CC BY
57
УДК 662.75; 004.942
Д. А. Рыжов, А. М. Шакирова, Л. Ю. Кошкина
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ПОЛУЧЕНИЯ БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА В CHEMCAD
Ключевые слова: биодизельное топливо, установка получения биодизеля, оптимизация, математическое моделирование, суммарные удельные энергозатраты, энергосберегающие режимы работы.
С использованием современных методов математического моделирования и оптимизации исследованы резервы повышения эффективности и решена задача поиска энергосберегающих режимов работы установки получения биодизельного топлива. Проведен анализ чувствительности влияния поисковых переменных на содержание ключевых компонентов и критерий оптимальности. Были найдены оптимальные значения поисковых переменных, при которых критерий оптимальности принял минимальное значение при наложенных ограничениях на качество получаемой продукции. В качестве критерия оптимальности рассмотрены суммарные удельные энергозатраты на единицу получаемого продукта.
Keywords: biodiesel, biodiesel unit, optimization, mathematical simulation, the total specific energy consumption, energy-saving
scenarios.
Using contemporary methods of mathematic simulation and optimization there were researched the reserves of efficiency raising and achieved the task offinding the power saving working conditions of obtaining biodiesel installation. There was spent a sensitivity analysis of the impact of independent variables on the content of the key components and the objective function. There were found the optimal values of the independent variables which ensure a minimum value of objective function with the limitations imposed on the quality of the products. As the objective function considered the total specific energy consumption per quantity ofproduced product.
Истощение запасов традиционных источников энергии, таких как природный газ и нефть, быстрорастущие темпы энергопотребления, очевидная тенденция к увеличению зависимости от импорта энергоресурсов ряда государств, а также потребность человечества в энергетических ресурсах, способствуют активному поиску, исследованию и развитию альтернативных источников энергии.
Ежегодно все большее применение в различных отраслях промышленности по всему миру находит топливо, полученное из жиров растительного и животного происхождения. Более 20 последних лет биодизель успешно применяется в странах Европы и Америки. Фермеры специально выращивают масличные культуры для заправки своих тракторов и другой техники. Биодизель распространяется наравне с традиционными видами топлив на обычных заправочных станциях. Следует отметить, что на сегодняшний день это единственное альтернативное топливо, которое подходит практически для любого стандартного дизельного двигателя [1]. По сравнению с обычным дизельным топливом биодизель почти не содержит серы. При работе двигателя на биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60 % [2].
Установлено также, что при попадании биодизеля в водоемы происходит практически полная его биологическая деградация, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озёр.
В настоящее время использование биодизеля в России не получило широкого применения, несмотря на приведенные выше очевидные преимущества, что связано, в первую очередь, с себестоимостью данного вида топлива, которая превышает стоимость дизельного топлива (примерно на 10-15%) [3, 4].
Одним из путей решения этой проблемы является минимизация эксплуатационных затрат производства биодизеля. При проектировании технологических установок, расчет параметров процессов происходит в индивидуальном порядке для отдельных элементов системы, тогда как комплексное рассмотрение системы и учет взаимосвязи технологических параметров отдельных процессов системы друг на друга может выявить их более рациональное сочетание с точки зрения некоторого целевого критерия. Соответственно, становится актуальной задача исследования технологической системы получения биодизельного топлива на предмет поиска оптимального энергосберегающего режима ее работы.
Возможность решения данной задачи была апробирована в рамках одной из типовых технологий получения биодизельного топлива.
Условно процесс производства биодизеля можно разделить на четыре основных этапа: процесс тран-сэтерефикации, сепарация, рекуперация спирта, очистка готового продукта (рис. 1).
1. Трансэтерификация - процесс выведения глицерина из масла при помощи спирта с целью уменьшения вязкости масла. Масло, а также избыток спирта (метанола или этанола) реагируют в присутствии щелочного катализатора до полной переэте-рификации с получением сложного метилового эфира и глицерина. Перед разделением реагирующая смесь обычно нейтрализуется кислотой. Полученный в процессе эфир отделяется от более тяжелой фракции, содержащей глицерин, метанол и мыло.
