования вторичных энергоресурсов (условная схема П).

Таблица 0.2.

Удельные энергозатраты в производствах окиси этилена.

Энергоносители Электроэнергия Пар Вода оборотная Хяадоносители (+5)+(-10) Хим. очшц. вода Топливный газ ЕЙ. из- ! мерения кВт. ч т м3 ГДж м кг Схе ~ед.7т 580 5,74 825 1,34 6,72 127,0 ма I: ' руб/т 9,86 12,35 8,25 4,82 2,02 2,41 Схеь ед.7т 3535 12,05 1027 5,45 9,70 43,3 № П Г руб/т 60,10 25,93 10,27 19,51 2,91 0,82.

Всего: 39,41 119,54.

Анализируя приведенные в табл.0.2 данные, отметим следующие моменты. Во-первых «затраты электроэнергии по I схеме в 6 раз меньше, что объясняется широким использованием газотурбинного и паротурбинного привода технологического оборудования вместо электропривода в схеме П. Остаточные газы после второй ступени контактирования по схеме П дросселируются практически до атмосферного давления и дожигаются с использованием теплоты в котле-утилизаторе.Получаемый пар направляется в общезаводскую сеть. Во-вторых, удельные расходы оборотной воды и холода по схеме I меньше, чем по схеме П. Указанное обстоятельство, а также повышенный расход пара по схеме П определяются более глубокой регенерацией теплоты в энерготехнологической схеме (аппараты 3 на рис.ПО.1). Отметим также, что подготовка пара после котла-утилизатора 12 для паровых турбин 2 связана с увеличенным расходом топлива в схеме на паропере-гревательную печь 10. Однако, несмотря на это, стоимость энергоносителей на тонну продукта в энерготехнологической схеме в 3 раза меньше, чем в схеме П.

Пример производства окиси этилена свидетельствует о чрезвычайно больших возможностях технологических процессов нефтехимии с точки зрения создания энергосберегающих схем. При одном и том же принципе получения целевого продукта за счет соответствующей организации схемы удается обеспечить существенное снижение энергозатрат на основе целенаправленного использования внутренних источников энергии технологического процесса.

Одной из особенностей современной нефтехимии является возможность получения ряда продуктов различными способами. В условиях напряженного положения с энергообеспечением технологических процессов на первое место при сопоставлении таких способов все чаще ставятся вопросы удельных энергозатрат. Рассмотрим в связи с этим два способа получения нитрила акриловой кислоты (акри-лонитрила) — мономера для производства специальных видов каучука и синтетического волокна. В промышленности реализованы процессы получения акрилонитрила циангидрированием ацетилена и окислительным аммонолизом пропилена. Принципиальная схема получения акрилонитрила на основе головного процесса каталитического окислительного аммонолиза пропилена и ее описание приведены в приложении [66].

На основании фактических данных работы действующих производств произведено сопоставление некоторых технико-экономических показателей двух способов получения акрилонитрила: окислительным аммонолизом пропилена и циангидрированием ацетилена с получением ацетилена электрокрекингом метана. Обще энергетические затраты на производство ацетилена электрокрекингом метана сопоставимы с другими способами получения этого продукта (через карбид кальция и термоокислительным пиролизом природного газа).

Удельные затраты на получение акрилонитршга окислительным аммонолизом пропилена характеризуются следующими данными (затраты при производстве циангидрированием ацетилена приняты за.

100 $).

Сырье и материалы — 125.

Вспомогательные материалы — 23 Энергозатраты: электроэнергия — 6,6 пар 0,9 МПа — 16,6 пар 3 МПа — 124 водоснабжение — 42 азот — 36,6 Амортизация и обслуживание оборудования — 144.

Себестоимость — 60.

Результаты сопоставления позволяют убедиться в чрезвычайно большой роли энергозатрат при формировании себестоимости нефтехимической продукции. Несмотря на существенно большие затраты на сырье и материалы, значительные капитальные затраты, метод окислительного аммонолиза пропилена при производстве акржлони-трила обеспечивает резкое снижение себестоимости продукции за счет рациональной организации системы использования внутренних источников энергии. Так, применение паротурбинного привода основного технологического оборудования на основе генерируемого в схеме пара позволяет снизить затраты на электроэнергию до 6,6% от сопоставляемого варианта.

Из производств, характеризующихся среднетемпературным уровнем головного химического процесса, особое место занимает каталитическая прямая гидратация этилена в этиловый спирт. Относительно небольшой в расчете на конечный продукт экзотермический эффект гидратации в сочетании с рециркуляционной схемой контактирования не ставят задачи теплоотвода при реагировании. Вместе с тем реакционная смесь нуждается в охлаждении. В структуре производственной себестоимости синтетического спирта (включая затраты на получение этилена на установке ЭП-60 с абсорбционно-ректи-фикационным методом газоразделения) доля энергетических средств составляет около 46% (для сравнения на сырье, основные и вспомогательные материалы с учетом возвратных отходов приходится 34%). Распределение энергозатрат по видам энергоносителей представлено в табл.0.3.

Таблица 0.3.

Структура энергозатрат при производстве синтетического спирта (совместно с производством этилена).

Вид энергоносителя Доля, %.

Пар 0,8−1,3 МПа Пар 9 МПа Оборотное водоснабжение Электроэнергия (в т.ч. для получения хладоносителей) Топливо (метано-водородная фраки? Прочие Всего II 40 9 26 ея) 9 5 100.

Принципиальная схема отделении гидратации этилена и выделения спирта и ее описание представлены в приложении [135].

Характеризуя контактное отделение как энергопотребляющий агрегат, следует отметить большое потребление им перегретого пара высокого давления и электроэнергии для привода циркуляционных и подпиточных компрессоров. Одновременно за счет охлаждения парогазовой смеси после реактора генерируется достаточно большое количество пара с давлением 0,45 и 0,25 МПа. Структура теплового баланса системы гидратации представлена на рис. 0.2 [135]. Из рисунка следует, что основной приходной статьей баланса является теплота пара 9 МПа, подаваемого в тройник смешения, подогреватель 3 и перед подогревателем (в сумме 59,2 Незначительную долю в приходной части занимают статьи, связанные с экзотермическим процессом гидратации и нагревом этилена в циркуляционном и подпиточном компрессорах (всего 5,2%),.

Расход пара 9 МПа на типовую систему гидратации составляет 3−3,5 кГ/с, и поэтому весьма важным представляется правильное решение вопросов последующего использования теплоты этого пара. В соответствии со структурной схемой теплового баланса системы теплота парогазовой смеси полезно используется для следующих целей:

1. Получение насыщенного пара давлением 0,45 МПа в котлах-утилизаторах 6 (5,43 МВт или 26,6% от расходной части).

2. Получение насыщенного пара давлением 0,25 МПа в котлах-утилизаторах 7 (1,43 МВт или 7% от расходной части).

3. Направляется на ректификацию с конденсированными продуктами парогазовой смеси (2,36 МВт или 11,7% от расходной части).

Таким образом, суммарное полезное использование теплоты составляет 45,3% от расходной части или 76,5% от теплоты, введенной в.

Экзотермические ршции.

2,3% к о о «1.

Пар днпа в тройник 5.

Подача пара.

Б ГЭ5 ИЕрЕЯ 3.

Тнплота е> гщогревдтмь 3.

5,7% Потери Ъ окружающую СРЕЛУ о о 1.

КОНДЕНСИРОЪаННЫЕ.

Пар 0, г5 МПа.

Пар 0,45 МП а.

РЕГЕНЕРаи, ИЯ ТЕПЛОТЫ.

СВЕЛИИ ЭТИ ПЕК И ТЕ плота в КОМПРЕССОРЕ.

Обратный газ г. сО.

Н, 7 7,.

Охлаждающая вода.

Рис.О.2. Диаграмма теплового баланоа системы гидратации этилена. систему с паром 9 МПа.

Потребление пара с давлением 0,45 МПа связано в основном (86%) с обеспечением работы кипятильников ректификационных колонн при температурах в кубовой части П5−135°С. Удельный расход пара составляет при этом 3,3 т/т товарного продукта.

Среди нефтехимических установок с высокотемпературными головными процессами следует в первую очередь отметить производства на основе пиролиза углеводородного сырья, производящие такие важные полупродукты нефтехимии как этилен, пропилен, бутадиен, простейшие ароматические углеводороды. Первое место среди этих полупродуктов по объему производства занимает этилен. Среди отечественных [23,73,96,122,123,133] и зарубежных [203,221,229,236, 245] нефтехимиков установилось мнение, что проблема производства этилена является ключевой для всей нефтехимической промышленности. Такое мнение иллюстрируется высокими темпами мирового потребления этилена в связи с тем обстоятельством, что кроме возрастания производства традиционных продуктов на его основе (полиэтилен, окись этилена, этиленпропиленовый СК), в последние годы увеличивается потребление этилена для синтеза виншшгорида, ацеталь-дегида, винилацетата в связи с заменой более дорогого синтеза этих продуктов на основе ацетилена. Поэтому сейчас трудно себе представить достаточно крупный нефтехимический комбинат, в составе которого не было бы установки по пиролизу углеводородов с последующим получением этилена, пропилена и других сопутствующих полупродуктов.

В приложении приведен современный вариант принципиальной схемы отделений пиролиза углеводородного сырья и компримирования пиролизного газа этиленовой установки, а также дано описание этой схемы [65]. Энергопотребление этиленовой установки определяется в основном расходованием больших количеств топлива в пиролиз ные печи и затратами энергии для привода основного компрессора пирогаза и компрессоров этиленового и пропиленового холодильных циклов системы газоразделения.

Тепловые испытания пиролизных печей ряда промышленных этиленовых установок позволили установить структуру тепловых балансов, представленную в табл. 0,4.

Таблица 0.4.

Структура теплового баланса печной секции пиролизной установки с закалочно-испарительными аппаратами.

Статьи прихода теплоты Доли статей,$ Статьи расхода теплоты ¦ Доли статей,$.

Химическая теплота топлива ¦ 96,3 Физическая теплота пирогаза — 61,4.

Физическая теплота сырья 2,0 в т. ч. используемая в ЗИА 30,0.

Теплота пара разбавления 1,7 Подогрев питательной воды для ЗИА С уходящими дымовыми газами Неучтенные статьи и потери в окружающую среду 6,2 25,0 7,4.

Итого: 100,0 Итого: 100,0.

Как следует из таблицы, неиспользуемая в печной секции теплота составляет около 56% от приходной части баланса и представлена физической теплотой дымовых газов (около 25%) и пиролизного газа после ЗИА (около 31/0. В современных схемах этиленовых установок (например, ЭП-300,ЭП-450) глубокое использование теплоты пиролизного газа реализуется на стадиях выделения из него высоко-кипящих углеводородов (поз.15), бензиновых фракций и водяных паров (Кол.10, рис.ПО.4). В результате удается регенерировать около 15% теплоты приходной части баланса. Наиболее реальным путем, более глубокого использования физической теплоты дымовых газов представляется установка дополнительных поверхностей нагрева в конвективной части для подогрева питательной воды ЗИА или котлов-утилизаторов типа Г-345 для получения пара среднего давления. Следует заметить, что первый путь имеет ограниченные возможности вследствие достаточно высокой температуры питательной воды после экономайзерной поверхности пароперегревательной печи. Второе направление реализовано на ряде отчественных установок средней мощности.

