CC BY
114
В. В. Плотников, О. Г. Петрова, Л. В. Плотникова
АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ АЛКИЛИРОВАНИЯ БЕНЗОЛА
ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗОПРОПИЛБЕНЗОЛА
Ключевые слова: термодинамический анализ, эксергетический метод, алкилирование бензола.
В статье приведены результаты термодинамического анализа, проведенного при помощи эксергетического метода, теплотехнологической схемы выделения изопропилбензола.
Key words: thermodynamic analysis, exergic method, alkylation benzene.
In article are brought results of the thermodynamic analysis, called on at ex-ergy of the method, of the heat-technologic scheme of the separation isopropylben-zene.
Введение
Проблема энергосбережения, приобретая статус государственной политики [1], имеет особое значение для промышленного теплотехнологического комплекса страны, отраслевые составляющие которого базируются на различных технологиях.
Нефтехимическая промышленность, находящаяся в числе лидеров потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), характеризуется относительно низкой эффективностью использования ТЭР. По данным [2-4], фактический расход ТЭР на предприятиях нефтехимического комплекса превышает теоретически необходимый примерно в 1,7-2,6 раза, что указывает на значительные неиспользуемые резервы энергосбережения. Такое положение с неоправданно завышенной энергоемкостью промышленности обусловлено тем что долгое время в нашей стране тарифы на энергоресурсы были искусственно занижены. На сегодняшний момент, безусловно необходимый рост тарифов на тепловую и электрическую энергию приводит к повышению себестоимости выпускаемой продукции. Все возрастающие тарифы на тепловую и электрическую энергию, снижают конкурентную способность отечественных предприятий. Одним из выходов в сложившейся ситуации является проведение мероприятий по сокращению потребления энергетических ресурсов, рациональному их использованию. Поэтому выявление возможностей экономии ТЭР в промышленном теплотехнологическом комплексе страны и установление главных направлений и эффективных средств их реализации представляются фундаментальными задачами энергосбережения в промышленности.
Исследование эффективности энергоиспользования на крупных промышленных комплексах химической и нефтехимической отраслей показали, что особый интерес представляют решения, направленные на вовлечение низкопотенциальных вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) в систему энергообеспечения промышленного предприятия [5].
В современной литературе [6,7] снижение энергоемкости процесса чаще всего рассматривается с точки зрения оптимизации технологии химико-технологических процессов,
в данной работе предлагается рассмотреть технологическую схему как систему энергетических потоков.
Рассматриваемое производство изопропилбензола характеризуется крупным потреблением топливно-энергетических ресурсов. При этом само производство служит источником тепловых ВЭР как низкого, так и среднего потенциала.
Методика исследования
Основными источниками информации для анализа термодинамической эффективности теплотехнологической схемы промышленного предприятия являются технологический регламент, режимные карты АСУТП, технологические схемы производства. В качестве объекта исследования принята балансовая теплотехнологическая схема (БТТС) стадии выделения изопропилбензола, представленная на рис. 1.
Любое промышленное предприятие как объект исследования имеет индивидуальные характеристики, поэтому нельзя переносить, однажды принятый комплекс мероприятий на новые условия без специального анализа и корректировки.
Инструментом для оценки энергетической эффективности выбран эксергетический метод термодинамического анализа, хорошо зарекомендовавший себя при анализе подобных систем [5,8,9].
Для составления эксергетического баланса БТТС и определения энергетических показателей эффективности необходимо использовать действительные значения мощности тепловых и эксергетических потоков в блоках теплотехнологической схемы.
Энергетическая эффективность производства определяется тем, насколько полно используется подаваемая извне и производимая на самом производстве энергия, то есть насколько низки потери энергии.
Энергетические потери принято разделять на две группы с точки зрения их распределения на внешние, связанные с условиями взаимодействия системы с окружающей средой и на внутренние, связанные с необратимостью любых реальных процессов.
При проведении анализа термодинамической эффективности теплотехнологической системы каждый элемент рассматривается отдельно.
