CC BY
42
УДК 66.011
Э. В. Ялбуев, Е. С. Воробьев, Ф. И. Воробьева МОДЕЛЬ РАБОТЫ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА И ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА В СРЕДЕ СИЕМ-САБ
Ключевые слова: Диоксид углерода, Получение, Модель, ChemCAD.
В работе представлена модель котла-утилизатора, выполненная с ChemCAD, для получения диоксида углерода и пара высокого давления. Показаны результаты исследования данной модели с использованием средств анализа ChemCAD. Представлены графические материалы по оптимальным условиям ведения данного процесса.
Keywords: Carbondioxide, Preparation, Model, ChemCAD.
The document presents a ChemCAD model for recovery boiler produces carbon dioxide and high-pressure steam. Shows the results of study this model using the «Sensitivity Studies» tools. Showinggraphsdescribing optimal conditions of the process.
Введение
Для эффективного управления существующими технологиями и процессами, которые активно используются в производстве целесообразно создавать работающие модели этих процессов. На примере производства получения жидкого диоксида углерода высокой чистоты, работающего на предприятии ОАО «КАЗАНЬОРГСИНТЕЗ», показан вариант такого решения. В работе использовались данные собранные студентом кафедры ОХТ Ялбуевым Э.В. во время его преддипломной практики на данном предприятии и полученные из открытых баз Интернет. Решение задачи строилось в программе ChemCAD, которая описана в [1].
Построение модели котла
При разработке модели в среде ChemCAD нельзя создать аппарат, в котором протекают несколько процессов, поэтому в модели используются несколько потоков, связанных между собой связями посредствам контроллеров разного типа. Построенная схема модели показана на рис. 1.
Рис. 1 - Схематическая модель работы котла
Схема включает в себя семь аппаратов:
1. Реактор Гиббса, где протекают реакции процесса горения;
2. Контроллер цикла, позволяющий подобрать оптимальное соотношение топочных газов и воздуха;
3. Теплообменник, обеспечивающий получение перегретого пара с заданными параметрами;
4. Контроллер, передающий выделившееся тепло в процессе горения из реактора в теплообменник;
5. Смеситель, обеспечивающий смешение факельных (или других промышленных) газов с природным газом для обеспечения оптимальной температуры процесса горения;
6. Контроллер, определяющий поток воды, который может быть нагрет за счет тепла от реактора до заданных параметров по пару;
7. Насос, обеспечивающий необходимое давление в системе.
и двенадцать потоков сырья и продуктов: факельные газы (1) и природный газ (12) после смесителя формируют поток топочных газов (8, 9), воздух для горения (2), после реактора получаем дымовые газы (3-4), вода для нагрева (5, 6, 7) и перегретый пар (10, 11).
После построения схемы были заданы основные параметры модели (единицы измерений, схемы расчетов и т.п.) и индивидуальные вещества, которые должны составлять все потоки, это: Н2, СН4, С2Н6, С2Н4, С3Н8, СэН6, ьС^НЦ^П-С^Ю, С4Н8, С4Н6£С5.Заданы входные потоки (1, 2, 5, 8) по сырью с использованием данных с производства. Для удобства ввода использовались массовые доли компонентов и общий массовый поток (кг/ч). Для аппаратов были введены необходимые исходные параметры:
• Для реактора Гиббса задали изотермический режим работы и температуру процесса, указали азот, входящий в состав воздушного потока,как инертного компонента не участвующий в химическом процессе;
• Для теплообменника определили приход тепла от котла-утилизатора через используемый контроллер;
• Для насоса задано выходное давление;
• В контроллере цикла (2), который отвечает при необходимости за подбор объема подаваемого воздуха в реактор,задали реактор в качестве аппарата для оптимизации;
• В контроллере для передачи тепла (4) задали приемник тепла (теплообменник) и источник
(реактор), для источника указали множитель -1 для изменения знака теплового потока;
• В контроллере определения потока воды (6) указана выходная температура пара из теплообменника, по которой и определяется объем подаваемой воды;
• В контроллере для задания массы природного газа (8) указана общая масса в потоке 8, что позволило в дальнейших расчетах получить оптимальные соотношения для факельного и природного газа, а так же необходимый объем подаваемого воздуха.
Данная модель позволяет нам рассчитать все основные характеристики по потокам и продук-тамв них, а так же параметры работы основных аппаратов. Основные характеристики выходных потоков показаны ниже:
Stream №. 4 10
StreamName Дымовыегазы Пар
Temp K 800.00 650.02
Presatm 1.00 32.00
Enth MJ/h -13558.0 -30981. 0
Vapor mole frac. 1.00 1.00
Total kmol/h 457.08 134.27
Total kg/h 10499.98 2418.81
Total std L m3/h 18.95 2.42
Total std V m3/h 10244.79 3009.40
Flowrates in kg/h
Hydrogen 54.02 0.00
Methane 2471.24 0.00
Ethylene 0.04 0.00
Ethane 0.48 0.00
Propylene 0.0004 0.00
Propane 0.0004 0.00
1,3-Butadiene 0.00 0.00
1-Butene 164.44 0.00
Isobutane 0.00 0.00
N-Butane 0.00 0.00
N-Pentane 0.00 0.00
Oxygen 0.00 0.00
Nitrogen 5740.00 0.00
Carbon Dioxide 455.80 0.00
Water 21.12 2418.81
Carbon Monoxide 1592.84 0.00
Nitrogen Dioxide 0.00 0.00
Сравнение результатов расчетов в условиях работы аппаратов и параметров потоков, близких к заводским данным, дали хорошее совпадение с расчетными данными.
