CC BY
18
УДК 658.28:665.63:338.44 Булкина А.С.
СБОР ДАННЫХ ДЛЯ ПИНЧ-ИНТЕГРАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ОКСИДА ЭТИЛЕНА
Булкина Анастасия Сергеевна, студентка 4 курса бакалавриата факультета ЦиТХИн. email: sgbul@va.ru
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
Актуальность темы состоит в том, что в ней представлено одно из решений по повышению энергоэффективности предприятий нефтехимической промышленности. В статье описан сбор данных для процесса производства оксида этилена. Изучена технологическая схема производства; определены потоки, участвующие в теплообмене; составлена потоковая таблица и сеточная диаграмма теплообменной системы на производстве; по сеточной диаграмме рассчитана мощность рекуперации тепловой энергии.
Ключевые слова: энергоэффективность, тепловая интеграция, оксид этилена, теплообменная система, Пинч-анализ.
DATA COLLECTION FOR PINCH INTEGRATION OF THE ETHYLENE OXIDE PRODUCTION
Bulkina Anastasia
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
The relevance of the topic is that it presents one of the solutions to improve the energy efficiency of the petrochemical industry. This article describes the data collection of the ethylene oxide production process. The basic flowsheet of the process and process streams which appeared in the process are investigated. Stream table and grid diagram of heat exchanger system are made. Using the grid diagram, the recovery capacity is calculated.
Key words: energy efficiency, Heat Integration, ethylene oxide, Heat Exchanger Network, Pinch Analysis.
Введение. В нефтехимической отрасли удельные затраты на топливо и энергию в себестоимости продукции в мире составляют 3,9%, а в России - 9,9% [1], что говорит о большом потенциале энергосбережения в этой отрасли промышленности, а, следовательно, требует мероприятий по повышению энергоэффективности. Повышение энергоэффективности важно не только для повышения эффективности использования капитальных вложений, но и для уменьшения техногенного влияния промышленных предприятий нефтехимии на окружающую среду [2].
Одним из наиболее приоритетных направлений повышения энергоэффективности предприятий является максимальная рекуперация теплоты и оптимизация работы технологических установок [3].
Одним из крупнейших производств нефтехимии является производство оксида этилена и продуктов на его основе, так как они широко применяются во многих отраслях промышленности и спрос на них постоянно растет [4]. В настоящее время производство этилена переживает подъем и продолжает развиваться на высоком уровне [5]. Производственные мощности увеличиваются на 3% ежегодно [6].
Постановка задачи. Объектом рассмотрения данной статьи является система теплообмена на производстве оксида этилена АО «СИБУР-Нефтехим», расположенном в городе Дзержинск Нижегородской области, которое, согласно [7], является одним из лидеров (45%) по производству оксида этилена в России. Годовая мощность
производства оксида этилена, введенного в эксплуатацию в 1982 году, в 2013 году составляла 130 тыс. тонн [7].
В работе будет представлена экстракция данных для дальнейшей оптимизации теплообменной системы с целью повышения энергоэффективности производства.
Описание технологии производства. Производство оксида этилена в АО «СИБУР-Нефтехим» производится методом прямого каталитического окисление этилена в газовой фазе. Технологическая схема установки представлена на рисунке 1. В секции 100 происходит компримирование этилена и циркуляционного газа, смешение газов, окисление этилена кислородом, абсорбция окиси этилена водой. В секции 200 -очистка циркуляционного газа от двуокиси углерода. В секции 300 - десорбция и реабсорбция окиси этилена, утилизация абгазов, возврат абгазовв систему циркуляционного газа. На схеме цифрами обозначены потоки сред, названия которых представлены в таблице 1. В теплообменниках и холодильниках, обозначенных на схеме, соответственно буквами Е и С, происходит теплообмен между горячими и холодными потоками. Реакторы для окисления этилена Б-111 и Б-112 представляют собой кожухотрубный аппарат с трубками, заполненными зерненным катализатором -активным серебром на носителе. Циркуляционный газ абсорбируется в абсорбере Б-210. Обратная реакция десорбирования двуокиси углерода из раствора протекает в десорбере D-220.
100 200 300
Рис. 1 Технологическая схема установки по производству и очистке оксида этилена. D - колонное оборудование (0-111, 0-112 реакторы); Е - теплообменники; С - компрессоры; Е - ёмкости; 1-14 - номера технологических потоков (табл. 1).
Выбор метода реконструкции тепловой сети.
Проведенный анализ литературных источников [2,8] с описанием методов проектирования тепловых сетей, показал, что для анализа системы рекуперации теплоты и определения энергосберегающего потенциала рассматриваемого производства наиболее оптимальным будет метод Пинч-анализа, впервые предложенный и впоследствии развитый профессором Бодо Линнхоффом и сотрудниками Манчестерского Института Науки и Технологии (UMIST) [8], так как он основан на термодинамических и экономических законах, выполняется по понятному алгоритму и имеет универсальный критерий оптимизации -минимальная разность температур между холодными и горячими потоками. Кроме того, за последнее десятилетие накоплен большой практический опыт применения метода Пинч-анализа более, чем на 2600 объектах [9].
Анализ технологических данных и теплообменной системы производства. В
соответствии с методом Пинч-анализа была произведена экстракция данных: изучен технологический регламент производства оксида этилена, составлено описание технологической схемы, получены экономические данные о стоимости оборудования, энергии, монтажных работ.
