CC BY
16
Key words: Industrial process safety, fuzzy control system.
Bakasov Sabir Rumovich, postgraduate, Sabirl 7204@gmail. com, Russia, Tver, Tver state technical university,
Kirillov Ivan Evgenevich, candidate of technical sciences, docent, KirillovIarambler. ru, Russia, Apatity, Establishment of Russian Academy of Sciences Institute for Informatics and Mathematical Modelling of Technological Processes of the Kola Science Center RAS,
Toichkin Nikolai Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, toich-kina list.ru, Russia, Apatity, Apatity branch of Murmansk Arctic State University,
Prorokov Anatoly Evgenevich, candidate of technical sciences, docent, head of chair, aprorokovamail.ru, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk affiliate branch of D.I. Mende-leyev University of Chemical Techology of Russia,
Bogatikov Valeriy Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, vnbgtka mail. ru, Russia, Tver, Tver State Technical University
УДК 661.721.41; 681.5; 519.711.3
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ СХЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ РЕАКТОРА
СИНТЕЗА МЕТАНОЛА НА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМ КАТАЛИЗАТОРЕ ПРИ ПОНИЖЕННОМ ДАВЛЕНИИ
А.В. Соболев, А.И. Ляшенко, Д.П. Вент, П.В. Корольков
Предложен подход к модернизации технологической схемы получения метанола на низкотемпературном катализаторе при давлении 5 МПа. Проведено эксергети-ческое исследование статических режимов работы реакторного узла, математическое моделирование тепловых процессов в динамике. В результате разработана схема охлаждения реактора с новой энергосберегающей системой регулирования температуры, введение которой позволит одновременно повысить производительность и энергоэффективность процесса.
Ключевые слова: система автоматического регулирования, критерий энергосбережения, потери эксергии, колонна синтеза метанола, эксергетическая чувствительность.
Производство метанола является промышленно важным химико-технологическим процессом, в котором протекают экзотермические реакции, и выделяется значительное количество энергии. Анализ химико-технологической системы (ХТС) показывает, что весомые потери энергии связаны с отводом тепла реакции и приходятся на реакторную подсистему синтеза. От оптимальности работы реактора (как в статике, так и в динамике) зависит производительность ХТС в целом.
54
В большинстве действующих технологиях синтеза метанола при давлении 5 МПа используют реакционные аппараты шахтного типа, в которых предусмотрен ввод холодного байпасного потока газа (ХБ) для снижения общей температуры сырья и разбавления газо-продуктовой смеси [1]. Такие реакторы просты и недороги по исполнению, использование холодных байпасов позволяет быстро вернуть реактор в стационарный режим работы в случае отклонения температуры от заданного значения. Однако недостатком является отличие реального температурного режима от изотермического. Как следствие, наблюдается низкий уровень энергосбережения и невысокая производительность. Выход метанола составляет не более 3%. Вследствие низкой конверсии такие реакторы используют в схемах с рециклом по синтез-газу.
На основании выполненного анализа предлагается модернизировать неэкономичную схему охлаждения реактора шахтного типа с холодными байпасами в циклических технологиях следующим образом. Задействовать холодные байпасы будем только в динамических режимах при отработке возмущений, что позволит быстрее вернуть реактор к экономичному режиму работы. В стационарных же режимах работы реактора в межсекционных зонах будем охлаждать поток не за счет холодных байпасов, которые имеют малую теплоемкость, а поместим туда внутренние межполочные утилизационные теплообменники (МУТ), через которые циркулирует хладагент, обладающий более высокой теплоемкостью. В рамках этого чрезвычайно важно организовать процесс управления такой технологической схемой, так как появляется избыточность в управляющих воздействиях, которые взаимосвязаны в динамических режимах и одновременно влияют на регулируемую переменную (температуру), поэтому обойтись типовыми одноконтурными системами регулирования уже не представляется возможным. Технология должна рассматриваться совместно с соответствующей системой автоматического управления, только тогда можно получить положительный результат.
В данной работе преследовалась цель - на основании анализа реактора синтеза метанола как объекта управления, оценить эффективность предложенной комбинированной схемы для его охлаждения в сочетании с энергосберегающей системой автоматического регулирования (ЭСАР [12]) температуры, использующей избыточность в управляющих воздействиях и позволяющей обеспечить одновременно оперативность в динамических режимах и результативность химико-технологического процесса в статических режимах.
При составлении математического описания процесса синтеза метанола произведена декомпозиция топологии производства, выделены основные технологические операторы: химическое превращение (слой ката-
55
лизатора), механическое разделение (делитель потоков), смешение (смесительная камера), теплообмен (МУТ, рекуператор), получены соответствующие кинетические и гидродинамические модели.