В практике анализа комбинированных процессов широкое применение получил термодинамический метод анализа, основанный на составлении эксергетических балансов установок с оценкой потерь от необратимости процессов и определение показателей термодинамической эффективности.
Общая форма записи эксергетического баланса для стационарного процесса, имеет следующий вид [5] :
^ Е~==£ Е' + £ D, (1)
где ^ Е** - подведенная к системе эксергия; ^ Е - отведенная из системы эксергия;
- потери эксергии в системе.
Рис. 1 - БТТС стадии выделения изопропилбензола: 2,10,11, 34, 69, 70, - подогреватели; 3, 20, 32, 25, 44, 45, 56, 57, 61, 68, 77, 85 - насосы; 4,12, 23, 35, 46, 59, 75, 81 - разделительные колонны; 5,13, 24, 36, 47, 58, 71, 79 - кипятильники; 6,14, 26, 37, 48, 62, 72, 80 - дефлегматоры; 8, 9, 16,18, 22, 28, 39, 50, 52, 64, 74, 83 - холодильники; 30, 41, 54, 66 - пароэжекционные насосы
Термомеханическая эксергия однородного вещества определяется по выражению
Дб? — /.| - /0 - Т0 ^ ■ 50 .
или через теплоемкости по выражению:
Де —/срТ + д, +{с//7--7-0 |С^ + Т+|С
^г0
с/Т
р т
+
У
'*1 п* '
м Р0у
(2)
(3)
где ¡0 и /0 - энтальпия и энтропия рабочего вещества в состоянии, определяемом температурой Т0 и давлением р0 (параметрами окружающей среды); А, и ^ - энтальпия и энтропия рабочего вещества в заданном рабочем состоянии; и Т. - тепловой эффект и температу-
ра фазового перехода; с -средняя в заданном интервале температур изобарная теплоемкость рабочего вещества; 7^ и р,- соответственно температура и давление рабочего вещества; - универсальная газовая постоянная; - молекулярная масса рабочего вещества.
Ниже в качестве примера приведен участок системы, включающий разделительную колонну и кипятильник (рис.2). Кубовая жидкость (1’) с низа колонны подается самотеком в кипятильник, где подогревается потоком пара (2’), после чего пары кубовой жидкости (1’’) возвращаются в колонну. Сконденсировавшийся пар (2’’) удаляется на участок сбора конденсата.
В зависимости от используемого способа определения КПД, потери в каждом объекте определяются либо относительно подведенной к объекту эксергии, либо относительно переданной в объекте эксергии. Для кипятильника (см. рис.3) КПД относительно подведенной эксергии определяется по формуле [5]:
КПД(Е —
(4)
Рис. 2 - Участок системы
где IЕ* — (Е(2') + Е(1')) - подведенная к объекту эксергия (затраты); ^ Е ** — (Е (2'') + Е (1")) - отведенная из объекта эксергия (эффект); I О - потери эк-
сергии в объекте.
КПД относительно переданной эксергии определяется по формуле:
£ДЕ
КПД( Е) —
(5)
£ДЕ* '
Здесь I ДЕ * — (Е (2') - Е (2'')) - переданная в объекте эксергия (затраты);
I ДЕ ** — (Е (1'') - Е (1')) - воспринятая в объекте эксергия (эффект).
Основные результаты
Термодинамический анализ выполняется для каждого элемента и блока балансовой телотехнологической схемы (БТТС) рассматриваемого производства. Результаты тепловых
Рис. 3 - Диаграмма потоков эксергии для блока II: 10,11,34 - подогреватель; 12, 23 - разделительные колонны; 13, 24 - кипятильники; 14, 26 - дефлегматоры; 16, 18, 28, 22 - холодильники; 20, 25, 32 - насосы. Е| - эксергия 1 - го потока, кВт; Р - потери эксергии кВт; п - эксергетический КПД элемента, %
и эксергетических расчетов для каждого из участков схемы представляются в виде диаграмм потоков эксергии (диаграммы Сэнки) и таблиц (рис.3, табл. 1-2). На диаграммах Сэнки элементы исследуемой схемы соединяются изображениями потоков в виде полос. Ширина этих полос соответствует величинам эксергетических потоков.
