Анализ эффективности стадии переработки отходов фенольного производства Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИ

УДК 658.26

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТАДИИ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ФЕНОЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Л.Ф. ГАРИПОВ, В.В. ПЛОТНИКОВ

Казанский государственный энергетический университет

Введение

Получение синтетических фенолов является дорогостоящим многостадийным процессом нефтехимического синтеза, сопровождающимся образованием промышленных отходов. В Российской Федерации синтетический фенол производится в основном кислотным разложением гидропероксида изопропилбензола, который сопровождается выделением ацетона и вторичных продуктов: ацетофенона, альфаметилстирола, диметилфенилкарбониола,

кумилфенола и др. Выход вторичных продуктов достигает 120 - 140 кг на 1 тонну товарного фенола. На крупнотоннажных предприятиях основного органического синтеза стадия переработки отходов фенольного производства потребляет значительное количество тепловой и электрической энергии. Оценку использования различных видов энергоресурсов чаще всего проводят на основе уравнений материального и энергетического балансов. При этом энергетический баланс, основанный на первом законе термодинамики, не учитывает качественные различия видов энергии. Вместе с тем, для осуществления технологических процессов нефтехимии требуются самые разнообразные виды энергии, а также энергии определенного вида различных потенциалов. Источники энергии технологического процесса могут быть представлены физической теплотой технологических потоков с различными температурами, отходящими энергоносителями с разнообразными потенциалами, теплотой экзотермических реакций, химической теплотой горючих отходов производства и энергией избыточного давления.

Теоретическая часть

Стадия переработки отходов фенольного производства включает свыше сотни аппаратов и представляет собой сложно-структурированную многоконтурную систему. Нахождение взаимозависимостей между элементами теплотехнологической схемы и определение оптимальной последовательности ее расчета удобнее всего проводить при помощи структурного анализа, основные положения которого широко известны [1-3].

Для определения показателей термодинамической эффективности и оценки потерь от необратимости процесса составляются эксергетические балансы с применением эксергетического метода. Общая форма записи эксергетического баланса для стационарного процесса имеет следующий вид [2]:

А А _ А

Е =ХЕ +ХВ,

© В. В. Плотников, Л. Ф. Гарипов Проблемы энергетики, 2008, № 7-8

( Ті йТ qi Ті с Чз г я \ Р1

] ср + + 1 ср 0 + —1п

т Ті Ті т , , М р о

где Е Е - подведенная к системе эксергия; Е Е - отведенная из системы эксергия; Е Б - потери эксергии в системе.

Термомеханическая эксергия однородного вещества определяется по выражению [2]

Ті П

Ле =| с рйТ + qi с рйТ — Т0

Т0 Ті

где і0 и і0- энтальпия и энтропия рабочего вещества в состоянии, определяемом температурой Т0 и давлением р0 (параметрами окружающей среды); і\ -энтальпия рабочего вещества в заданном рабочем состоянии; qi и Ті - тепловой эффект и температура фазового перехода; cp - средняя в заданном интервале

температур изобарная теплоемкость рабочего вещества; Т\ и рі - соответственно температура и давление рабочего вещества; R - универсальная газовая постоянная; М - молекулярная масса рабочего вещества.

КПД по эксергетическому балансу в общем случае определяется отношением [2]

_ ЕE** ЕE* —Еб

п е = = ,

Ее* Ее*

где Е Е - отведенная из объекта эксергия; Е Е - подведенная к объекту

эксергия; Е б - потери эксергии в объекте.

Для определения вклада у-го элемента в общий КПД системы [4]

*

ДЕ у

доля элемента у в КПД(система)=--------х КПД (системы),

ЕЛ

ДЕ

* • * где ДЕ у - воспринятая в элементе у эксергия; ЕДЕ - вся воспринятая в

системе эксергия; КПД (системы) - коэффициент полезного действия всей системы.

Вклад потерь в элементе у в общие потери определяется по формуле [4]

Бу

Доля потерь в элементе у в общих потерях =--------х 100,

ЕЕ**

Е* *

Е - вся переданная в системе эксергия

Результаты

После проведения структурного анализа по методике, изложенной в работе [2], и введения иерархической структуры всего производства фенола и ацетона (кумольным методом) [3] и отдельно стадии переработки отходов фенольного

производства [5] была получена БТТС (рис.1). Нумерация потоков и элементов БТТС приведена в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Характеристика информационных блоков БТТС участка переработки отходов производства фенола и ацетона

№ блока Элемент БТТС

1, 6, 13, 20, 22, 31, 33, 36, 37, 44, 45, 48, 52, 54, 57, 66, 74, 78, 85, 89, 91, 97, 105 Насос

2 Теплообменник подогрева сырья

3, 15, 23, 38, 55, 64, 76, 87 Ректификационная колонна

4, 16, 24, 39, 56, 65, 77, 88 Рибойлер (кипятильник)