Основные реакции, принимаемые в рассмотрение, это синтез метанола из оксида углерода (1) и диоксида углерода (2) и паровая конверсия оксида углерода (3).
СО + 2Н2 « СН3ОН + 90,79 кДж / моль, (1)
СО2 + 3Н2 « СН3ОН + Н2О +130,89 кДж / моль , (2)
СО + Н2О « СО2 + Н2 - 41,06 кДж / моль. (3)
Для описания кинетики процесса выбрано уравнение 1-го поколения (неоднородная поверхность), предложенное В.Е. Леоновым, М.М. Караваевым [1].
Математическая модель процесса синтеза помимо кинетической модели включает и гидродинамическую (выбрана модель идеального вытеснения), которая в стационарном режиме представляет собой систему уравнений материального и теплового баланса:
7 = } ± г ;
—Х С 7 п — Л ^
1 д-1 (4)
-Т, т / \
-Х- 77,}}-)).
где г - скорость д-ой химической реакции, моль/(м3-с); у1) - концентрация к-го компонента по длине,-го слоя, моль/м ; С, - массовый расход
реакционной смеси через 1-ый слой, кг/с; 8, - площадь поперечного сече-
2
ния ,-го слоя катализатора, м ; р , - плотность реакционной смеси на ,-ом слое, кг/м3; X - длина слоя катализатора, м; Т, - температура циркуляционного газа по длине 1-го слоя катализатора, °С; ер - изобарная теплоемкость реакционной смеси в ,-ом слое, кДж/кг-°С; АНд - изменение энтальпии д-ой реакции, кДж/моль;, - номер секции с катализатором; к - индекс компонента (1..4), соответствующий СН3ОН, Н2, СО, СО2; д - номер химической реакции (1..т); т - число рассматриваемых реакций на слое катализатора.
Для исследования процесса охлаждения газа в смесительном объеме между слоями с катализатором одновременно с помощью ХБ и МУТ разработана соответствующая комбинированная модель (5).
56
SjPjt
dT,
= -0,0,
pj dt J pj dx dT;
dT, m ( v
J + Sj Z (± rq (±AHq));
q=1
см
n
i rj+l°Pj+1 J = 0ХБ °РХБ/ ТХБ; + GJ Cpfj -
- (0ХБ. + 0J )cPj+iTJ+1;
Fтр c ЭТМУТ, = 0 ЭТМУТг + '^сечРмУХ- срМУТ. -^-= -0МУТ. СРМУТ.---+
V
РМУТ. dt
dTj+1
+
Кт FT L
(Tj
j +1
dl
"ТМУТг.);
т.pJ+1CPj+1 -(0ХБ. + 0j)cPj+iTj+1 -(0ХБ. + 0J)cPj+iTJ+1
Kt Ft L
L (Tj+1(t) - Tmvt (l, t))dl;
. = 1,3; j=1,4,
(5)
где VCM., VT. - объем зоны теплообмена путем смешения потоков и путем
теплопередачи, м3; n - число змеевиков; F^P - площадь поперечного сечения одного змеевика, м2; Ft , L - площадь поверхности теплообмена путем теплопередачи (м ) и ее длина (м); Кт - коэффициент теплопередачи, кВт/(м -°C); Pj+1, Рмут. - плотность газа основного хода на выходе зоны смешения и плотность хладагента в МУТ, кг/м ; Cp^ , Cp,+1, Cpмут -
изобарная теплоемкость газа через ХБ, объединенного потока газа на выходе зоны смешения и хладагента в МУТ, кДж/(кг-°С); Охб ., Омут. -
расход газа через ХБ и расход хладагента через МУТ, кг/с; TxБ., T/+1,
TMyT. , Tj+1 - температура газа через ХБ, потока газа на выходе зоны
смешения, хладагента в произвольном сечении МУТ, конечная температура газа на выходе зоны теплопередачи, °С; i - порядковый номер ХБ и МУТ, равный номеру межсекционной зоны.
С использованием промышленных данных с установки синтеза метанола М-100 «НАК «Азот», г. Новомосковск, проведена проверка полученных математических моделей на адекватность (основное требование -обеспечение температурного режима в регламентном диапазоне). Погрешность составила ~ 10 %, что в целом говорит о достаточной степени соответствия реальному процессу.