На основе технологического регламента и технологической схемы производства оксида этилена (рис. 1) была составлена потоковая таблица (Табл. 1) с такими характеристиками горячих и холодных потоков, как начальная и целевая температура потоков, массовый расход, удельная теплоемкость, изменение энтальпии. Затем, на основе потоковой таблицы, в программе Hint была построена сеточная диаграмма (Рис.2), на которой обозначены холодные и горячие потоки с температурами снабжения и целевыми температурами, расставлены теплообменники на потоках и обозначены внешние утилиты.
Таблица 1. Потоковые данные системы технологических потоков процесса производства и очистки окиси этилена [8]:
№ Название потока Тип Ts, °С Tt, °С G, кг/ч С, кДж/(кг°С) СР, кВт/°С АЯ, кВт
1 Охлаждение метана гор 220 35 133200 2,650 98,050 18139,25
2 Циркуляционный газ гор 238 106 164848 2,735 125,238 16531,47
3 Мобильтерм гор 280 210 3000000 - 520,714 36450,00
4 Метан 1я ступень гор 120 60 133200 2,440 90,262 5415,69
5 Метан 2я ступень гор 125 25 133200 2,406 89,022 8902,20
6 Газ из колонны D-220 гор 105 30 6500 2,340 4,225 316,88
7 Тощий сорбент из куба D-310 гор 115 29 550500 3,403 520,375 44752,29
8 Газ из Э-310 гор 101 50 51500 3,850 55,076 2808,90
9 Охлаждение газа в Е-326 гор 66 33 30000 2,300 19,167 632,50
10 Метан в Е-140 хол 25 220 133200 2,535 93,795 18290,03
11 Нагрев смеси газов хол 46 206 141000 2,638 103,322 16531,47
12 Десорбция СО2 (Е-220) хол 111 115 - - 3565,000 14260,00
13 Насыщенный сорбент хол 60 107 647887 2,953 531,44723 24978,02
14 Подогрев кипятильника Е-310 хол 115 120 - - 7066,000 35330,00
€• Hint ■ [IntEfll int]
File £drt View Streams Heat Exchangers Utilities loops & Paths Diagram Tools Window Help
« л i & ii£! ни S!>a вив&д md".»«»
nvcp IkWfli]
1 824e-307 35
)-►
[35330 |
Рис. 2 Сеточная диаграмма теплоэнергетической системы на установке по производству оксида этилена
С помощью сеточной диаграммы (Рис.2) рассчитана мощность рекуперации, то есть сумма тепловых нагрузок каждого теплообменника, вычисляемая по формуле (1).
QRec = CpAT, (1)
где:
cv - удельная теплоемкость теплоносителя [Дж/(кг°С)];
AT - разность температур технологического потока до и после теплообменника [°С].
Мощность рекуперации теплоты для существующей схемы теплообмена составила 41509,54 кВт.
Вывод. В результате изучения технологического регламента производства оксида этилена составлено описание технологической схемы производства, проведён сбор данных технологических потоков, построена сеточная диаграмма, определена мощность рекуперации тепловой энергии. Полученные результаты могут быть использованы в дальнейшем для интеграции процесса, анализа потенциала повышения эффективности
использования тепловой энергии и реконструкции предприятия.
Список литературы
1. Иванов В.А. Анализ энергозатрат в различных отраслях Промышленности/ В.А. Иванов // Интернет-журнал «Науковедение» 2015 г. http://naukovedenie.ru (03.04.2020)
2. Смит Р. Основы интеграции тепловых процессов / Р. Смит, Й, Клемеш, Л.Л. Товажнянский, П.А. Капустенко, Л.М. Ульев // Харьков: НТУ «ХПИ». - 2000. - 458 с.
3. Бурдыгина Е.В. Повышение энергоэффективности теплотехнического оборудования установок первичной переработки нефти/ Е.В. Бурдыгина // Уфа. - 2003. - 23с.
4. Мухаметшина Э.И. Энергоэффективность производства оксида этилена/Э.И. Мухаметшина// Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук 05.14.04, Казань, 2012 г. [электронный ресурс] https://www.dissercat.com/content/energoeffektivnost-proizvodstva-okisi-etilena (26.03.2020)
5. Жагфаров Ф.Г. Современное состояние производства оксида этилена/ Ф.Г. Жагфаров, П. Геяси // Общество с ограниченной ответственностью "Издательский Дом - Юг" (Краснодар), Сборник статей научно-практической конференции «Булатовские чтения». - 2018 г. - 88-90
6. [электронный ресурс] Ethylene Oxide (англ.). World Petrochemicals. SRI Consulting (January 2009) https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/114367 (10.05.2020)
7. Официальный сайт АО «СИБУР-Нефтехим» [электронный ресурс] https://www.sibur.ru/SiburNeftekhim/ (03.04.2020)
8. Klemes, J.J. Forty years of Heat Integration: Pinch Analysis (PA) and Mathematical Programming (MP) / J.J. Klemes, Z. Kravanja // Current Opinion in Chemical Engineering. 2013. 2(4). 461-474. http://dx.doi.org/10.1016/j.coche.2013.10.003 [электронный ресурс] (27.02.2020)
9. Furman C.K. A Critical Review and Annotated Bibliography for Heat Exchanger Network Synthesis in the 20th Century/ C. K. Furman, N.V. Sahinidis // Ind. Eng. Chem. Res. 2002, 41, 2335-2370 [электронный ресурс] www.sciencedirect.com (26.03.2020)
