CC BY
34
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
_2015 г. Выпуск 3 (38). С. 10-13_
УДК 665.723
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ И ПОПУТНЫХ ГАЗОВ
А. А. Новиков, Л. Т. Назаренко
В статье рассматриваются возможности использования метода математического моделирования химико-технологических процессов и созданных на этой основе компьютерных комплексов в количественном проектном анализе технологий переработки природных и попутных газов на примере двухстадийной схемы промышленного синтеза метанола.
При всем многообразии вариантов постановки проектных задач они сводятся к двум основным:
1. По заданным: конструкции аппарата, параметрам входных потоков определить режимные параметры процесса и характеристики выходных потоков.
2. По заданным параметрам входных и выходных потоков подобрать конструкцию аппарата и режимные параметры процесса.
Фактически, решение этих задач - основа современных методов проектирования и анализа ХТП. Оно возможно только при наличии:
- адекватной математической модели реактора,
- алгоритмов решения прямых и обратных задач различного типа в их компьютерной реализации,
- эффективных оптимизационных процедур, поддерживающих решение обратных задач.
Задача 1 является задачей собственно анализа ХТП - исследования, оптимизации и прогнозирования существующих промышленных технологий. Задача 2, связанная с выбором реакторного устройства и технологического режима, является задачей оптимизационного типа и практически сводится к многократному решению задачи 1 при варьировании конструкции и режимных параметров реактора. Критерий выбора наилучшего варианта и способ варьирования параметров определяют метод решения оптимизационной задачи.
Из многообразия предложенных в литературе направлений по модернизации и оптимизации действующих установок синтеза метанола одним из наиболее перспективных вариантов представляется двухстадийный синтез, предложенный Розовским А.Я., Лин Г.И., Ленде-ром Ю.В. и др. [1-3] Практически он сводится к включению одного или нескольких проточных реакторов (рис.2) в линию 1 свежего синтез-газа циркуляционной схемы синтеза (рис.1) Данный способ синтеза метанола легко осуществляется на базе существующих проточно-циркуляционных технологических схем.
Рисунок 1: Схема реакторного блока синтеза метанола. 1 - реактор синтеза метанола, 2 - сепаратор метанола-сырца, 3 - компрессор, 4 - рекуперационные
темлообменники, 5 - конденсатор метанола-сырца.
А—©——
Рисунок 2: Проточный трубчатый реактор синтеза метанола.
1 - реактор синтеза метанола, 2 - сепаратор метанола-сырца, 3 - компрессор, 4 - рекуперационные
темлообменники, 5 - конденсатор метанола-сырца.
Введением проточных реакторов снимаются основные противоречия, присущее циркуляционным схемам - стремление к возможно более полной переработке сырья, т.е. приближение состава циркуляционного потока к равновесному, с одной стороны, и связанное с этим снижение производительности единицы объема катализатора, с другой. Компенсируют этот эффект увеличением количества катализатора в реакторах циркуляционной схемы. Так, в современных агрегатах М-750 общий объем дорогостоящего катализатора в двух реакторах циркуляционной схемы составляет более 260 м .
Повышение удельной производительности катализатора в предлагаемом способе позволяет уменьшить количество катализатора, требуемое для переработки заданного количества газовой смеси, снизить расход энергии для циркуляции газа. В рамках двухстадийной схемы повышение удельной производительности катализатора может быть непосредственно использовано для увеличения производительности установки. Однако проектирование и внедрение таких схем требует проведения количественного анализа их эффективности с выдачей рекомендаций на основные характеристики реакторов и режимов из эксплуатации. Проведенный этапный компьютерный анализ процесса синтеза метанола позволил создать эффективный инструментарий для проведения такого анализа.