Для оценки баланса выработки и потребления энергетического пара в этиленовой установке нами проведены соответствующие расчеты применительно к схеме, изображенной на рис. 0.3 [148]. Особенностью схемы являются встроенные в конвективные части печей пиролиза индивидуальные пароперегреватели вместо централизованной печи 3 (рис.ПО.4). Кроме того, исследовался вариант привода компрессора пирогаза от турбины с противодавлением, поскольку потребности в паре давлением 0,6−0,8 МПа в условиях нефтехимических объединений весьма велики [67,147].

На рис. 0.4 представлены расчетные зависимости количества пара, получаемого в утилизационной установке для различных режимов пиролиза, от давления генерации при следущих условиях: температура питательной воды Ю2°Стемпература уходящих дымовых газов 180°Спроизводительность установки по этилену 300 тыс. т/годгодовое число часов использования установленной мощности 8000- сырье — црямогонный бензин. Из рис. следует, что количество используемой для генерации пара теплоты зависит от режима пиролиза, причем в «жестких» условиях процесса выработка пара на 20% больше. щ< чтател ъная.

Сырье.

Вода.

Пар на.

Перегретый Пирога3.

Рио.О.-З. Схема использования физического тепла отходящих продуктов пиролизной печи.

1-конвективная часть- 2-паросборник- 3-закалочно-испарительный аппарат- 4-радиантная часть. кг/с М.

30 го 10 i • V ч • f* > • <? / «к <2 ' в в * • шшт П п ч II П fl — 6 — п К ^^^.

К К К б ш.

KZ.

Р0,МПа.

Rí-e.0.4.Зависимость выработки и потребления пара на привод компрессора пирогаза от параметров rapa для различных условий пиполйза.

— выработка пат——- погоебление папа при степени сжатия в комгшессоре р /d^Ü——го ге при Рр/с^=2й:А-жесткий, Б-шгкий режим! пиролиза-температура перегрева гйра 440 CtI, 54UuC-2;

П-противодавленческие турбины. К-конденсационные турбины.

На том же рисунке представлены расчетные кривые потребления пара на паротурбинный привод компрессора пирогаза в зависимости от давления в утилизационном парогенераторе. При этом приняты различные соотношения давлений газоразделения рг и пиролиза рп, определяющие степень сжатия в компрессоре, и различные типы турбин (конденсационные и с противодавлением).

Расход пара на турбины определяется по известному соотношению.

Л, «кп п МкМ (0−1)' где — мощность на валу компрессора пирогаза, кВт;

• § энтальпия пара на входе в турбину, кДж/кГЦ — конечная энтальпия пара при адиабатическом расширении в турбине, кДж/кГ-⁰¹ Л ~ внутР61 111&tradeотносительный и механический к.п.д. турбины. Из рисунка 0,4 следует, что наиболее экономичный в условиях нефтехимического предприятия вариант привода компрессора пирогаза турбиной с противодавлением может быть осуществлен при достаточно жестких ограничениях по давлению генерируемого пара и температуре перегрева. Более того, из рисунка видно, что в случае «мягкого» режима пиролиза практически при рг/рп > 13 не удается обеспечить паротурбинный привод необходимым количеством утилизационного пара. Несколько лучше с этой точки зрения условия «жесткого» режима, когда при начальном давлении пара более 10 МПа и температуре перегрева 540 °C обеспечивается необходимая мощность турбопривода для степени сжатия в компрессоре около 20−25.

Анализируя результаты расчета, следует иметь в виду также следующее. Во-первых, в расчетах принято давление в системе га-зоразделенил рг =4,0 МПа при степени сжатия в компрессоре пирогаза около 20, что соответствует давлению пиролиза около 0,2 МПа.

Пиролиз в таких условиях протекает, как известно, с низким выходом простых олефинов и повышенным образованием высококипящих углеводородов и кокса. Более целесообразным поэтому является рассмотрение условий энергообеспечения при значении Рр/Р^ около 35−40. Во-вторых, значительными потребителями энергии при производстве этилена являются пропиленовые и этиленовые компрессионные холодильные установки системы газоразделения. Как показывают расчеты, потребная мощность этих комцре с сорных агрегатов даже несколько превышает мощность компрессора пирогаза. Таким образом, решение задачи автономного энергообеспечения этиленовой установки требует экономически обоснованного ввода дополнительного (по сравнению с технологически необходимым) топлива в систему в сочетании с наивыгоднейшим:' использованием получаемого пара.

В современных этиленовых установках местом ввода дополнительного топлива является пароперегревательная печь 3 (рис.ПО.4) с конвективной поверхностью для нагрева питательной воды зака-лочно-испарительных аппаратов. Около 40% полезной тепловой нагрузки печи приходится на экономайзерную часть, остальное — на перегрев пара. Следует отметить также, что в качестве привода компрессоров пирогаза и цропиленового хладоагента используются турбины с отбором пара при давлении около 1,2 МПа. Для увеличения вырабатываемой мощности от 25 до 70% рабочего пара переводят в часть низкого давления турбины. Такое решение принимается из анализа потребления пара давлением 0,8−1,0 МПа только этиленовой установкой без учета нужц сопутствующих производств в составе нефтехимического объединения и потому не может быть признано верным.

Большая группа высокотемпературных головных процессов крупнотоннажных нефтехимических производств связана. с осуществлением дегидрирования углеводородов, в результате которого парафиновые углеводороды переводятся в олефиновые и диеновые. Народнохозяйственное значение продукции производств этой группы очевидно. При отсутствии в нашей стране натуральных каучуков чрезвычайно важной проблемой нефтехимии является производство синтетических заменителей. Особое место среди них занимают стереорегулярные полибутадиеновые и полиизопреновые синтетические каучуки, основная доля затрат при производстве которых приходится на получение мономеров (бутадиена и изопрена) [20]. Упрощенная (в части вцце-ления и кондиционирования продукта) схема получения бутадиена из н-бутана двухстадийным дегидрированием, а также ее описание приведены в приложении [69]. Технологическая схема получения изопрена двухстадийным дегидрированием изопентана по структуре и рабочим параметрам процессов имеет много общего с приведенной, поэтому аналогичными являются и сведения по потреблению топливно-энергетических ресурсов.

Структура потребления различных видов энергоносителей при производстве бутадиена двухстадийным дегидрированием по результатам обследования одного из заводов СК [69] представлена в табл.0.5.

Несколько особое положение среди высокотемпературных нефтехимических процессов (третья группа классификации) занимает производство формальдегида. Его отличительная особенность состоит в окислительном дегидрировании метанола, в результате чего достигается практически полная сбалансированность экзотермических и эндотермических реакций. Несмотря на высокий температурный уровень головного процесса, топливо в узле контактирования не потребляется. Схема и краткое описание производства по данным.

Таблица 0.5.

Структура потребления энергоносителей по стадиям процесса в производстве бутадиена (% от общего потребления).

Стадия процесса! Топли-, Элект- ! Тепловая! Хладоносители! Вода во ' роэнер-! энергия !! обо! !гия !пар! пар !+0°C!+7°C!-I2! £°т.

ОП Нал. I 1¹.

1,0! 1,5 !

Ша МПа t t.

Дегидрирование н-бутана, охлаждение контактного газа.

Дегидрирование бутилена, охлаждение контактного газа.

Выделение бутанбутиленовой фракции.

Выделение бутилен-бут адиеновои фракции.

Разделение бутан-бутиленовой фракции.

Выделение и очистка бутадиена.

Прочие.

35,7.

64,3.

10,6 10,0.

43,0.

20,3 14,3.

1,8.

42,5.

3,3.

41,7.

6.7.

5.8.

5.1 35,5.

14,7.

16,0 22,2.

4.2.

2.3.

Всего :

175] приведено в приложении.

В себестоимости формальдегида энергоресурсы составляют около 20% и представлены в основном затратами на пар. Удельные (на I т. формальдегида) энергетические затраты характеризуются следующими цифрами:

Пар 0,6 МПа, ГДж — 13,8 в том числе собственного производства, ГДй — 5,5.

Хпадоноситель +5°С, ГДж — 0,4.

Вода промышленная, м3 — 205,0.

Вода хим. очищенная, м3 — 1,0.

Электроэнергия, кВт. ч — 93,0.

Воздух технологический, м3 — 2,7.

Потребление механической (электрической) энергии в соответствующем нефтехимическом производстве зависит от принятого для головного процесса или в установках выделения и очистки продукта давления. Выбор давления зависит ото большого числа факторов. Влияние давления на головной процесс определяется принципом Ле-Шателье. Если основная реакция идет с уменьшением объема, то повышение давления в реагирующей системе способствует увеличению выхода целевого продукта. В альтернативной ситуации головной процесс выгодно вести при небольшом избыточном давлении или даже в вакууме. В последнем случае для исключения подсоса воздуха реакцию проводят также при небольшом избыточном давлении, но при разбавлении реагентов инертным газом, в качестве которого часто используется водяной пар.

Уровень давления в системе аппаратов для выделения продукта и его очистки определяется физико-химическими особенностями соответствующего процесса, отрешением за счет увеличения давления снизить габаритные размеры трубопроводов и аппаратов, задачей выбора наиболее дешевого энергоносителя. В связи с этим процесс абсорбции, например, проводят при повышенном давлении (бутадиен, окись этилена).

По максимальному давлению, имеющему место, в головном процессе или при выделении и очистке, крупнотоннажные нефтехимические производства можно условно разделить на три группы. Производства с рабочим давлением, близким к атмосферному (Р ^ 0,2 МПа), характеризуются весьма незначительным потреблением механической (электрической) энергии. К этой группе можно отнести производства фталевого и малеинового ангидридов, изопро-пилбензола и этилбензола, дихлорэтана, формальдегида. Например, удельные затраты электроэнергии на одну тонну формальдегида составляют всего 93 кВт. ч и связаны с подачей воздуха на окисление метанола и перекачкой жидких продуктов при выделении и очистке (схема рис.ПО.6).

В производствах второй группы (давление 0,2−1,0 МПа) доля электроэнергии в энергозатратах на получение целевого продукта заметно выше. Повышенная потребность в электроэнергии определяется необходимостью сжатия компонентов основной реакции перед реактором (производства ацетальдегида, Ш ИПБ, дихлорэтана ок-сихлорированием) или перед подготовительным процессом абсорбции (производство изопропилового спирта сернокислой гидратацией пропилена). В еще большей мере возрастает потребность в механической энергии на привод технологического оборудования в схемах, работающих с рециркуляцией непрореагировавших компонентов. Так, в производстве ацетальдегида каталитическим окислением этилена большая часть затрат электроэнергии приходится на циркуляционный компрессор.