2. Сепарация - процесс отделения глицерина от биодизеля. Наилучшие результаты показывает сепарация готового продукта на центробежных сепараторах, или гидроциклонах. Готовый продукт из реактора поступает в сепаратор, далее отдельно поступают глицерин и биодизель в ёмкости для сбора продукта.
3. Рекуперация спирта. Согласно требованиям, предъявляемым к качеству биодизельного топлива, в готовом продукте свободный спирт должен отсутствовать. Одним из требований надежного проведения реакции переэтерификации является необходимость введения в реакцию большого количества спирта (метанола). В связи с этим, при производстве биодизеля используют технологию отгонки избыточного метанола на этап трансэтерификации. Технологически процесс рекуперации заключается в испарении спирта из биодизеля в специальных колоннах. Из испарительной колонны предусмотрен отвод паров спирта в конденсатор, где происходит охлаждение паров спирта и их конденсация. Метанол собирают в ёмкости для перекачивания его в реактор и повторного использования в реакции.
4. Очистка готового продукта. На данном этапе, чтобы соответствовать спецификациям, биодизель подвергается обработке для удаления примесей. В случае сухой очистки применяется катионная ионообменная смола для удаления катализатора из сырого биодизеля, следов глицерина, воды [5].
Рис. 1 - Блок-схема процесса получения биодизеля
Задача исследования была сформулирована следующим образом: найти энергосберегающий режим работы установки получения биодизельного топлива в пространстве поисковых (управляющих) переменных технологической установки при ограничениях на требуемое качество получаемых продуктов. Эффективными методами для решения задач такого типа являются методы математического моделирования и системного анализа, одними из наиболее распространенных инструментов которых, выступают универсальные моделирующие программы (УМП) [6].
Поиск решения поставленной задачи был проведён путём составления математической модели установки получения биодизельного топлива, дальнейшей ее оптимизацией в программной среде УМП ChemCAD.
Универсальная моделирующая программа ChemCAD представляет собой эффективный инструмент компьютерного моделирования химико-технологических процессов при разработке, модернизации и оптимизации химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств [7], так как обладает большим набором готовых математических моделей основных химико-технологических процессов, методов расчета паро-жидкостного равновесия, физико-химических свойств веществ и их смесей, и других дополни-
тельных функций для проведения такого рода расчетов [8].
Технологическая схема моделирования процесса получения биодизельного топлива путём химической модификации биологического сырья в №ет-СЛБ представлена на рис. 2.
Для сборки схемы были использованы следующие математические модули:
1, 3, 13, 15 - модель смешения потоков;
2, 5, 6, 10, 19 - модель насоса для перекачки жидкости;
4, 18 - модель ректификационной колонны;
7, 11 - модель теплообменника;
8 - модель абсорбера;
9, 17 - модель сепаратора;
12, 16 - модель химического реактора.
В качестве критерия оптимальности рассмотрены суммарные удельные энергозатраты на единицу получаемого продукта.
рх с (1)
где QI■ - энергозатраты каждой 1-ой единицы оборудования, с,- - ценовой коэффициент энергоресурсов.
Для поиска энергосберегающего режима работы были рассмотрены такие энергоресурсы, как тепловая энергия, электрическая энергия, природный газ.
В таблице 1 представлены использованные в программной среде №етСЛЭ ценовые коэффициенты расчёта на рассмотренные энергоресурсы, определенные на основании данных по тарифам [9, 10,11].
Таблица 1 - Рассчитанные ценовые коэффициенты для каждого вида энергоресурсов
Вид энергоресурса Ценовой коэффициент, руб./мДж
Тепловая энергия 0,225
Электрическая энергия 0,83
Природный газ 0,12
Так, суммарные удельные энергозатраты на единицу получаемого продукта составили 1230 рубх ч/ т.