Таблица 1 - Результаты расчета эксергетического КПД по элементам блока II стадии выделения изопропилбензола
Элементы БТТС Эксергия КПД(Е), % Вклад элемента в КПД, % Вклад потерь в элементе в общие потери, %
Переданная, кВт Воспри- нятая, кВт Потери, кВт
Дефлегматоры 1781,49 315,58 1465,91 17,71 3,72 33,68
Колонны 5872,07 4711,51 1160,56 80,24 55,48 26,66
Кипятильники 3521,5 2736,19 785,31 77,70 32,22 18,04
Подогреватели 732,39 308,38 424,01 42,11 3,63 9,74
Холодильники 325,9 64,94 260,96 19,93 0,76 6,00
Насосы 406,66 206,4 200,26 50,75 2,43 4,60
Эжектор 204,74 149,17 55,57 72,86 1,76 1,28
Итого 12844,75 8492,17 4352,58 66,11 100,00 100,00
Таблица 2 - Результаты расчета эксергетического КПД по элементам всей системы стадии выделения изопропилбензола
Элементы БТТС Эксергия КПД(Е),% Вклад элемента в КПД, % Вклад потерь в элементе в общие потери, %
Переданная, кВт Воспри- нятая, кВт Потери, кВт
Колонны 10832,41 8356,59 2475,82 77,14 43,92 26,30
Насосы 6303,23 3962,88 2340,35 62,87 20,83 24,87
Дефлегматоры 2553,02 413,61 2139,41 16,20 2,17 22,73
Кипятильники 6655,25 5078,51 1576,74 76,31 26,69 16,75
Холодильники 473,119 85,983 387,136 18,17 0,45 4,11
Подогреватели 1038,89 675,11 363,78 64,98 3,55 3,87
Эжекторы 581,33 452,42 128,91 77,82 2,38 1,37
Итого 28437,249 19025,103 9412,146 66,90 100,00 100,00
К основным элементам БТТС относятся теплообменники подготовки сырья, ректификационные колонны, кипятильники, дефлегматоры, холодильники и насосы. Результаты расчета эксергетических КПД по основным элементам БТТС производства изопропилбен-зола представлены в таблице 2. По величине переданной эксергии в порядке убывания основные элементы балансовой теплотехнологической схемы располагаются следующим образом.
Величина суммарных потерь эксергии в элементах БТТС для стадии выделения изопропилбензола составляет 9412,146 кВт.
На рисунке 4 представлена диаграмма распределения эксергетических потерь по основным элементам.
■ Колонны Н Кипятильники
□ Дефлегматоры
□ Холодильники
□ Подогреватели
□ Эжекторы
□ Насосы
Рис. 4 - Распределение потерь эксергии по элементам БТТС на стадии выделения изопропилбензола
Как видно из приведенных расчетов наибольшие эксергетические потери присутствуют в разделительных колоннах 26,3 % - это объясняется тем, что расчет проводился только по термомеханической эксергии без учета химической составляющей, а основная работа разделительной колонны заключается в получении более чистых веществ, то есть веществ с более высокой химической эксергией. Потери в насосах обусловлены тем, что «чистая» эксергия в виде электрического тока преобразуется, в начале в механическую работу, а затем в эксергию давления, что приводит к значительным потерям. Потери в дефлегматорах 22,73 % и в холодильниках 4,11 % связаны с тем что к аппаратам подводится низкопотенциальный энергоноситель - оборотная вода. Небольшой температурный перепад (в среднем от 25°С до 40°С) требует значительных объемных расходов теплоносителя, особенно в дефлегматорах, для обеспечения фазового перехода верхнего продукта. В кипятильниках потери несколько меньше 16,75%, чем в дефлегматорах, что объясняется использованием высокопотенциального теплоносителя - водяного пара (0,6 и 1,6 МПа). В подогревателях нет необратимых потерь, связанных с фазовым переходом и используются высокопотенциальные греющие теплоносители, что характеризует столь низкие потери 3,87%. В пароэжекционных насосах высокопотенциальный пар смешивается с отдувкой колонн и создается необходимое «полезное» разряжение.