Технологические процессы большой группы крупнотоннажных производств связаны с повышенным давлением в системе контактирования или при выделении продукта (больше I МПа). Так, в этилено-пропиленовых установках, производствах мономеров для СК дегидрированием углеводородов головные процессы происходят при практически атмосферном давлении, однако последующее разделение газовых смесей целесообразно при повышенном давлении (в установках ЭП до 4 МПа, в производстве бутадиена и изопрена — до 1,5 МПа). В результате в калькуляции себестоимости этилена с учетом общезаводских затрат (производство без ЗИА) электроэнергия на привод газовых компрессоров составляет более 10%, В производстве бутадиена двухстадийным дегидрированием н-бутана 77,6% потребляемой электроэнергии приходится на стадии выделения и разделения бутан-бутиленовой и бутилен-бутадиеновой фракций.

Ряд производств (окись этилена, этиловый спирт) имеют повышенное давление на стадиях контактирования и выделения. Особенность их состоит также в том, что из-за низкой степени конверсии этилена за один проход через реактор осуществляется рециркуляция газа после выделения целевого продукта. Это обстоятельство существенно повышает затраты энергии на привод технологи- ' ческого оборудования. В результате на одну тонну окиси этилена, например, затраты электроэнергии составляют (без учета собственной выработки механической энергии) около 3500 кВт.ч.

Таким образом, классификации крупнотоннажных нефтехимических производств по температуре головного процесса и применяемому в технологической схеме давлению позволили выделить группы установок нефтехимического синтеза, различающиеся уровнем потребления топлива и электрической (механической) энергии. Эти классификации дают возможность отметить производства, имеющие наибольшие удельные показатели по расходованию указанных энергоресурсов и на их примере сформулировать задачи совершенствования энергоиспольз ования.

Несколько сложнее обстоит дело с выбором признака классификации, позволяющего выделить производства с преимущественным потреблением тепловой энергии и хладоносителей. Известно [38], что нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность занимает первое место среди наиболее энергоемких отраслей по абсолютному потреблению тепловой энергии на технологические нужды. Из-за ограниченной селективности головных процессов нефтехимического синтеза практически во всех производствах имеет место сложная система выделения и очистки целевых и побочных продуктов с многократными процессами нагрева, испарения, охлаждения и конденсации углеводородов. В качестве теплоносителя применяется преимущественно пар с давлением от 0,3 до 2,5 МПа. Некоторое различие в технологическом использовании пара имеет место в головных установках. В ряде производств (например, при пиролизе углеводородов на этилен и пропилен) пар подмешивается к сырью для снижения парциального давления углеводородов в реакционной зоне. Соотношение пар-сырье находится в пределах 0,5−1,0 в зависимости от вида сырья. В других производствах с эндотермическими головными процессами (дегидрирование олефинов в диеновые углеводороды) пар также смешивается с сырьем и служит в качестве внутреннего теплоносителя-аккумулятора теплоты и для уменьшения парциального давления углеводородов. В каталитическом процессе прямой гидратации этилена в этиловый спирт используется пар высокого давления (до 9 МПа) в качестве компонента реакции. Соотношение этилен-пар I:(0,6*0,8) обусловливает высокое удельное и абсолютное потребление тепловой энергии в этом распространенном нефтехимическом производстве.

В других головных установках крупнотоннажных нефтехимических производств пар потребляется преимущественно на стадиях подготовки реагентов к реакции (осушка бензола в процессах алкилирова-ния, испарение сырья в установках для получения мономеров СК, формальдегида и т. п.).

Для осуществления конденсации и охлаждения технологических продуктов в процессах подготовки сырья, выделения и кондиционирования целевых компонентов реакционной смеси наряду с охлаждающей водой из систем оборотного водоснабжения широко применяются хладоносители с температурой ниже температуры окружающей среды. Применение таких хладоносителей позволило обеспечить четкое разделение газовых смесей, выделение ценных и токсичных веществ из газов и т. д.

Анализ энергетической составляющей себестоимости ряда продуктов нефтехимии свидетельствует о существенной доле затрат, связанных с получением и использованием в технологических процессах хладоносителей. В таблице 0.6 представлены усредненные данные по удельным расходам холода различных параметров для ряда производств. Показана также доля холода в энергетической составляющей себестоимости продукции при затратах на получение I ГДж холода 4,8 руб. Расходы электроэнергии и воды для получения I ГДтк холода различных параметров в аммиачных компрессионных холодильных установках с хладоно сит елями представлены в таблице 0.7 [213].

Таблица 0,6.

Роль холода в формировании себестоимости некоторых продуктов нефтехимии.

Производство ! !Уд. затраты! Доля холода в на холод,, энергетической •руб/т про—составляющей дукта себестоимостиД.

Этилен.

Дивинил.

Окись этилена.

Формальдегид.

Спирт этиловый.

Синтетическое волокно нитрон.

12,62.

5,03 2,50 6,70 0,42 3,44.

24 12 32 2.

22,3.

34,9.

54,9 9,4 26,5 17,9 21,9.

Таблица 0.7.

Удельные расходы электроэнергии и воды на выработку I ГДк холода [213].

Температура испарения хладоагента, С Электроэнергия, кВт. ч Вода, м3 Температура испарения 0 хладоагента, С Электроэнергия, кВт. ч Вода, м3.

2 87 60,0 -15 137 65,6.

0 91 62,0 -20 153 66,7.

— 5 106 63,2 -30 193 71,6.

— 10 122 64,4 -35 224 79,0.

Приведенные в таблицах 0.6−0.7 данные позволяют наглядно видеть роль систем холодоснабжения в экономических показателях нефтехимических предприятий. Расширение сферы применения холода привело к возрастанию единичных мощностей холодильных установок, появлению центральных холодильных станций, потребление энергии которыми доходит до 15−20 $ от общего энергопотребления предпрятием. Холодильные установки являются также наиболее крупными потребителями воды из систем оборотного водоснабжения химических и нефтехимических предприятий. Так, расход оборотной воды на нужды холодильных станций, отнесенный к тонне продукта, характеризуется следующими величинами [213]: на производство аммиакадо 60 м3- дивинильного каучука — 40 м3- химических и искусственных волокон — от 100 до 750 м³. Для обеспечения работы действующих крупных холодильных установок на конец 1970 года требовалось подавать только для подпитки систем оборотного водоснабжения более 70 тыс. м3 воды в час [119]. В настоящее время с ростом потенциала промышленности нефтехимического синтеза расход воды значительно увеличился.

В последнее время предпринимаются активные усилия по внедрению в промышленную практику абсорбционных холодильных машин, позволяющих получать холод на основе использования вторичных тепловых ресурсов. Обладая рядом несомненных преимуществ, абсорбционные холодильные машины вместе с тем значительно уступают компрессионным холодильным машинам при использовании для получения холода первичной энергии [196]. Кроме того, компрессионные машины, особенно с центробежными компрессорами, наиболее полно удовлетворяют тем особым требованиям, которые предъявляются к холодильным установкам нефтехимических и химических производств. Они обеспечивают большую производительность, широкий диапазон режимных параметров хладоагентов и хладоносителей, а также высокую надежность в связи с необходимостью непрерывного и длительного осуществления технологического процесса нефтехимических и химических производств. Такие обстоятельства привели к положению, когда основное количество холода, потребляемого указанными отраслями промышленности, вырабатывается на холодильных станциях и установках с компрессионными машинами. Они являются главным и универсальным типом холодильных машин сейчас и будут оставаться таковыми в обозримой перспективе.

Таким образом, производства нефтехимического синтеза являются крупнейшими потребителями первичных (топливо) и цреобразо-ванных (тепловая и электрическая энергия, холод) энергоносителей. При перспективном использовании твердых тошшв для получения нефтехимической продукции потребление энергоносителей достигнет еще больших масштабов [81,167], что связано с более низким содержанием целевых компонентов в реакционной смеси. В сочетании с масштабами современного производства нефтехимической продукции это свидетельствует о чрезвычайной актуальности широкой постановки исследований, направленных на снижение расхода энергии на технологические нужды. Пути снижения расхода энергии зависят от вида энергоносителей и включают в себя широкий круг задач, связанных с особенностями работы энергопотребляющего технологического оборудования и установок для преобразования энергоносителей. Нам представляется важным выделить три группы таких задач.

Во-первых, необходимо определить условия работы технологического оборудования, которые обеспечивают оптимальное сочетание высокой технологической эффективности процесса и энергопотребления. Такая постановка задачи характерна для производств, уровень давления или показатели циркуляции в которых существенно влияют на выход целевого продукта и затраты сырья, а также на капиталовложения в основное технологическое оборудование (производства этилена, окиси этилена, этанола, бутадиена, изопрена и т. д.).

Во-вторых, требуется выявить и оптимально использовать внутренние источники энергии технологических процессов для получения необходимых для данного производства энергоносителей. Приведенные схемы крупнотоннажных производств нефтехимического синтеза свидетельствуют о том, что в большинстве современных производств предусмотрено использование ВЭР, однако виды получаемых при этом энергоносителей, направления их использования весьма многообразны и в каждом конкретном случае нуждаются в специальных исследованиях.

В-третьих, внутрипроизводственные установки для получения преобразованных энергоносителей, в частности хладоносителей, представляют собой особый вид технических систем, условия и режимы работы которых, состав оборудования оказывают существенное влияние на экономические показатели энергообеспечения технологических процессов. В связи с этим остро стоят задачи оптимальной организации эксплуатации холодильных установок и их оптимизации при проектировании.

0.2. Проблемы использования вторичных энергоресурсов и получения преобразованных энергоносителей в нефтехимических производствах.

Основными источниками БЭР в нефтехимии являются технологические установки, отличающиеся большим разнообразием осуществляемых в них технологических процессов и в значительной мере аппаратурным оформлением. В наибольшей степени вид, выход и параметры вторичных энергоресурсов определяются особенностями головных процессов в соответствии с предложенными признаками классификации по условиям осуществления основных реакций. В таблице 0.8 представлены характеристики БЭР основных крупнотоннажных производств нефтехимического синтеза, полученные в результате обследования действующих предприятий [63,65,66,68,69,135,166, 167]. В соответствии с «Методикой определения выхода и экономической эффективности использования побочных (вторичных) энергетических ресурсов» [105], утвержденной Госпланом, Госкомитетом по науке и технике и Академией Наук СССР, БЭР в таблице по виду подразделяются на горючие, тепловые и избыточного давления. Сопоставляя представленные в таблице данные с классификацией по условиям осуществления головных нефтехимических процессов (рис. 0.1), можно сделать ряд обобщающих выводов по формированию БЭР.