5, 21, 30, 32, 43, 47, 62, 72, 75, 84, 86, 96, 98, 104, 106, 108, 110 Точка смешения (трубопроводная арматура)

7, 10 Емкость

8, 17, 25, 40, 58, 67, 79, 92 Дефлегматор

9, 12, 18, 26, 28, 59, 61, 68, 70, 80, 82, 93,95 Делитель флегмы

33а, 34, 101, 103 Сепаратор пара

11, 27, 60, 69, 81, 94, 100 Конденсатор

14, 19, 29, 71, 83 Пароэжекционный насос

35, 42, 51, 53, 90, 99 Сборник

41, 46, 49, 63 Флорентийский сосуд

50 Отстойник

73, 102 Холодильник

107, 109, 111 Задвижка

Таблица 2

Характеристика потоков БТТС участка переработки отходов производства фенола и ацетона

№ потока Элемент БТТС

1 2

1, 8, 9, 12 Водяной пар 30 ати

2, 13, 14, 186- 188 Водяной пар 16 ати

3, 15, 16, 189 Водяной пар 10 ати

4, 5, 17, 18, 190-193 Водяной пар 6 ати

6, 194, 196, 198, 200, 202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 219, 220, 222, 224 Охлаждающая оборотная вода

7, 195, 197, 199, 201, 203, 205, 207, 209, 211, 213, 215, 217, 218, 221, 223, 225 Охлаждающая обратная оборотная вода

11 Электрический ток

19- 21, 26, 28, 29, 75, 76, 86, 88- 90, 92, 94, 96100, 102, 104, 118, 170, 173 Углеводородная фракция

23, 34, 37 Пары флегмы углеводородной фракции

22, 27 Конденсат пара 30 ати

24 Возвратная флегма углеводородной фракции

25, 78 Пары углеводородной фракции

30-32 Тяжелая фракция углеводородной фракции

33, 35, 36, 38 Флегма углеводородной фракции

1 2

39, 40, 46 Фенольный дистиллят

41, 50, 67, 130, 154 Конденсат с ПЭН

42, 49 Пары фенола сырца

43 Возвратная флегма фенола сырца

44, 54, 59, 70 Фенольная фракция

45 Пары фенольного дистилята

47, 110, Конденсат пара 16 ати

48, 51, 52 Флегма фенола сырца

53 Фенол сырец

55, 58, 62, 66 Пары фенольной фракции

56 Возвратная флегма фенольной фракции

57 Тяжелая фракция

60 Конденсат пара 10 ати

61, 63, 64, 65, 68, 69 Флегма фенольной фракции

71-74 Фенольная вода

77, 79, 80, 82, 84, 85, 93, 103 Фенолят натрия

81 Пары реакционной массы

83, 125, 144, 160, 171, 172, 174, 175, 179, 181185 Конденсат пара 6 ати

87 Хим загрязненая вода

91, 95 10% раствор щелочи №ОН

101, 107, 119, 121, 122, 124, 132, 133, 134-138, 140, 141, 143, 148- 152 Изопропилбензол

105, 108, 116 Пары легкой фракции

106 Возвратная флегма легкой фракции

109, 117 Легкая фракция

111-115 Флегма легкой фракции

120, 123, 126- 129, 139, 142, 145- 147, 153 Пары изопропилбензола

131, 155, 159, 161, 162, 164 Пары альфаметилстирола

156- 158, 163, 165-169 Альфаметилстирол

176, 177, 178, 180 Пароводянная смесь 06 ата

На рис. 1, а представлена структура стадии переработки отходов фенольного производства; на рис. 1, б приведен фрагмент балансовой теплотехнологической схемы, представленной в виде орентированного графа [3, 5]; на рис. 1, в диаграмма потоков эксергии.

Рис.1. Балансовая теплотехнологическая схема (БТТС) участка переработки отходов

производства фенола и ацетона

В результате анализа термодинамической эффективности теплотехнологичесой схемы переработки отходов фенольного производства проведена оценка термодинамической эффективности основных групп элементов отдельных участков схемы. К основным элементам балансовой теплотехнологической схемы участка переработки отходов производства фенола и ацетона относятся колонны, холодильники, подогреватели, пароэжекционные насосы.

Результаты расчета эксергетических КПД по основным элементам теплотехнологической схемы представлены в табл. 3, из которой следует, что по количеству переданной эксергии основные элементы балансовой тетлотехнологической схемы располагаются в следующем порядке: колонны; холодильники; подогреватели; пароэжекционные насосы (ПЭН) (рис. 2).