Эксергетический анализ реакторного узла. Наиболее полную оценку процессов преобразования энергии в ХТС можно получить с помощью эксергетического метода термодинамического анализа [2]. При этом часть
57
0
потерь эксергии вследствие необратимости технологических процессов затрачивается на стабилизацию режимов работы ХТС [3], а это непосредственно связано с подводом управляющих воздействий, который сопровождается безвозвратными потерями качества энергии. Поэтому при разработке технологической схемы охлаждения реактора и оценке эффективности работы энергосберегающей системы регулирования температуры использовался эксергетический анализ, позволивший учесть потенциальную работоспособность энергии, которая не находит отражения в типовом энергетическом балансе, и, как следствие, выявить скрытые резервы для энергосбережения.
На основании моделей процесса, описывающих стационарные режимы работы (производные по времени при этом приравнивались нулю), с помощью разработанной моделирующей системы, реализованной в виде компьютерной программы [4], рассчитаны эксергетические балансы реакторного узла при использовании различных схем охлаждения реактора, построены диаграммы Грассмана-Шаргута (см. рис. 1).
Рис. 1. Эксергетические диаграммы реакторного узла: а - схема охлаждения с холодными байпасами; б - комбинированная
схема охлаждения
В сравнении с действующей на производстве схемой охлаждения с холодными байпасами, отношение общих потерь эксергии к нагрузке реактора в случае комбинированной схемы охлаждения уменьшается на 12,26 кДж/кг. Кроме этого удается повысить выход метанола.
58
Проведенный расчет эксергетической чувствительности [5] статических режимов работы реактора с комбинированной схемой охлаждения к изменению управляющих воздействий (ввод холодного газа через байпасы и подача хладагента через межполочные теплообменники) и исследование характера ее изменения в зависимости от изменения режимных параметров процесса позволили научно обосновать выбор энергоэффективных каналов охлаждения газа в статике с регулирующими воздействиями в виде изменения расхода воды через утилизационные теплообменники, обладающих меньшей эксергетической чувствительностью.
Моделирование динамических процессов по температуре на слое. С использованием динамической модели процесса (8) выделены каналы управления температурой газа на выходе каждого слоя, общие каналы возмущения по температуре и расходу газа основного хода. Исследование динамических режимов работы реактора [6] показало, что использовать МУТ для стабилизации температуры при компенсации возмущений нецелесообразно из-за существенной инерционности каналов системы охлаждения, в отличие от ХБ, управление которыми характеризуется высоким быстродействием.
Таким образом, проведенный анализ статических и динамических характеристик реактора подтвердил целесообразность построения ЭСАР температуры с двумя управляющими воздействиями на каждую полку с катализатором (рис. 2).
Рис. 2. Принципиальная схема управления реактором: 1 - реактор; 2 - электроподогреватель; 3 - рекуператор; 4 - котел-утилизатор; 5 - насос; 6-11 - датчики температуры; 12-15 - слои катализатора; 16-21 -сумматоры; 22-27- регуляторы; 28-33 - регулирующие клапаны; 34-36- фильтры высоких частот; 37-39 - фильтры низких частот
59
На рис. 3 на примере 2-го слоя катализатора представлены результаты моделирования работы синтезированной ЭСАР температуры с двумя ПИ-регуляторами при отработке небольшого ступенчатого возмущения по расходу газа основного хода.
Рис. 3. Переходные процессы по температуре на выходе 2-го слоя катализатора: а - график изменения температуры (1 - САР с ХБ;
2 - САР с МУТ; 3 - ЭСАР); б - график изменения управляющих воздействий в ЭСАР (1 - изменение расхода газа через ХБ;
2 - изменение расхода воды через МУТ)
Анализ переходных процессов (рис. 3, а) показывает, что по качеству регулирования, оцениваемом нами по интегральному квадратичному критерию, разработанная ЭСАР температуры, безусловно, выигрывает у одноконтурной системы с МУТ (в процентном соотношении разница достигает порядка 85 %) и в то же время сравнима с качеством одноконтурной динамически эффективной системы с ХБ.
По графику изменения управляющих воздействий в ЭСАР (рис. 3, б) видно, что каналы управления работают одновременно, но каждый в своем частотном диапазоне, благодаря чему они не мешают друг другу.
Результаты и их обсуждение. В настоящей работе предложен новый способ поддержания температуры по высоте реактора синтеза метанола полочного типа с новой энергосберегающей системой регулирования для его осуществления. За счет несущественной реорганизации схемы охлаждения, не требующей серьезных финансовых вложений, можно повысить энергетические показатели процесса, что подтверждено на примере расчета, с применением моделирующих программ, промышленного агрегата по производству метанола М-100. В результате при рекуперации тепла реакции удается дополнительно утилизировать энергию в размере ~ 1,8^107 кДж/ч, обеспечив выработку технологического пара (25-30 атм.), идущего на производственные нужды (привод компрессоров и т.д.) при улучшении качества регулирования температуры в динамических режимах. Проведение синтеза в строго оптимальных температурных условиях одновременно с получением пара позволяет уменьшить образование побочных продуктов, повысить конверсию синтез-газа в метанол примерно на 15-20% и увеличить срок эксплуатации катализатора.