Для определения поисковых переменных задачи оптимизации, было проведено исследование влияния основных управляющих параметров технологического процесса на критерий оптимальности и качество получаемого продукта.
Качество получаемого продукта характеризуется содержанием эфира в топливе и показывает количество сложного метилового эфира жирной кислоты (FAME) в нем.
В качестве поисковых переменных были выбраны следующие параметры: температура в реакторе 12 (TR-12), температура в теплообменнике 11 (ТТ-11), расход флегмы в колонне 4 (ФК-4), температура в колонне 14 (ТК-14), расход воды в потоке 12 (Gn-i2).
Задача анализа чувствительности была поставлена и решена следующим образом: при заданных параметрах технологического процесса, исходной смеси и спецификациях оборудования, определить влияние температур кубов и флегмовых чисел колонн, температуры в реакторе, температуры потока
питания колонны 14, расхода подаваемой воды на критерий оптимальности и выход ключевого компонента в следующих диапазонах:
- для температуры в реакторе 12
110 < TR-12 < 115 (2)
- для температуры в теплообменнике 11
50 < Tr-12 < 70 (3)
- для расхода флегмы в колонне 4
1 < Фк-4 < 5 (4)
- для температуры куба колонны 14
414 < TK-14 < 418
- для расхода воды в потоке 12
5 < Gпl2 < 20 (6)
На рис. 3 представлено влияние температуры в реакторе 12 на критерий оптимальности. На рис. 4 -влияние температуры в реакторе 12 на выход ключевого компонента. Как видно, зависимости от температуры в реакторе 12 имеет экстремумы, и, следовательно, в данном случае поиск оптимального режима работы установки является целесообразным.
Метанол и вода
Рецикл метанола
ÜL ©
а
г^Г i ®
Масло i 1> i)l
Биодизель (метиловый эфир жирных кислот)
--
Непрореаг. масло
Рис. 2 - Расчетная технологическая схема процесса получения биодизельного топлива в программной среде ChemCad
Температура, °С
Рис. 3 - График зависимости критерия оптимальности от температуры в реакторе 12
При оптимизации режимов работы установки учитывались следующие ограничения:
1) на качество получаемого биодизеля
СрАМЕ * 0.79 (7)
2) на сведение материального и теплового балансов
f{x,u)= о
(8)
Температура, °С
Рис. 4 - График зависимости концентрации биодизеля от температуры в реакторе 12
Задача оптимизации была поставлена следующим образом: найти такие значения поисковых переменных в заданных диапазонах варьирования (2)-(6), при которых критерий оптимальности (1) примет минимальное значение при наложенных ограничениях
на качество получаемого продукта и условия выполнения материально-теплового баланса (7)-(8).
Для решения поставленной задачи использовался метод последовательного квадратичного программирования (SQP).
Результатом оптимизации стали оптимальные значения поисковых переменных (2)-(6), при которых критерий оптимальности (суммарные удельные энергозатраты) принял минимальное значение при наложенных ограничениях на качество получаемой продукции. Полученные данные представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты оптимизации
Параметры технологиче- Начальное Оптимальное
ского процесса значение значение
Температура в Реакторе 12, Со 112 113
Температура в Колонне-14, Со 416 414,6
Температура в Теплооб-меннике-11, Со 58,5 50
Флегмовое число в Ко- 3,4 5
лонне-4
Расход воды в потоке-12 11 15,5
Критерий оптимальности, рубх ч/ т 1230 1171
Выход биодизеля, мольные доли FAME 0,79 0,79
Из приведенных результатов следует, что полученный оптимальный режим работы установки позволяет обеспечить экономию суммарных удельных энергозатрат на 4.79%, сохраняя при этом качество получаемого биодизеля.