Во-первых, крупными источниками тепловых БЭР являются производства, основные реакции которых осуществляются в интервале температур 160−500°С. Как следует из таблицы 0.8, к ним относятся в первую очередь процессы гетерогенно-каталитического окисления углеводородов и прямой гидратации олефинов. Источниками тепловых вторичных энергоресурсов в окислительных процессах являются:

Таблица 0.8.

Характеристика вторичных энергоресурсов основных производств нефтехимического синтеза.

Наименование производства.

Агрегат-источник БЭР.

Вид БЭР.

Носитель БЭР.

Характеристика БЭР.

Удельн.вы-'Энергети-ход носи -!ческий теля на ¡-потенциал, основной! кДк/кг продукт, ! кг/кг !

Температура, ос.

Тдля тепловых БЭР) I 2.

Окись этилена.

Установка каталитического окисления этилена.

Акрилонитрил.

Установка каталитического окислительного аммонолиза пропилена.

Этиловый спирт Установка гидратации этилена и выделения водно-спиртового конденсата.

Тепловые.

Горючие.

Избыточного давления.

Тепловые.

Горючие Тепловые.

Этилен и пропилен.

Установка для пироТепловые лиза углеводородно.

Пар от испарительного охлаждения реактора.

Остаточный газ.

Остаточный газ после дожигания горючих компонентов.

Пар от испарительного охлаждения реактора.

Остаточный газ.

Парогазовая смесь после реактора.

ЗД.

7.0 8,4.

5.1 6,6.

21,0.

Отходящие дымо- 4,7 вые газы.

218 446.

3100 до 1500 1600.

250−300.

Продолжение таблицы 0.8.

I, 2 3 4 5 16, 7 го сырья и газоразТепловые Пирогаз 5,0 1730 830 деления Горючие Ме тано-водородна? I 1,1 30 000 фракция.

Бутадиен двухУстановка дегидриГорючие Остаточный газ 1,0 45 000' стадийным дегидрированием рования н-бутана в бутилены Тепловые Дымовые газы 2,6 500 350 н-бутана Тепловые Контактный газ 6,0 1210 580.

Тепловые Газы регенерации катализатора 2,3 680 620.

Установка дегидриТепловые Дымовые газы 13,5 460 350 рования бутиленов в бутадиен Тепловые Контактный газ 37,0 1200 570.

Тепловые Газы регенерации катализатора 0,3 825 600.

Бутадиен одноУстановка дегидриГорючие Остаточный газ 1,7 19 000 стадийным дегидрированием рования н-бутана в бутадиен Тепловые Контактный газ 9,0 1600 600 н-бутана Тепловые Газы регенерации катализатора 36,0 650 630.

Тепловые Дымовые газы 7,8 500 350.

Стирол Установка дегидриТепловые Контактный газ 5,0 640 600 рования этилбензо-ла Тепловые Дымовые газы 1,25 500 400.

Горючие Остаточный газ незнач.

Формальдегид Установка окислиГорючие Остаточный газ 1,8 2300 тельного дегидрироТепловые Контактный газ 4,5 1200 650 вания метанола 9 со основные и побочные экзотермические реакции, осуществляемые в соответствующих контактных аппаратах. Испарительное охлаждение контактных аппаратов позволяет получить пар с предельным давлением, определяемым температурным уровнем реагирования. Удельный эффект тепловыделения при гидратации этилена существенно меньше (таблица 0.1), поэтому тепловые БЭР представлены только физической теплотой парогазовой смеси после контактного аппарата.

Во-вторых, для группы эндотермических процессов с оптимальной температурой реагирования более 500 °C выход тепловых БЭР также значительный, однако они представлены только физической теплотой продуктов реакции (производства этилена, бутадиена, стирола, изопрена). Поскольку температурный уровень головных процессов для этой группы выше 500 °C, то параметры получаемого утилизационного пара определяются в основном нуждами потребителей и отрешением возможно глубже охладить продукты реагирования. По существу аналогичное положение имеет место в производстве формальдегида из метанола. Разница только в том, что совмещение процессов окисления (экзотермический эффект реакции) и дегидрирования метанола (эндотермический эффект) позволяет обеспечить автотермический режим работы реактора.

В-третьих, во всех газофазных каталитических процессах окисления с применением воздуха и дегидрирования, протекающих с ограниченной селективностью, после выделения целевых компонентов остается газ с различной степенью насыщения горючими веществами. Топливное использование таких остаточных газов позволяет существенно увеличить внутренние энергетические ресурсы технологических процессов и являются поэтому важным фактором совершенствования энергоиспользования.

Приведенные характеристики нефтехимических производств по уровням и параметрам энергопотребления, по выходу и потенциалам вторичных энергоресурсов позволяют видеть, что производство этилена и сопутствующих ему продуктов относится к числу самых энергоемких в нефтехимии и одновременно является наиболее крупным источником БЭР. Б связи с этим перспективы развития этого производства и оптимального использования его вторичных энергоресурсов в значительной степени определяют перспективную эффективность энергопотребления по отрасли в целом. Исследования экономистов [133] по прогнозированию потребления этилена свидетельствуют о тенденции по дальнейшему наращиванию производства этого ценного полупродукта нефтехимии как у нас в стране, так и за рубежом. Таким образом, значимость исследований по рациональному энергоиспользованию в производстве этилена постоянно возрастает. В связи с этим отметим некоторые моменты развития этого производства, обусловливающие изменения в выходе и использовании БЭР.

Одним из важных вопросов является проблема углеводородного сырья для пиролиза на этилен. По данным [133] следует ожидать в ближайшей перспективе широкого вовлечения в сырьевой баланс производства этилена более тяжелых видов углеводородов вплоть до сырой нефти. Указанное обстоятельство несомненно скажется на удельных расходах энергии и выходах вторичных энергоресурсов. В таблице 0.9 по данным [203] представлены некоторые показатели зарубежных этиленовых установок мощностью 450 тыс. т этилена в год. Как следует из таблицы, утяжеление сырья для пиролиза при постоянной выработке этилена приводит к резкому увеличению количества подвергаемых пиролизу углеводородов. Безусловно это обстоятельство повлечет за собой соответствующее увеличение потребления топливно-энергетических средств на стадии пиролиза. Одновременно следует ожидать существенного увеличения выхода тепловых.

Таблица 0.9.

Некоторые показатели этиленовых установок [203].

Показатели.

Капиталовложения, млн. долл.

Выход продуктов, тыс. т отходящий газ этилен пропилен бутилены бутадиен.

Общий расход сырья, тыс.т.

95,3 454,0 17,2 3,4 7,9.

594,6.

324,0 454,0 174,6 15,0 34,5.

1080,2.

285,0 454,0 238,3 77,6 33,2.

1135,3.

250,0 454,0 233,8 65,8 65,8.

1453,0.

150,0 454,0 261,0 84,0 68,0.

1724,5.

195,0 454,0 279,0 86,2 79,3.

1946,7.

ВЭР в виде физической теплоты дымовых газов и пиролизного газа. Увеличение доли высококипящих продуктов пиролиза усложнит задачу рационального использования физической теплоты пирогаза в процессах подготовки его для компримирования.

Другой важной особенностью установок с пиролизом утяжеленного сырья является по существу их комплексный характер [23]. Как следует из таблицы 0.9, на установках ЭП-450 значительный выход ценных побочных продуктов делает целесообразной выработку наряду с этиленом пропилена, бутиленов, бутадиена*, бензола, изопрена, циклопентадиена и многих других органических полупродуктов. Структура энергозатрат при переработке пиролизных фракций существенно отличается. Если производство этилена в основном сопряжено с расходом топлива, то для производства всех остальных продуктов из фракций С4-С5 и выше характерен повышенный расход пара. Это обстоятельство в значительной мере обусловливает целесообразность производства продуктов из фракций С4-С5 и выше в комплексе с этиленовой установкой, вырабатывающей большое количество пара. Комплексный характер технологического производства будет способствовать в этом случае наивыгоднейшим условиям использования БЭР.

В таблице 0.10 по [23] приведены данные, характеризующие изменение энергетических затрат в пиролизное производство по видам энергоносителей в условном топливе при изменении глубины переработки сырья. Из таблицы видно, что при глубине переработки выше 67% основное приращение энергозатрат связано с увеличением потребления пара. Влесте с тем удельный расход суммарных энергосредств на тонну продукции не изменяется и находится на уровне 0,7 т.у.т. за счет увеличения выпуска товарной продукции [23].

Переработка тяжелых видов сырья на олефины (сырая нефть, вакуумные газойли) потребовала развития исследований по совершенствованию трубчатых реакторов и поиску принципиально новой технологии пиролиза. В [23] сообщается о работах японской фирмы «Чийода» и американской «Юнион Карбайд» по созданию нового модернизированного реактора пиролиза, прошедшего успешные испытания на нефти и других видах сырья. Одна из принципиальных особенностей реактора состоит во времени пребывания сырья в реакционной зоне на порядок меньшем, чем в обычном «жестком» режиме пиролиза.

Среди принципиально новых процессов пиролиза следует отметить процессы с использованием кипящего слоя и непосредственным контактом сырья и теплоносителя [233], пиролиз в водородной плазме при температуре 3800−4000°С фирмы «Гёхст-2юлъс» (ФРГ).

Таблица 0.10 Энергетические затраты при различной глубине комплексной переработки низкооктанового бензина на установке ЭП-450 [23].

Показатели ! Глубина переработки сырья,%.

53.4 67.0 70,3 72.1.

Товарная продукция, % 100,0 125,8 149,7 157,3.

Энергозатраты, тыс. т у.т 553,2 666,7 698,0 709,5 в т. ч. топливо 475,5 520,7 524,2 527,6 пар 50,4 108,1 130,4 136,7 электроэнергия 10,6 17,9 18,9 20,6 вода 16,2 19,4 23,8 23,9 прочие 0,5 0,6 0,7 0,7.

Выработка собственных 552,2 552,6 552,6 энергетических средств, 492,9 тыс. т у.т.

Энергозатраты за вычетом собственной выработки, 60,3 114,5 145,4 156,9 тыс. т у.т.

123] и другие. Аналогичные исследования проводятся и у нас в стране [133].

Несмотря на принципиально новые решения в оформлении методов термического воздействия на пиролизуемое сырье, само содержание головного процесса остается неизменным: расщепление исходных молекул углеводородов по углерод-углеродным связям с сопутствующими процессами дегидрирования и циклизации. Б связи с этим способы последующей обработки продуктов пиролиза, характер процесса пиролиза как источника БЭР изменится незначительно.

Если при производстве этилена основное количество тепловых БЭР связано с физической теплотой пиролизного газа, то в большой группе производств с окислительными головными процессами основным источником являются тепловыделения в процессе реагирования.

Анализ современных нефтехимических процессов, предлагаемых зарубежными фирмами [175], позволяет сделать ряд выводов по перспективному развитию окислительных реакций в нефтехимической технологии.