Выводы
Составлены тепловой и эксергетический балансы стадии выделения изопропилбен-зола. Определены потери и термодинамическая эффективность отдельных элементов, бло-
ков и всей БТТС в составе системы производства. Из-за термодинамического несовершенства процессов теряется 9,4 МВт эксергии. В элементах БТТС передается 28,4 МВт (100 %) эксергии, из которых воспринимается 19 МВт (66,9 %).
Выполнена оценка термодинамической эффективности основных элементов БТТС по балансу КПД(Е).
При проведении термодинамического анализа с использованием полной эксергии термомеханические изменения теряются на фоне химической составляющей эксергии. Однако, использование только термомеханической составляющей без участия химической составляющей эксергии при термодинамическом анализе не дает всей картины происходящих процессов в тепломассообменных аппаратах и не позволяет более полно оценить энергоэффективность тепломассообменных аппаратов химико-технологической схемы.
Литература
1. Бушуев, В.В. Мониторинг реализации Энергетической стратегии России на период до 2020 г. в 2007-2008 г.г. / В.В. Бушуев, А.И.Громов, А.А. Троицкий //Теплоэнергетика. - 2009. - №9. - С. 2-5.
2. Котлер, В.Р. Потребление первичной энергии и структура топливопотребления в мире / В.Р.Котлер, Д.Е. Серков // Электрические станции. - 2002. - № 7 - С. 71-73.
3. Костерин, Ю.В. Экономия теплоты в энергоемких отраслях промышленности / Ю.В. Костерин.
- М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1995. - 156 с.
4. Ключников, А.Д. Интенсивное энергосбережение: предпосылки, методы, следствия / А.Д. Ключников // Теплоэнергетика. - 1994. - № 1. - С. 2-7.
5. Назмеев, Ю.Г. Организация энерготехнологических комплексов в нефтехимической промышленности / Ю.Г. Назмеев, И.А. Конахина- М.: Издательство МЭИ, 2001. - 364 с.
6. Абрамов, А.Г. Снижение энергоемкости процесса совместного получения оксида пропилена и стирола за счет углубленной переработки 2-фенилэтанола / А.Г. Абрамов, Э.А. Каралин, Д.В. Ксенофонтов, Э.А. Харлампиди // Вестник Казанского технол. ун-та.-2008.-№4. - С.55-58.
7. Шайхутдинов, Р.З. Синтез оптимальной технологической схемы очистки этанольной фракции эпоксидата / Р.З. Шайхутдинов, Д.Н. Земский, В.И. Елизаров, А.А. Петухов // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2009. - №3. - Ч.1. - С.92-101.
8. Назмеев, Ю.Г. Анализ эффективности системы окисления изопропилбензола до гидрооксида изопропилбензола / Ю.Г.Назмеев, Е.К.Вачагина, В.В. Плотников // Изв. ВУЗов. Сер. проблемы энергетики. - 2003. - № 1-2. - С. 39-48.
9. Михайлова, Л.В. Анализ термодинамической эффективности теплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена / Л.В. Михайлова // Изв. РАН. Сер. энергетика. - 2005. - № 6. - С. 69-79.
© В. В. Плотников - канд. техн. наук, доц. каф. автоматизированных систем сбора и отображения информации КГТУ, carpenter_wowa@mail.ru; О. Г. Петрова - асп. той же кафедры, ogoroshka@mail.ru; Л. В. Плотникова - канд. техн. наук, доц. каф информатики и информацион-но-управляющих систем КГТУ, mikhailovalv@mail.ru.