Модульная структура созданного компьютерного комплекса в целом соответствует этапной схеме анализа технологического процесса и позволяет определять количественные характеристики работы циркуляционного контура (рис. 2) трубчатого реактора (рис.1). Основные варьируемые исходные данные:
- температура, давление, объемная скорость и состав входного потока - синтез-газа,
- температура, давление, объемная скорость и состав теплоносителя, организация тепло-съема (прямоток, противоток, коэффициент теплопередачи),
- характеристики катализатора (кинетическая модель, набор кинетических параметров, активность, пористость),
- геометрические размеры: количество, длина, внешний и внутренний диаметр труб, диаметр кожуха,
- температура и давление в промежуточном сепараторе. Основные результаты:
- состав потоков на выходе реактора и сепаратора,
- профили концентраций компонентов реакционной смеси, температуры во внутри- и межтрубном пространстве.
Сопоставление возможностей количественного компьютерного анализа [4,5] и формулировки проектной задачи 2 позволяет сделать вывод о принципиальной возможности его использования при оперативной оценке различных вариантов реконструкции реакторного узла промышленного синтеза метанола.
А. А. Новиков, Л. Т. Назаренко
Компьютерный анализ позволил получить количественные характеристики процесса синтеза метанола в двухстадийной схеме на основе крупнотоннажных агрегатов М-750 (табл.1 -3).
Таблица 1
Проточный политропический реактор в линии свежего синтез-газа, Укт=60 м
Параметры Вход Выход
Поток синтез-газа, м3/ч при н.у. 346156 235708
Содержание СО/СО2, мол.% 14.6/7.5 7.8/9.7
Температура, оС 220 250
Выход метанола-сырца, кг/ч Доля метанола, % масс 50427
95
Таблица 2
Характеристика работы циркуляционного контура двухстадийной схемы
Укт цс Содержание СО в отдуве, % моль Метанол-сырец, кг/ч Доля метанола, % масс
132х2 0,08 78620 76,35
102х2 0,10 78560 76,35
80х2 0,12 78420 76,35
60х2 0,19 78160 76,35
50х2 0,33 77520 76,37
45х2 0,55 76290 76,39
42х2 1,00 73900 76,45
40х2 1,60 70020 76,56
Одностадийный синтез в циркуляционной схеме
132х2 0,53 127490 83,85
Таблица 3
Эффективность двухстадийной схемы синтеза
Схема Общий объем катализатора, 3 м Содержание СО в отдуве мол.% Выход метанола-сырца, кг/ч Выход метанола, кг/ч
Двух-стадийная 150 0.55 126717 106115
Циркуляционная 264 0.53 127490 106837
Как следует из полученных расчетных данных, при использовании двухстадийной схемы существенно уменьшается общий объем катализатора (с 264 до ~150 м ) при практически неизменной производительности установки в целом.
Жесткие условия работы катализатора в проточных реакторах первой стадии (значительное удаление состава смеси от равновесного, интенсивное выделение тепла) требуют его повышенной, по сравнению с традиционно используемыми катализаторами, термостабильности.
В целом, подводя итог представленным материалам, следует подчеркнуть, что решением рассмотренных задач далеко не исчерпываются возможности созданных на основе многоуровневых детерминированных математических моделей компьютерных комплексов. Они позволяют проводить оперативное решение (анализ, одно- и многофакторная оптимизация, прогнозирование, проектные исследования) тех задач, которые наиболее актуальны для технологов в настоящее время.
Литература
1. Технология синтетического метанола / под ред. Караваева М. М., Леонова В. Е., Попова И. Г. - М.: Химия, 1984. - 240 с.
2. Розовский А. Я., Лин Г. И. Теоретические основы процесса синтеза метанола. -М.: Химия, 1990. - 272 с.
3. Кравцов А. В., Новиков А. А., Коваль П. И. Компьютерный анализ технологических процессов. - Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1998. - 216 с.
4. Кравцов А. В., Новиков А. А., Коваль П. И., Иволгин Д. В., Навоенко С. В. Оптимизация многотоннажного производства метанола. // Хим. пром. - 1999. - № 8. - С. 49-52.
5. Новиков А. А., Федяева И. М., Мариамидзе Л. Т. Циркуляционные технологические схемы химической переработки попутного нефтяного газа // Вестник Югорского государственного университета. - 2012. - № 3 (26). - С. 45-49.