Во-первых, круг продуктов, получение которых экономически выгодно в промышленных масштабах с применением процессов окисления углеводородов, непрерывно расширяется. К таким продуктам относятся уксусная кислота окислением н-бутенов и легкого углеводородного дистиллята, ацетон окислением пропилена, бензойная кислота окислением толуола и т. д. Все указанные процессы организуются с испарительным охлаждением реакционных аппаратов и получением пара. По мере внедрения таких процессов в отечественную нефтехимию ресурсы внутренней энергии нефтехимических производств существенно возрастут.

Во-вторых, перспективным направлением проведения окислительных процессов является применение чистого кислорода вместо воздуха. Такое решение приводит, как правило, к уменьшению суммарных (включая получение кислорода) энергозатрат за счет снижения балластных компонентов при первоначальном сжатии и особенно при рециркуляции остаточного газа (например, при получении окиси этилена и ацетальдегида). Применение кислорода в окислительных головных процессах нефтехимического синтеза влечет за собой некоторое уменьшение выхода горючих ВЭР в виде остаточного газа и ВЭР избыточного давления в производствах, осуществляемых при повышенном давлении.

В таблице 0.8 представлены данные по выходам различных видов ВЭР в производствах бутадиена — типичного мономера для получения синтетического каучука. Следует заметить, что по выходу и потенциалу ВЭР производство изопрена, другого важного мономера для СК, имеет много общего с производствами бутадиена. Тепловые БЭР этих производств представлены физической теплотой дымовых газов трубчатых печей, контактных газов установок дегидрирования углеводородов и дымовыми газами после регенерации катализаторов. Представляет интерес прогнозирование развития производств мономеров для СК и соответственно выхода и использования БЭР в этих производствах. Из таблицы видно, что наибольшими возможностями по выходу и использованию БЭР обладают методы двухстадийного дегидрирования углеводородов для получения основных мономеров СК. Среди действующих установок эти методы занимают наибольшую долю в производстве мономеров. Вигесте с тем технико-экономические показатели таких промышленных установок не являются наилучшими. Б таблице 0.11 представлены результаты сопоставления по укрупненным показателям основных промышленных методов получения бутадиена [20]. Для установки получения бутадиена из спирта в таблице не учтены капитальные затраты на сопряженные производства синтетического спирта. Вместе с тем известно, что капиталовложения в такие установки, основанные на процессе гидратации этилена, являются весьма значительными. Двухстадийный процесс получения бутадиена дегидрированием н-бутана имеет по сравнению с другими методами ряд недостатков, вызванных его многостадийностью: сложность технологической схемы и соответственно высокие капиталовложения, большой расход энергетических средств в связи с необходимостью разделения продуктов контактирования после калздой стадии дегидрирования. В связи с этим в перспективе следует ожидать увеличения объема производства бутадиена в первую очередь за счет выделения его из пиролизных фракций С^ этиленовых установок, а также на основе метода одностадийного дегидрирования н-бутана под вакуумом [133]. Таким образом, уже в ближайшей перспективе будет.

Таблица 0.11.

Сопоставление основных промышленных методов получения бутадиена [20] мРтП7Т! Удельные капитало- !Себе-!Приведен-е ид вложения,%% !стои-!ные заЭнерго-затра.

Собственные затраты С учетом затрат на топливно-энергетич, средства мость! %% • 1 4 традц, /о/о Ъ.

Дегидрирование н-бутана двухстадий-ное 480 72 53 68 77.

Дегидрирование н-бутана одностадийное под вакуумом 350 47 39 50 34.

Выделение бутадиена из пиролизных фракций С^ 57 20 14 16 4.

Получение бутадиена из спирта 100 100 100 100 100.

Таблица 0.12.

Сопоставление различных методов получения изопрена [20].

Метод.

Удельные к.

— из изобутилена и формальдегида: при получении изобутилена из изо-бутана при использовании изобутилена из пи-ролизной фракции С^.

— дегидрирование изо-пентана двухстади% ное 1.

— дегидрирование изо пентана одностадийное под вакуумомвыделение изопрена из пиролизной фракт ции С^.

100 100.

91 47.

100 102.

97 76.

100 85.

98 62.

100 89.

92 57.

Энергозатра-> о/о.

100 106.

112 61 тлеть место существенное уменьшение удельных выходов ВЭР ггри производстве бутадиена.

Менее ясная и противоречивая картина складывается в производствах изопрена, сопоставление которых приведено в таблице 0.12 [20] .Наиболее освоенными в промышленных масштабах являются методы получения изопрена из изобутилена и формальдегида и двухстадийным дегидрированием изопентана. Экономические показатели других методов основаны на результатах, полученных на опытно-промышленных установках. Из таблицы следует, что реализованные в промышленности методы по капиталовложениям отличаются незначительно, а по себестоимости изопрена, приведенным затратам и энергозатратам двухстадийное дегидрирование изопентана оказывается выгоднее. В [133] приведены несколько другие результаты. Так, удельные капиталовложения с учетом затрат в сопряженные отрасли по двухстадийному дегидрированию больше на 10 $, по себестоимости — на 18 $, по приведенным затратам — на 15 $. В [133] указывается также, что при каталитическом дегидрировании изопентана под вакуумом в адиабатических реакторах образуется значительное количество вредных примесей пиперилена и ацетиленовых соединений, что существенно усложняет технологическую схему и приводит к увеличению энергозатрат на стадии очистки целевого продукта. По расчетам авторов [133] на уровне 1985 года конденсацией формальдегида и изобутилена различного происхождения будет получаться 46 $ изопрена и 25 $ - двухстадийным дегидрированием изопентана. В связи с этим ожидать в ближайшей перспективе существенных изменений в удельных выходах ВЭР по сравнению с существующими не приходится.

Таким образом, краткое рассмотрение перспектив развития групп агрегатов — источников ВЭР крупнотоннажных производств нефтехимического синтеза свидетельствует об определенной стабиль-, ности в удельных выходах и потенциалах БЭР на обозримый период по сравнению с существующими промышленными схемами. Это обстоятельство представляется весьма важным, поскольку позволяет при исследованиях энергоиспользования нефтехимических производств, при реализации методов оптимизации энергопотребления основываться на материальных и энергетических балансах современных промышленных установок.

Важной особенностью развития нефтехимических производств является возрастание единичной производительности технологических агрегатов [23,49,61,122,133,171]. Основные преимущества концентрации производства состоят в ускорении темпов его развития, сокращении капитальных и текущих затрат на единицу мощности, повышении производительности труда, экономии сырья и энергии, В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года» указывается на необходимость «.повышать в оптимальных пределах единичные мощности машин и оборудования при одновременном уменьшении их габаритов, металлоемкости, энергопотребления и снижения стоимостина единицу конечного полезного эффекта.» [2]. Следствием концентрации производства в нефтехимии является увеличение мощности источников вторичной энергии. Так мощность тепловых ВЭР этиленовой установки на 300 тыс. т в год составляет 150−200 МВт Св зависимости от вида сырья), суммарная мощность ВЭР установки двухстадийного дегидрирования н-бутана производительностью 50 тыс. т в год по бутадиену — около 200 МВт.

В условиях большой единичной производительности технологических агрегатов мощность энергопотребляющих и энергогенерирую-щих на базе внутренних источников энергии установок нефтехимических производств становятся таким образом соизмеримыми с мощностью крупных современных специализированных энергопроизводств. Указанные обстоятельства создают принципиально новую ситуацию в вопросах исследования, проектирования и эксплуатации энергогене-рирующих установок на базе использования БЭР.

Во-первых, создаются условия для органической увязки энергетических и технологических процессов в составе одного производства с целью обеспечения максимального экономического эффекта. Таким образом, следует рассматривать уже не в отдельности технологическую и энергетическую установки, а энерготехнологический комплекс [51,53,145,146,149,206,207].

Во-вторых, значительная мощность энергогенерирующих установок позволяет применять современную энергетическую технику, обеспечивающую наиболее экономичное использование внутренних источников энергии технологического производства. В связи с этим становится целесообразной постановка ряда задач исследований, свойственных специализированным энергогенерирующим производствам, с учетом конкретных особенностей технологии производства и места энергетического агрегата в энерготехнологической схеме.

В-третьих, комплексный характер производства позволяет существенным образом на основе современных решений в энергетике повысить эффективность некоторых технологических процессов, основанных на подводе и отводе теплоты. Важными моментами таких решений являются использование эффективных форм поверхности теплопередачи, проведение процессов при повышенном (или пониженном) давлении, применение специальных видов энергоносителей.

В-четвертых, комплексный характер энерготехнологической схемы позволяет обеспечить эффективное использование всех видов вторичных энергоресурсов, включая низкопотенциальные тепловые.

БЭР. Это обстоятельство создает дополнительные возможности по увеличению выработки энергии в энерготехнологической схеме и на этой основе для снижения потребления энергии из энергосистемы.

В-пятых, в составе энерготехнологического производства наивыгоднейшим образом могут быть решены вопросы уменьшения или даже полного предотвращения вредного воздействия производства на окружающую среду на базе безотходных энерготехнологических систем. В частности, установки по термическому или каталитическому обезвреживанию отходов производства могут быть органично и с высокой экономической эффективностью вписаны в тепловую схему энерготехнологического комплекса.

Таким образом, современное развитие крупнотоннажных нефтехимических производств должно базироваться на принципах энерготехнологии, обеспечивающей наиболее радикальное решение вопросов совершенствования энергоиспользования. Основная задача энергоиехнологического комбинирования может быть сформулирована следующим образом: должны быть найдены такие схемы, параметры и аппаратурное оформление энергетических и технологических процессов в рамках одного производства, которые обеспечивают, взаимно дополняя друг друга, максимальный экономический эффект и предотвращение вредного воздействия производства на окружающую среду. В этом случае нельзя говорить о механической совокупности аппаратов и машин с технологическими и энергетическими процессами (пусть даже самыми прогрессивными в своей области). Опнов-ной признак энерготехнологического комбинирования состоит в оптимальном взаимном влиянии энергетики и технологии. При этом имеется в виду, что такое влияние достигается определенным комплексом параметров работы энергетических и технологических устройств, обеспечивающих максимальный экономический эффект.

Вопросам использования вторичных энергоресурсов посвящено, особенно в последнее время, достаточно много работ отечественных и зарубежных авторов. Большая группа работ [25,28,32,38,48,54, 88,90,103,141,217,219,222] посвящена описанию примеров использования ВЭР в различных отраслях промышленности: целлюлозно-бумажной [141], химической и нефтехимической [25,32,38,48,54, 103,217,219], металлургической [28]. В ряде публикаций обсуждаются методы оценки эффективности использования ВЭР [183,184] и определения себестоимости энергии, получаемой в утилизационных установках [76,86]. Признавая несомненную важность поднимаемых в указанных работах проблем, следует вместе с тем заметить, что в современных условиях, когда имеет место удорожание добычи и транспорта органического топлива, недостаточно поставить вопрос о необходимости использования вторичных энергоресурсов. Это общепризнано и реализуется цри проектировании новых технологических установок и модернизации действующих. В настоящее время остро стоит задача оптимизации использования ВЭР, при которой обеспечивается максимальный народнохозяйственный эффект в условиях сложившихся цен на топливо, преобразованные энергоносители и утилизационное оборудование.