С использованием современных методов математического моделирования и оптимизации исследованы резервы повышения эффективности и решена задача поиска энергосберегающих режимов работы установки получения биодизельного топлива. Проведен анализ чувствительности влияния управляющих переменных на содержание ключевых компонентов, рассчитан критерий оптимальности. Найдены оптимальные значения поисковых переменных, при которых критерий оптимальности принимает минимальное значение при наложенных ограничениях на качество получаемого биодизеля.
Литература
1. Назаренко Л,В. Био дизель - альтернатива топливу для судов и берега [Электронный ресурс] // Медиахолдинг «Фишньюс». 2015. 26 октября. URL: http://fishnews.ru/news/27305 (дата обращения 14.03.2016)
2. Бушуев В.В. Мировой нефтегазовый рынок: инновационные тенденции / В.В. Бушуев, Е.А. Телегина, Ю.К. Шафраник - М.: ИД «Энергия», 2008.
3. Мифтахова Л.Х. Промышленные методы производства биодизельного топлива / Л. Х. Мифтахова // Вестник Казанского технологического университета: 2013. Т.16, №12, С.80-84.
4. Габитова А.Р. Применение катализаторов в процессе получения биодизельного топлива в сверхкритических флюидных условиях // А.Р. Габитова, Ф.М. Гумеров, В. Le Neindre, Э.Р. Галлямов - Вестник Казан. технолог. унта..- Декабрь, 2012. - С.62-64.
5. Аблаев А.Р. Производство и применение биодизеля: Справочное пособие / А.Р. Аблаев - М.: АПК и ППРО, 2006.
6. Зиятдинов Н.Н. Системный анализ химико-технологических процессов с использованием программы ChemCad: учебно-методическое пособие / Н.Н. Зиятдинов, Т.В Лаптева, Д.А. Рыжов - Казань: КГТУ, 2009. - 212 с.
7. Зиятдинов Н.Н. Поиск энергосберегающих режимов работы установки разделения изоамилен-изопреновой фракции производства изопрена // Н.Н. Зиятдинов, Д.А. Рыжов, Т.В. Лаптева, В.А. Курбатов -Вестник Казанского технологического университета. 2009. № 6. С. 249258.
8. Зиятдинов Н.Н. Математическое моделирование химико-технологических систем с использованием программы ChemCad: учеб. методич. пособие / Н.Н.Зиятдинов, Т.В. Лаптева, Д.А. Рыжов - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2008. - 160 с.
9. Постановление Государственного комитета Республики Татарстан по тарифам от 11.12.2015 № 3-18/э "Об установлении цен (тарифов) на электрическую энергию для населения и приравненных к нему категорий потребителей Республики Татарстан на 2016 год".
10. Постановление Государственного комитета Республики Татарстан по тарифам от 27.11.2015 № 5-39/тэ «Об установлении тарифов на тепловую энергию (мощность), поставляемую теплоснабжающими организациями потребителям, другим теплоснабжающим организациям, на 2016-2018 годы».
11. Постановление Государственного комитета Республики Татарстан по тарифам от 15.05.2015 № 4-1/г «Об установлении розничных цен на природный газ, реализуемый населению Республики Татарстан».
© Д. А. Рыжов, канд. техн. наук, доцент кафедры системотехники КНИТУ, ryzhov.denis@inbox.ru; А. М. Шакирова, магистр КНИТУ, aigul.shi@mail.ru; Л. Ю. Кошкина, канд. техн. наук, доцент кафедры хим. кибернетики КНИТУ, student_kontrol@mail.ru.
© D. A. Ryzhov, Associate Professor of Department of system technic, Kazan National Research Technological University, ryzhov.denis@inbox.ru; A. M. Shakirova, Student, Kazan National Research Technological University, aigul.shi@mail.ru; L. Y. Koshkina, Associate Professor of Department of Chemical Cybernetics, Kazan National Research Technological University, student_kontrol@mail.ru.