Построенная модель позволяет исследовать влияния различныхпараметрических изменений, которые могут проходить в реальном производстве и на основании полученных результатов принимать оптимальные решения в процессе управления производственным процессом.
Для таких исследованийудобно использовать средство анализа (ЗешШу^ЗШ&еБ), которое позволяют изучать изменения различных выходных функций в зависимости от изменения заданных параметров. При постановке задачи выбираютсяос-новнойпараметр, по которому строятся все таблицы и графики и, при необходимости, вспомогательный параметр, который позволяет построить несколько кривых на одном графике для разных его значений.
Для удобства анализа полученных результатов можно получить таблицы данных илипостроить графики.
Приисследовании работы котла были выполнены анализы устанавливающие влияние состава сырья (различные соотношения факельного и природного газов) при различных значениях температуры реактора и разных объемах подачи воздуха. На их основании были получены зависимости выхода различных компонентов (в первую очередь выходы СО2 и пара), тепловые характеристики котла (Ргеак), оптимальные соотношения топливо-газ (X);
На первом этапе было исследовано влияние количества состава топочного газа, которое зависит от количества поставляемого факельного газа и необходимого для его нормального горения природного газа. Для этого анализа в качестве основного параметра использовали расход факельного газа (поток 1), который менялся в интервале от 500 до 4500 кг/ч в общем потоке топочного газа (поток 8). Общий объем топочного газа, который составлял 5000 кг/ч, дополнялся природным газом через контроллер 8. В качестве вспомогательных параметров использовались объем подаваемого воздуха (поток 2) и параметры работы реактора (аппарат 1) - режим работы (изотермический и адиабатический), температура реактора от 800 К до 1400 К и задаваемое соотношение топливо/воздух.
Наиболее показательные примеры расчетных графиков показаны ниже. На первом из них (рис.2) показаны зависимости выхода диоксида углерода в зависимости от температуры реактора для различных количеств факельного газа в потоке. Как видим из первого графика, имеет место экстремум, где обеспечивается максимальный выход одного из целевых продуктов процесса (диоксида углерода).
-
1W» ш •
S r *
* -J 4 ■
-- > / ■ Й'
■... ï t • -
'J s y
/
/
-
5М54О5Ы]е»«О7<»Г4О7[ЮйЯ][ИОМ(1М1]Щ®1аМ1О(0 11« 1144 11 DO 1220
Tnak к
* FakCia = НЮ « Fak_Caa il GH Л--", FakCaa = 3500» Fafc_Caa - «ПО
Рис. 2 -Зависимость выхода диоксида углерода
Второй график показывает выход тепла, которое передается на нагрев воды (тепло указано с отрицательным знаком, так как оно отдается реактором), которое возрастает с понижением температуры.
Наибольший практический интерес представляют выведенные зависимости, которые позволяют оптимизировать работу котла-утилизатора, выбирая оптимальные параметры его работы в зависимости от поставленных задач. Например, в зависимости от компонентного состава факельного газа определить оптимальные параметры работы котла для получения оптимальных объёмов диоксида углерода и водяного пара. Данные расчеты не всегда
можно выполнить в среде ^етСЛВ. Поэтому они были сделаны с стандартном пакете МЕЕхсе1 с использованием надстройки «Поиск решений». Подробные приемы работы с надстройкой представлены в работе [2].
Рис. 3 - Зависимость выработанного котлом тепла
Выполненные расчеты позволили построить ряд зависимостей, которые могут иметь практический интерес при управлении котлом. Например, на рис.4 показаны графики зависимостей выхода тепла от соотношения топливо/воздух (X).
Как видим, для всех кривых имеется максимум выхода тепла. Используя М8Ехсе1,была найдена функциональная зависимость, описывающая эти максимумы от входных характеристик потоков и работы аппарата. Данная зависимость позволяет подбирать оптимальные условия ведения процесса.
Проведенные расчёты показывают возможность нахождения оптимальных условий ведения процесса в зависимости от различных условий работы котла. Работа выполнена при подготовке дипломного проекта по данной тематике.
Рис. 4 - Зависимость теплоты, полученной от котла
Литература
1. Л.Ф. Ахмадеева, Л.Н. Москалев, Э.В. Осипов, И.И. Поникаров, Вестник КНИТУ. Т. 15. № 11. С. 158-162. (2012)
2. Ю.В.Ерандаева, Е.С.Воробьев, Ф.И.Воробьева, Вестник КНИТУ. № 11. С. 88-91. (2011)
л
© Э. В. Ялбуев - студ. каф. общей химической технологии КНИТУ, codered_90@mail.ru, Е. С. Воробьев - к.т.н, доцент той же кафедры, Vorobiev@kstu.ru; Ф. И. Воробьева - к.х.н, доцент той же кафедры.
© E. Yalbuev - student of the Chair of General Chemical Technology, KNRTU, codered_90@mail.ru; Е. Vorobyev- Ph.D., associate professor, assistant professor of the Chair of General Chemical Technology, KNRTU Vorobiev@kstu.ru; F. Vorobyeva - Ph.D., associate professor, assistant professor of the Chair of General Chemical Technology, KNRTU.