Логическим продолжением задачи оптимизации использования ВЭР является применение изложенных выше принципов энерготехнологического комбинирования в энергоемких производствах основных отраслей промышленности. В ряде работ выполнены исследования и оптимизация параметров пара, получаемого в котлах-утилизаторах для последующего использования в паросиловых установках. Так, в работах А. И. Андрющенко и сотрудников [10,94,215] получены расчетные уравнения, позволяющие определить термодинамически оптимальное давление пара в котле-утилизаторе и эффективность регенеративного подогрева питательной воды. В качестве критерия эффективности работы утилизационной установки принята удельная (на I кг носителя тепловых ВЭР) полезная работа соответствующей паротурбинной установки. В работе В. Е. Аракелова [14] подобные исследования выполнены с использованием ЭШ.

Вопросам исследования параметров тепдоутилизационных установок ГТУ с целью обеспечения максимальной полезной работы паровых турбин на утилизационном паре посвящены работы И.Л.Юращи-ка и Б. В. Сазанова [216], В. М. Дацковского [50]. В работах [5,18, 19] сделана попытка разработки рекомендаций для определения экономически целесообразной глубины охлаждения носителей тепловых ВЭР в котлах-утилизаторах. Полученные уравнения [18,19] и номограммы [5] характеризуются упрощенностью исходного экономического критерия и неопределенностью некоторых из применяемых величин.

Положительно оценивая приведенные работы по оптимизации использования ВЭР, необходимо вместе с тем сделать ряд замечаний, которые препятствуют их широкому использованию в инженерной практике. Во-первых, выделение для рассмотрения в задачах оптимизации только утилизационных установок, без учета особенностей работы агрегата-источника ВЭР и потребностей всей технологической установки в преобразованных энергоносителях представляется ошибочным. Основополагающей позицией в этом вопросе должны быть соображения о том, что оптимальный вариант использования ВЭР определяется оптимальным вариантом энергоснабжения при получении заданного народнохозяйственного эффекта. Выбор того или иного варианта использования пара котлов-утилизаторов в каждом конкретном случае должен быть экономически обоснован применительно к местным (особенности технологической установки или производства) условиям энергопотребления и энергоснабжения. Такое положение определяется кроме всего прочего ограниченной транспортабельностью БЭР, что является весьма существенным моментом анализа направлений и методов их использования [31,183].

Во-вторых, окончательная оценка эффективности использования БЭР должна производиться на основе замыкающих затрат на производство соответствующих преобразованных энергоносителей при перспективном развитии специализированных производств. Так, в [183] высказано мнение, что работа АЭС в энергосистемах может существенно изменить в перспективе оценки замыкающих затрат на электроэнергию, что приведет к изменению относительного эффекта различных направлений использования БЭР для различных экономико-географических районов страны.

В наибольшей степени современным задачам комплексного рассмотрения технологического энергопотребления и энергоснабжения на основе использования БЭР отвечают принципы энерготехнологического комбинирования, нашедшее отражение в ряде работ. Впервые признаки энерготехнологического комбинирования применительно к огне техническим процессам были сформулированы Н. А. Семененко [144] и далее развиты им в работах [144,145]. Основной аппарат анализа комбинированных процессов в этих работах представлен системой к.п.д. производственных процессов и агрегатов. Анализ используемых к.п.д. приведен ниже при обосновании методики настоящего исследования.

По Н. А" Семененко [144], агрегаты энерготехнологического назначения представляют собой такое органическое сочетание технологического и энергетического тешгоиспользования, которое обеспечивает наиболее заметное повышение комплекса основных производственных показателей в сочетании с высокой энергетической эффективностью, определяемой выработкой пара высоких параметров. Такая формулировка признаков энерготехнологии исходит из представления о том, что топливно-энергетическая составляющая в себестоимости технологических продуктов не имеет решающего значения, поскольку она существенно меньше затрат на сырье и материалы. В современных производствах нефтехимического профиля в условиях увеличения замыкающих затрат на топливо и электроэнергию энергетическая составляющая становится соизмеримой с затратами на сырье и материалы. В этой ситуации энергетический эффект не может быть ограничен только выработкой пара высоких параметров.

В работе А. Д. Ключникова [83] и более поздней работе Н.А.Се-мененкоД.Н.Свдельковского и других авторов[145] в качестве основного признака энерготехнологического комбинирования принято условие, когда выход из строя любого из элементов агрегата ведет к прекращению производства как основной, так и дополнительной (энергетической) продукции. При этом технологические и энергетические элементы агрегата неотделимы, обеспечивая при совместной работе наибольшую энергоэкономичность производства. Такое понимание энергО' технологического комбинирования в наибольшей степени соответствует сформулированным выше задачам совершенствования энергоиспользования в нефтехимических производствах.

Важно подчеркнуть также, что в работе А.Д.Ключникова[83] справедливо проводится мысль о необходимости различать энерготехнологические установки с «лидирующим» технологическим продуктом и энерготехнологические установки на основе комплексного использования преимущественно твердых топлив с «лидирующим» энергетическим продуктом.

Применительно к технологии в основном связанного азота исследование эффективности энерготехнологического комбинирования приведено в работах Л. И. Черномордика [206−208], В. П. Семенова с сотрудниками [117,214]. Причем в работе [117] дан анализ различных видов к.п.д."характеризующих эффективность комбинированных систем.

Технико-экономическому анализу и оптимизации химико-технологических систем посвящено большое количество работ. Однако решаются в них в основном задачи выбора наилучших технологических характеристик, в том числе оптимальной единичной производительности технологических установок. Следует отметить работы такого плана В. В. Кафарова [26], Д.А.Г^ревича [49], А. С. Лапидуса [91, 93], М. Г. Слинько с сотрудниками [134,170] и ряда других авторов [37,192]. Отдельные работы посвящены вопросам экономики энергоиспользования и энергоснабжения химических производств [17,24]. При этом соответствующие вопросы рассматриваются в них без связи с технологическими особенностями производств.

В работе [92] и в работе В. В. Кафарова [78]рассматриваются применительно к производствам неорганической химии задачи технико-экономической оптимизации энерготехнологических схем (производства аммиака, азотной и серной кислоты). Целью технико-экономического анализа является сопоставление различных схем получения продукта [92] и выбор оптимальных параметров энергоемких стадий технологического процесса [78].

Резюмируя краткий обзор работ по использованию вторичных энергоресурсов и совершенствованию технологического энергопотребления и энергоснабжения производств химического профиля, следует отметить следующее. Во-первых, в опубликованных работах использование ВЭР, как правило, не связано с нуждами технологических установок-источников ВЭР и традиционно сопутствующих производств. Во-вторых, максимальная эффективность технологического энергоиспользования может быть достигнута путем оптимизации выработки энергоносителей на основе внутренних источников технологических процессов и энергопотрёления в этом же производстве. Эти вопросы практически не решены.

В-третьих, отсутствуют работы, посвященные энерготехнологическому комбинированию в технологии нефтехимического синтеза. Вместе с тем эта отрасль характеризуется как одна из самых энергоемких и обладает значительными ресурсами вторичной энергии. Оптимизация энергопотребления и выработки энергоносителей на базе ВЭР позволяет обеспечить в нефтехимии при существующих и планируемых объемах производства экономический эффект, исчисляемый многими миллионами рублей.

В связи с ростом мощностей компрессионных холодильных установок и современными тенденциями развития систем технического водоснабжения становится актуальной задача комплексной оптимизации холодильных станций совместно с потребителями холода и системами оборотного водоснабжения. При создании новых холодильных систем задача формулируется в направлении подбора оборудования, позволяющего при заданных технологическим процессом условиях холодо-снабжения иметь наивыгоднейшее сочетание капитальных вложений и эксплуатационных затрат, представленных в основном затратами на электроэнергию. При оптимизации работающих холодильных систем целью является разработка режимных характеристик, обеспечивающих получение холода с минимальными суммарными затратами электроэнергии. В условиях планируемого увеличения мощности производств, потребляющих холод, оптимизация холодильных систем с компрессионными холодильными машинами может рассматриваться как один из действенных путей совершенствования энергоиспользования на нефтехимических и химических предприятиях.

Выполненные к настоящему времени работы по оптимизации холодильных установок отечественных [3,41,42,55,70−72,101,102, 114−116,119,137,193] и зарубежных [220,223,224,234,246] авторов чаще всего решают вопросы частной оптимизации отдельных элементов комплексной холодильной системы. Так в работах А. А. Гоголина [41], В. З. Жадана [55], Л. М. Розенфельда с сотрудниками [137] исследуются оптимальные характеристики конденсаторов и испарителей, в других работах [3,42,119] производится сопоставление водяного и воздушного охлаждения конденсаторов. В работах В.С.Мар-тыновского [101,102] и В. М. Бродянского [30] исследуется преимущественно термодинамическая эффективность холодильных машин. В зарубежных публикациях, как правило, только качественно описывается влияние основных условий получения холода. Попытки комплексного учета влияния различных факторов на эффективность работы компрессионных холодильных установок сделаны в работах В.В.Оно-совского [П4-Пб] и И. М. Калниня [70−72]. Однако и в этих работах не учитывается зависимость эффективности работы холодильной установки от условий охлаждения оборотной воды, связь с системами холодоснабжения, которые характеризуются определенным набором потребителей хладоносителя. Все это безусловно снижает ценность полученных результатов. Отметим также, что машинные и аналитические методы оптимизации холодильных систем в вышеназванных работах предполагают в ряде случаев существенное упрощение зависимостей термодинамических характеристик хладоагентов от параметров холодильного цикла.

При оптимизации холодильных систем экономическая эффективность определяется совокупностью большого числа факторов, из: которых можно выделить следующие группы: площади поверхности испарителей, конденсаторов и водоохлаж-дающих устройстврасходные параметры — расходы охлаждающей конденсаторы воды или воздуха (при воздушном охлаждении), расход воздуха через водоохладители, расход хладоносителя через испарителиусловия внешних источников — температура и влажность окружающего воздуха, температура охлаждающей воды (для прямоточного •водоснабжения), естественная температура воды (для прудов охладителей) — температура охлаждаемых теплоносителейэксплуатационные показатели — холодопроизводительность, число часов обеспечения заданной холодопроизводительностистоимостные показатели — стоимость электроэнергии, воды, хладоагента и хладоносителя, удельная стоимость изготовления и монтажа машин и аппаратов, нормы отчислений на амортизацию и обслуживание оборудования.