Таблица 3

Результаты расчета КПД всей схемы участка переработки отходов производства фенола и ацетона по основным элементам

Основные элементы БТТС Эксергия КПД Вклад в общий КПД Вклад потерь в элементе в общие потери

переданная, воспри- нятая потери

(кВт) (кВт) (кВт) (%) (%) (%)

Подогреватели 251,26 158,60 92,64 63,12 1,41 0,82

Холодильники 3663,49 898,50 2764,99 24,53 7,96 24,51

Пароэжекционные насосы 56,94 18,92 38,02 33,23 0,17 0,34

Колонны 7310,64 1232,44 6078,20 16,86 10,92 53,87

Итого: 11282,33 2308,47 8973,85 20,46 20,46 79,54

а)

б)

в)

Рис. 2. Анализ термодинамической эффективности стадии переработки отходов фенольного производства: а) структура стадии переработки отходов фенольного производства; б) фрагмент балансовой теплотехнологической схемы (см.рис. 1.); в) диаграмма потоков эксергии. обозначения: 64 - ректификационная колонна; 65 - рибойлер; 67 - дефлегматор; 69 -конденсатор; 73 - холодильник; 71 - пароэжекционный насос; Е, - эксергия ¿-го потока, кВт;

Б - потери эксергии, кВт; пе - эксергетический КПД элемента %.

Суммарные потери теплоты при осуществлении теплотехнологических процессов в элементах балансовой теплотехнологической схемы участка переработки отходов производства фенола и ацетона составляют 1928,7 кВт, а суммарные эксергетические потери равны 8973,85 кВт.

Наглядно распределение эксергетических потерь по основным элементам участка показано на рис. 3.

Рис. 3. Распределение потерь эксергии по основным элементам участка переработки отходов

производства фенола и ацетона

Как видно из рис. 3, основные потери эксергии возникают в колоннах и составляют 67,73 % от суммарных эксергетических потерь. Основные причины эксергетических потерь в колоннах - необратимость процессов окисления, разделения и необходимость поддержания параметров технологического процесса. В холодильниках потери эксергии составляют 30,81 % (большей частью дефлегматоры). Эксергия в дефлегматорах теряется в результате теплообмена при высокой разности температур между теплоносителями, и за счет неполной конденсации в дефлегматорах колонн. Здесь для улучшения конденсации и

уменьшения эксергетических потерь рекомендуется интенсифицировать процессы теплообмена и уменьшить температурный напор. Подогреватели имеют 1,03 % от всех потерь эксергии. Для снижения эксергетических потерь в подогревателях следует оптимизировать процессы тепломассообмена. Потери эксергии в паровых эжекторах составляют 0,42 % от всех эксергетических потерь.

Выводы

Нагрузка системы охлаждения превышает потребление внешней теплоты, так как процессы охлаждения производятся при температурах, близких к температуре окружающей среды, и сопровождаются передачей скрытой теплоты конденсации верхних продуктов. Потенциал вторичных энергоресурсов (ВЭР) ограничивается пределами 45 - 110 °С и не находит применения в

теплоэнергетических системах предприятия.

В таких условиях целесообразно организовывать замкнутую утилизационную систему, объединяющую группу источников ВЭР и потребителей теплоты и холода, вырабатываемого на тепловом потреблении.

Наиболее эффективный режим утилизационной системы достигается при непосредственной передаче низкопотенциальной теплоты потребителю, однако такая возможность предоставляется чрезвычайно редко. Летом, когда тепловая нагрузка технологических потребителей значительно снижается, а отопительно-вентиляционная нагрузка отсутствует, система может работать в режиме охлаждения элементов оборудования оборотной водой или обеспечивать теплотой утилизационные источники холода - холодильные машины абсорбционного типа [6-7].

*Работа выполняется в рамках гранта Президента РФ МК-4325.2007.8

Summary

The recommendations are presented In article on increasing of efficiency technological energy-use on stage of conversion of departures ofproduction ofphenols.

Литература

1. Островский Г.М., Волин Ю.М. Моделирование сложных химикотехнологических схем. - М.: «Химия», 1975.

2. Назмеев Ю.Г., Конахина И.А. Организация энерготехнологических комплексов в нефтехимической промышленности. - М.: Изд. МЭИ, 2001. - 364 с.

3. Плотников В.В. Математическое моделирование и структурный анализ теплотехнологической схемы совместного производства фенола и ацетона. // Известия РАН. Энергетика. - 2005. - № 6.

4. Валиев Р.Н., Назмеев Ю.Г. Анализ термодинамической эффективности теплотехнологической схемы дегидрирования изоамиленов в изопрен в производстве синтетического изопренового каучука СКИ-3. Часть 1. // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2001. - № 1-2. - С. 37-52.

5. Плотников В.В., Халитова Г.Р. Определение оптимальной

последовательности расчета теплотехнологической схемы переработки отходов при совместном производстве фенола и ацетона // Рабочие процессы и технология

двигателей: Международная научно-техническая конференция 23-27 мая 2005 г. -Казань, 2005.

6. Кафаров В.В. Принципы создания безотходных химических производств. - М.: Химия, 1982 - 288 с.

7. Орехов И.И., Тимофеевский Л.С., Караван С.В. Абсорбционные преобразователи теплоты. - Л.: Химия, 1989

Поступила 11.12.2007