60
Список литературы
1. Технология синтетического метанола / М.М. Караваев,
B.Е. Леонов, И.Г. Попов, Е.Т. Шепелев; под редакцией профессора М.М. Караваева. М.: Химия, 1984. 240 с.
2. Бродянский В.М. и др. Эксергетические расчеты технических систем: справочное пособие / под ред. акад. Долинского А.А. и Бродянско-го В.М. Киев: Наукова думка, 1991. 360 с.
3. Кафаров В.В., Перов В.Л., Иванов В. А., Бобров Д. А. Системный подход к оптимальному проектированию химико-технологических систем // Теорет. основы хим. технологии. 1972. Т. 6. № 5. С. 908-915.
4. Вент Д.П., Соболев А.В., Ляшенко А.И. Программа для ЭВМ «Автоматизированная система расчета эксергетической чувствительности химико-технологической системы ExergySensCTS» // Хроники объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и образование». 2012. № 12 (43).
C. 31.
5. Соболев А.В., Ляшенко А.И., Соболева Ю.В., Вент Д.П. Методика определения эксергетической чувствительности стационарных режимов работы колонны синтеза метанола // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: ТулГУ, 2013. Вып. 2. С. 277-283.
6. Ляшенко А.И., Соболев А.В. Анализ динамических характеристик колонны синтеза метанола при комбинированном управлении температурным режимом // Вестник МАСИ. 2013. Т. 15. Ч. I. С. 23-32.
Соболев Алексей Валерьевич, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, alexsobolev2016@mail. ru, Россия, Новомосковск, Филиал Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева,
Ляшенко Александр Иванович, канд. техн. наук, ведущий программист, alexlyashenko@live. ru, Россия, Новомосковск, Филиал Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева,
Вент Дмитрий Павлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, vent a list.ru, Россия, Новомосковск, Филиал Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева,
Корольков Павел Владимирович, аспирант, [email protected], Россия, Новомосковск, Филиал Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева
ENERGY-SAVING SCHEME OF COOLING OF THE REACTOR METHANOL SYNTHESIS ON A LOW TEMPERATURE CATALYST UNDER REDUCED PRESSURE
A. V. Sobolev, A.I. Lyashenko, D.P. Vent, P. V. Korolkov
An approach to the modernization of the technological scheme of production of methanol at low temperature catalyst at a pressure of 5 MPa. A study of exergy static modes reactor unit, mathematical modeling of thermal processes in the dynamics. As a result, the
61
scheme of cooling the reactor with a new energy-saving temperature control system, the introduction of which will simultaneously improve productivity and energy efficiency of the process.
Key words: automatic control system, the criterion of energy efficiency, exergy losses, column methanol synthesis, exergy sensitivity.
Sobolev Aleksey Valerevich, candidate of technical sciences, docent, head of chair, alexsoholev2()l6amail.ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk's Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,
Lyashenko Alexander Ivanovich, candidate of technical sciences, leading programmer, [email protected], Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk's Institute (suhdivi-sion) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,
Vent Dmitri Pavlovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, venta list.ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk's Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,
Korolkov Pavel Vladimirovich, postgraduate, pavelkorolkov89@yandex. ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk's Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University
УДК 681.5
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
А.В. Соболев, А.И. Ляшенко, П.В. Корольков, Д.П. Вент
Разработаны основные положения теории новых энергосберегающих систем автоматического регулирования с избыточностью в управляющих воздействиях, способных повысить уровень энергоэффективности химико-технологических процессов. Сформулирован критерий оптимальности работы энергосберегающей системы регулирования, формализованы задачи структурного и параметрического синтеза.
Ключевые слова: энергосберегающие системы автоматического регулирования, критерий оптимальности, потери эксергии, регуляторы, фильтры.
Химико-технологические процессы (ХТП) характеризуются высоким уровнем энерго- и ресурсозатрат для получения целевой продукции заданного качества и количества. Большинство существующих систем автоматического управления (САУ) ХТП основаны на применении локальных контуров регулирования, способных лишь контролировать режимные параметры, не учитывая потери энергетических ресурсов, что негативно сказывается на эффективности всей химико-технологической системы (ХТС) в целом.