Таким образом, рациональное использование электрической энергии для получения хладоносителей предполагает учет большого числа факторов. Решение этой задачи позволяет, существенно повысить эффективность энергоиспользования в нефтехимических производствах.

0.3. Цели и задачи исследования.

Рост производства продукции крупнотоннажного нефтехимического синтеза в сочетании с увеличением единичной производительности агрегатов создает объективные условия для организации исследований по наивыгоднейшему использованию в технологических процессах топливно-энергетических ресурсов. Оптимизация регенерации энергии в технологических процессах, направлений и условий использования вторичных энергоресурсов обеспечивают в масштабах отрасли значительную экономию топливно-энергетических ресурсов.

Радикальным направлением совершенствования энергоиспользования в производствах нефтехимического синтеза является создание энерготехнологических установок с технологическими и энергетическими агрегатами большой единичной производительности. Органичное сочетание таких агрегатов, оптимальное взаимное влияние в рамках одного производства позволяют обеспечить качественно новую форму функционирования промышленных систем. В связи с увеличением энергетической мощности агрегатов, использующих внутренние источники энергии технологических процессов, становятся оправданными исследования по оптимизации условий генерации вторичной энергии и ее применения для технологического энергоснабжения.

Создание эффективных энерготехнологических установок в нефтехимии представляет собой сложную технико-экономическую задачу. Ее трудности определяются кроме всего прочего отсутствием теоретического обоснования методов оценки комбинированных систем. Существующие методы анализа эффективности технологических и энергетических установок в отдельности не позволяют по известным причинам применить их в полной мере к анализу энерготехнологических схем.

Расширяющееся применение холода в технологии химических и нефтехимических производств, создание централизованных внутрипроизводственных холодильных станций с индивидуальными системами водоснабжения и компрессионными холодильными агрегатами большой единичной мощности резко повышает экономическую эффективность решения задач оптимизации холодильных систем. При этом оптимизация эксплуатационных характеристик крупных холодильных станций является действенным фактором экономии энергии в промышленном производстве.

Основная цель настоящей работы состоит в повышении экономической эффективности нефтехимических производств и определении условий работы реальных производственных установок, которые обеспечивают наивыгоднейшие потребление и преобразование энергоносителей, их получение на основе использования вторичных энергоресурсов и путем энерготехнологического комбинирования при перспективном развитии отрасли и модернизации действующих технологических и внутрипроизводственных энергетических агрегатов. Указанная цель может быть достигнута путем разработки методов анализа и оптимизации технологического энергопотребления на основе характеристик представительных производств отрасли, методов расчета наивыгоднейших схем, аппаратурного оформления и параметров энерготехнологических производственных систем.

Научная новизна выполненной работы состоит в разработке метода исследования энерготехнологических установок нефтехимического профиля и внутрипроизводственных систем для получения хладоносителей, включающего оптимизацию схемы, параметров и аппаратурного оформления производств, определение термодинамической и экономической эффективности реальных агрегатов с учетом взаимосвязи различных факторов.

Предложен метод термодинамического анализа реальных энерготехнологических установок с преимущественной выработкой нефтехимической продукции в форме системного эксергетического к.п.д. На основе расчета эксергии материальных и энергетических потоков нефтехимических установок с учетом термодинамической эффективности замещаемых энергогенерирующих производств дана методика оценки эффективности различных направлений использования БЭР при энерготехнологическом комбинировании.

Разработана методика экономической оптимизации использования тепловых отходов производств по простейшим схемам с учетом показателей надежности теплоутилизационных аппаратов.

ВО и V соответствии с предложенной автором схемой классификации нефтехимических производств выделены характерные агрегаты, различающиеся энергопотреблением, видом и выходом БЭР. При заданной мощности, вырабатываемой в системе утилизации БЭР энерготехнологического производства, сформулированы условия ввода дополнительного топлива, и получены уравнения для определения его оптимального расхода.

Предложена методика сопоставления методов и схем обезвреживания отбросных низкокалорийных газов нефтехимических производств с утилизацией энергии, реализованная на примере агрегата для синтеза окиси этилена.

Разработана методика комплексной оптимизации централизованных холодильных систем нефтехимических производств, учитывающая влияние условий водоснабжения, потребителей хладоносителей и климатических факторов на энергозатраты в холодильной установке.

Основные цели работы реализованы на основе совокупности исследований теоретического и прикладного характера с использованием методов термодинамического и технико-экономического анализа и решением следующих вопросов:

1. Разработка методов термодинамического и технико-экономического исследования энергоиспользования в промышленных системах нефтехимии.

2. Технико-экономическая оптимизация регенерации теплоты и использования вторичных энергоресурсов в нефтехимических производствах.

3. Оптимизация энергоиспользования в крупных холодильных системах предприятий с компрессионными холодильными машинами.

4. Термодинамический анализ и технико-экономическая опти-. мизация схем и рабочих переметров энерготехнологических производств на основе использования физической теплоты дымовых газов и технологических продуктов.

5. Термодинамический анализ и технико-экономическая оптимизация схем и рабочих паршетров энерготехнологических производств с экзотермическими головными процессами и выходом низкокалорийных горючих БЭР.

6. Оптимизация параметров технологических процессов и их аппаратурного оформления в условиях энерготехнологического комбинирования.

I. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИМИЗАЦИЙ СХЕМ и РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВОК ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ В НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВАХ.

Создание и оптимизация энергосберегающих схем в технологических производствах нефтехимии направлены на решение задачи совершенствования методов получения и использования различных энергоносителей в промышленных установках. Тесная взаимосвязь технологических и энергетических установок в составе одного производства приводит к необходимости объективной оценки осуществляемых в них процессов. В связи с этим должны быть найдены эффективные методы анализа схем и рабочих параметров, позволяющие достаточно просто и шесте с тем надежно выявить наилучшие варианты.

В общем случае задача энерготехнологического комбинирования состоит из двух взаимосвязанных этапов: выбор наивыгоднейшей схемы установки и оптимизация ее аппаратурного оформления и рабочих параметров. Обоснованный предварительный анализ альтернативных вариантов схем представляется коренной задачей энерготехнологического комбинирования. Причем, этот этап исследования и проектирования является наиболее сложным и в наибольшей степени определяющим эффективность производства.

Сложность построения и анализа энерготехнологической схемы состоит в первую очередь в необходимости учета большого числа связей, возникающих при использовании принципа энерготехнологии. При этом основополагающимиявляются производство и потребление энергии, связь этих процессов с технологическими показателями установки. Необходимо предварительно провести большую работу по уточнению энергопотребления во всех узлах не только данного производства, но и в схемах сопутствующих производств, выявить выход и потенциалы вторичных энергоресурсов. Только такая исчерпывающая информация в сочетании с четко сформулированными особенностями и требованиями технологического процесса позволят правильно определить аппаратурное оформление энерготехнологического комплекса, оптимально скомпоновать соответствующее оборудование. Накопленные к настоящему времени теоретические и практические данные по большинству промышленных объектов нефтехимии (в том числе по действующим энерготехнологическим установкам) позволяют уже в начальной стадии, без использования аппарата термодинамического и технико-экономического анализа, учесть некоторые безусловно наилучшие варианты внутрисхемных связей и технических решений. Это обстоятельство представляется очень важным, поскольку существенно уменьшается число вариантов при выборе схемы, упрощается математическая модель производства, необходимая для решения вопросов оптимизации параметров энерготехнологической установки. Так, используя данные предварительного анализа теплопотребления производства, легко при определении схемы и состава энергетического оборудования решить вопрос об условиях работы и характеристиках паротурбинных установок, осуществляющих привод технологических насосов, компрессоров и т. д. Очевидно, что параметры выхлопа или отборов паровых турбин должны быть рассчитаны с учетом параметров и объема теплопотребления технологических узлов [147].

Однако не следует думать, что общий анализ возможных решений при построении энерготехнологической схемы позволяет достаточно надежно выявить наилучший вариант. Чаще всего предварительный анализ дает возможность резко сократить число вариантов схемы для последующего сопоставления на основе термодинамических и технико-экономических критериев. Объективно наивыгоднейшее построение схемы должно явиться результатом углубленных проработок различных вариантов.

Эффективность решения оптимизационных задач применительно к комбинированным системам определяется резко возрастающим числом факторов, влияющих на технологическую и энергетическую эффективность производства. Многообразие влияющих факторов создает известные сложности в комплексной оптимизации. Однако это одна сторона вопроса. Задача усложняется также и тем, что практически все определющие факторы в той или иной мере взаимосвязаны между собой. Б таких условиях наиболее общее решение задачи оптимизации, справедливое для неограниченного числа сочетаний исходных данных, может быть получено аналитическим путем на основе аналитического вида целевой функции. Поскольку основной задачей энерготехнологического комбинирования является обеспечение наивысших экономических показателей производства, то и критерием оптимальности (целевой функцией) должны быть затраты, в совокупности определяющие эксплуатационные издержки производства продукции и капиталовложения. Указанное обстоятельство не означает однако, что при предварительном анализе схем и влияния различных факторов на энергетические и технологические показатели энерготехнологической установки не могут использоваться другие целевые функции. Практика оптимизации комбинированных установок свидетельствует о большой ценности термодинамических методов анализа, позволяющих на основе уравнений термодинамики выявить более простыми и вместе с тем строгими способами наивыгоднейшие схемы и параметры процесса С8]. Широкое распространение, особенно применительно: к многоцелевым установкам, получили исследования на основе эксергетичес-кого к.п.д.

Важным моментом аналитической оптимизации является получение аналитического вида математической модели производства, характеризующей. зависимость целевой функции от условий работы (параметров) технологического и энергетического оборудования. Оптимизация энерготехнологических схем нефтехимической промышленности имеет с этой точки зрения свои особенности. В первую очередь это связано с необходимостью аналитического описания сложных химических процессов, протекающих в технологических реакторных устройствах. Применение законов химической кинетики и друтих специальных отраслей знаний для этих целей хотя и позволяет обеспечить высокую точность описания, но делает практически невозможным использование такой модели для целей аналитического нахождения оптимальных характеристик известными математическими методами. Особенно это касается процессов каталитических превращений, широко представленных в нефтехимической технологии.

Практически возможны два пути преодоления отмеченных затруднений. Во-первых, рассматривая оптимизацию энерго технологической схемы как предпроектную разработку, целесообразно в ряде случаев идти на некоторые упрощения описания химического процесса. Известную помощь в этом оказывают, как правило, широко освещаемые в специальной научно-технической литературе данные по лабораторным, оштно-пролпжленным и промышленным исследованиям процесса. Должным образом обработанные результаты экспериментального исследования позволяют ввести в математическую модель достаточно корректные аппроксимирующие зависимости, значительно упрощающие применение модели. Нам представляется также, что есть смысл идти на упрощение математического описания химического процесса во всех случаях, когда последний не оказывает заметного влияния на энергопотребление и выход вторичных энергоресурсов в схеме.

Второе направление связано с включением в математическую модель энерготехнологического производства описания процесса через дифференциальные уравнения химической кинетики, аэродинамики и тепломассообмена. Решение таких уравнении часто возможно только на основе применения численных методов расчета на ЭЦВМ. Полученные результаты позволяют выявить степень влияния условий химического процесса на энергоиспользование и выход вторичных энергоресурсов в схеме.

Б значительной мере успех комплексной оптимизации энерготехнологической схемы зависит от правильного выбора группы определяющих параметров в математической модели. Следует напомнить, что одной из основных задач при энерготехнологическом комбинировании является установление оптимальных параметров взаимосвязи технологических и энергетических процессов. В связи с этим среди оптимизируемых параметров должны быть в первую очередь те, которые определяют одновременно технологическую эффективность установки, потребление и выработку энергии в схеме. Целесообразность выбора того или иного оптимизируемого параметра в случае неочевидного влияния его на указанные показатели схемы, как правило, подтверждается предварительными вариантными расчетами.

Таким образом, задача совершенствования энергоиспользования в нефтехимической технологии на основе оптимизации схем и рабочих параметров внутрипроизводственных установок, потребляющих и генерирующих различные энергоносители является весьма многогранной. Ее радикальное решение может быть обеспечено путем комплексных исследований соответствующих установок, позволяющих выявить и обосновать их взаимное влияние, определить наивыгоднейшие условия функционирования производственной системы.

Выводы по главе 5.

1. Разработана экономико-математическая модель холодильной системы, основанная на годовых приведенных затратах с учетом переменных режимов работы, позволяющая решать задачи комплексной оптимизации. Показаны способы выражения составляющих целевой функции через технические, климатические и экономические факторы холодильной системы.

2. Получены расчетные зависимости температур конденсации и испарения хладоагентов в компрессионных холодильных установках от факторов, определяющих условия этих процессов. Расчет оптимальных характеристик проектируемых холодильных систем осуществляется с учетом переменных условий эксплуатации.

3. Разработана методика и получены расчетные уравнения для определения оптимальных эксплуатационных расходов воды и воздуха в системах оборотного водоснабжения с вентиляторными градирнями и оптимального расхода хладоносителя в системе хладоснабжения.

Для холодильных систем с вентиляторными градирнями имеется экономически целесообразный предел расхода воздуха через градирни (при =8140 кВт, I, пред =1400 кг/с), при котором температура охлажденной воды приближается к теоретическому пределу охлаждения и практически не влияет на затраты энергии в холодильной установке. По величине суммарных затрат энергии в холодильной системе целесообразна работа градирен с включенными вентиляторами при температурах окружающего воздуха выше -5-гО°С. Осуществление оптимальных режимов эксплуатации по сравнению с регламентными условиями позволяет обеспечить годовую экономию электроэнергии в среднем 120 кВт. ч на каждый киловатт холодопроизводительности.

4. Применительно к проектируемой холодильной системе разработана методика и получены уравнения для определения оптимальных расчетных расходов воды, воздуха и хладоносителя, оптимальных площадей поверхности теплопередачи конденсаторов и испарителей, оптимальной площади оросителей градирен оборотного водоснабжения с заданной высотой оросителя. Показано влияние технических, экономических и климатических факторов на отдельные оптимизируемые характеристики. Учет переменных условий работы холодильных систем, например, при расчете оптимальной площади поверхности конденсаторов дает экономию приведенных затрат около 30 рублей на 100 кВт установленной мощности холодильной станции.

5. Для всех расчетных уравнений разработаны алгоритмы решения в виде блок-схем" с описаниями, помещенными в Приложении.

6. Показаны отличия в методике оптимизации холодильных систем с двухступенчатыми компрессорами холодильных установок, с использованием конденсаторов воздушного охлаждения, оборотного водоснабжения с башенными градирнями. основные вывода и ржомендащи.

По результатам выполненных в диссертации исследований можно сделать следующие выводы и рекомендации.

1. Впервые обобщены данные по энергопотреблению в нефтехимических производствах. На основе систематизации этих данных предложена классификация технологических установок нефтехимического профиля по условиям ведения головного процесса, позволившая вскрыть закономерности и связи энергопотребления с технологическими факторами в существующих и перспективных установках. В соответствии с классификацией рассмотрены агрегаты-источники вторичных энергоресурсов (ВЭР) и сделаны обобщающие выводы по формированию ВЭР при перспективном развитии нефтехимических производств.

2. При больших объемах потребления энергии для технологического энергоснабжения крупнотоннажных нефтехимических производств актуальной задачей является разработка схем и оптимизация параметров внутрипроизводственных установок для получения и преобразования энергоносителей. Наибольшая эффективность энергоиспользования достигается на основе энерготехнологического комбинирования.

3. Для сопоставления промышленных энерготехнологических установок нефтехимического профиля и анализа эффективности энергоиспользования в них разработан метод термодинамического анализа на основе системного эксергетического к.п.д. с учетом термодинамического совершенства замещаемых энергогенерирующих производств. Системный эксергетический к.п.д. может быть использован также для сопоставления различных направлений использования ВЭР.

4. На основе анализа методов экономической оптимизации для решения задач совершенствования энергоиспользования в производствах нефтехимического профиля и при преобразовании энергоносителей обосновано применение дифференциального метода минимизации (максимизации) целевой функции. Приведены основные соотношения, позволяющие выразить целевую функцию оптимизации через конструктивные и рабочие характеристики энергетических и технологических процессов и аппаратов. Разработаны методы учета надежности утилизационного энергогенерирующего оборудования и переменных условий работы холодильных систем при решении задач технико-экономической оптимизации.

5. С целью соврешенствования энергоиспользования в теплотех-нологических системах нефтехимического профиля по простейшей схеме разработаны методы расчета теплообменников-регенераторов теплоты и котлов-утилизаторов с учетом надежности теплоутилизационных устройств. Анализ полученных расчетных уравнений позволил установить: а) минимальная разность температур в теплообменнике-регенераторе теплоты при приведенных затратах на тепловую энергию и охг лаждение 2 руб/ПДж и удельных капиталовложениях в аппарат 40 руб/м* составляет 2−9 градусов в зависимости от коэффициента теплопередачиб) резервирование котлов-утилизаторов целесообразно при коэффициенте готовности этого оборудования менее 0,9, если удельные капиталовложения в утилизационную установку составляют менее р

50 руб/м и замыкающие затраты на топливо более 70 руб/т.

6. Применительно к энерготехнологическим системам, характеризующимся значительным выходом высокотемпературных тепловых БЭР (производства этилена, мономеров для СК и др.), на основе термодинамических и технико-экономических соотношений впервые решены задачи выбора оптимальной схемы утилизации тепловых БЭР, типа привода основного энергопотребляющего оборудования, оптимизации температур уходящих дымовых газов и расхода дополнительного топлива, скорости пирогаза в закалочно-испарительном аппарате (котле-утилизаторе), давления процесса пиролиза углеводородного сырья.

Установлено, что для централизованных систем утилизации теплоты оптимальная температура уходящих дымовых газов составляет 130−170°С при замыкающих затратах на топливо более 25 руб/т.Это соответствует расходу дополнительного топлива, например, для установки ЭП-300 в пределах 2,5−6,0 кг/с в зависимости от потребляемой технологическим оборудованием мощности.

Оптимальная температура уходящих дымовых газов в паропере-гревательной печи индивидуальной системы утилизации составляет около 200 °C. При замыкающих затратах на топливо более 25 руб/т температуры уходящих газов после пароперегревательной и пиролиз-ных печей имеют одинаковые значения.

Основное влияние на оптимальное давление пиролиза углеводородов в этиленовых установках оказывают тип турбин привода технологического оборудования, параметры вырабатываемого в системе утилизации пара, замыкающие затраты на топливо и стоимость углеводородного сырья. При уменьшении затрат на топливо на 15 руб/т оптимальное давление пиролиза уменьшается на 0,03 МПа, что соответствует для установки ЭП-300 уменьшению годового расхода сырья на 10 тыс.т.

7. Для энерготехнологических производств, характеризующихся значительным выходом низкокалорийных горючих газов и теплоты экзотермических реакций головных процессов, впервые разработана методика сопоставления по термодинамическим и технико-экономическим показателям методов и схем дожигания горочих остаточных газов. В теплотехнологических системах, процессы в которых осуществляются при повышенном давлении, целесообразно использовать термические методы дожигания по схемам с высоконапорным парогенератором и газовыми турбинами. При этом резко возрастает выработка в системе тепловой и механической энергии.

8. На основе разработанной методики решены задачи оптимизации давления головного процесса и характеристик циркуляции парогазовых компонентов реакции в производстве окиси этилена. Показано, что оптимальное давление и степени циркуляции в основной и хвостовой ступенях в решающей степени определяются энергозатратами в производстве. Рекомендованы двухступенчатые системы контактирования с одинаковыми показателями циркуляции в основной и хвостовой ступенях. Годовая экономия приведенных затрат по сравнению с применяемыми в лучших промышленных установках решениями составляет при этом 0,7 млн руб. на каждые 10 тыс.т. годовой производительности по целевому продукту.

9. В связи с возрастанием роли хладоносителей в технологических процессах нефтехимического синтеза и увеличением доли этого энергоносителя в суммарных энергозатратах производств разработана экономико-математическая модель системы централизованного хо-лодоснабжения нефтехимического предприятия с компрессионными холодильными машинами с целью оптимизации энергопотребления. Модель позволяет получить расчетные уравнения для определения оптимальных эксплуатационных расходов воды и воздуха через вентиляторные градирни оборотного водоснабжения холодильных станций, хладоносителей при заданных характеристиках потребителей холода. Осуществление оптимальных режимов эксплуатации по сравнению с регламентными условиями дает возможность обеспечить годовую экономию электроэнергии в среднем 120 кВт. ч на каждый киловатт холодопроизводительности установки.

10. Для проектируемой системы холодоснабжения решены задачи определения оптимальных расчетных расходов воды, воздуха и хладоносителя, оптимальных площадей поверхности теплопередачи конденсаторов и испарителей, оптимальной площади оросителей градирен оборотного водоснабжения с заданной высотой оросителя.

II. Полученные расчетные уравнения и основные методические положения оптимизации схем и рабочих параметров установок для получения и использования энергоносителей в нефтехимических производствах нашли применение в практике работы отраслевых научноисследовательских и проектных организаций (ББИПИнефть и др.) Результаты оптимизации использования БЭР и регенерации теплоты в технологических установках, оптимизации энергопотребления при производстве холода используются головным научно-исследовательским и проектно-конструкторским институтом ВНИШэнергоцром при разработке межотраслевых информационно-методических документов по выявлению резервов экономии топлива и энергии на предприятиях и промышленных узлах.