CC BY
31
н
ь
Розглянутi результати дослиджень впливу температури первинног кон-денсаци на ефективтсть експлуата-ци великотонажних агрегатiв синтезу амiаку сери АМ-1360. Зокрема, вперше встановлеш ктьтсш залежностi впливу щег температури на витрати гли-боко знесоленог води та додаткового природного газу, необхдних для вироб-ництва водяног пари тиском 10,5 МПа, що забезпечуе роботу турбокомпресо-ра стиску циркуляцшного газу i свi-жог азотно-водневог сумiшi. Визначено напрямок тдвищення енергоефективно-стi агрегату синтезу амiаку
УДК 661.53:66.048.2
ВПЛИВ ТЕМПЕРАТУРИ
ПЕРВИННО1 КОНДЕНСАЦП НА ЕФЕКТИВН1СТЬ ЕКСПЛУАТАЦП ВЕЛИКОТОНАЖНИХ АГРЕГАТ1В СИНТЕЗУ
АМ1АКУ
А. К. Баб^ченко
кандидат техычних наук, професор*
В. I. Тошинський
доктор техшчних наук, професор, завщуючий*
*Кафедра автоматизаци хiмiко-технологiчних систем
та еколопчного мошторингу Нацюнальний техычний уыверситет «Хармвський
полiтехнiчний шститут» вул. Фрунзе, 21, м. Хармв, УкраТна, 61002 Контактний тел.: (057) 70-76-687
Вступ i постановка задачi дослщжень
Виробництво синтетичного aMiaKy пов'язано Í3 знач-ними енергетичними затратами i е одним з самих енер-гомiстких у промисловостi мiнеральних добрив. Тому подальший розвиток його полягае у тдвищенш енерге-тично! ефективност! Бiльша частина амiакy в Украш ви-робляеться на вiдносно нестарих агрегатах серп АМ-1360, але 1х фактичне енергоспоживання 9,77 10,35 Гкал/т NH3 помiтно поступаеться новитм захiдним установкам з енергозатратами 7 Гкал/т [1]. Суттева доля цих затрат пов'язана iз стиском свiжоi азотно-воднево! су-мiшi (АВС) i здшснеш циркуляцп газового потоку у вщдшенш синтезу, в якому для видшення продукцшно-го амiакy застосовуеться двохступенева схема конденса-цп — первинна i вторинна (див. рис. 1).
Первинна конденсацiя здшснюеться шляхом охоло-дження циркyляцiйного газу (ЦГ) у шести апаратах повиряного охолодження (АПО) iз споживанням елект-роенергп на привщ вентиляторiв до 1200 кВт ■ год, а вто-ринна — у двох низькотемпературних випарниках, один з яких тдключений до двох абсорбцшно-холодильних
установок (АХУ) загальною проектною холодопродук-тивнiстю 6,28 МВт ■ год, а другий до турбокомпресорно-го холодильного агрегату (АТК) холодопродуктивтстю до 4,65 МВт ■ год. При цьому застосування АПО у зв'язку iз сезонними та добовими коливаннями температури атмосферного повиря призводить , як засвщчуе досвщ експлуатацп, до значних коливань i температури пер-винно! конденсацii (23 ■ 36° С). 1з змiною температури первинно! конденсацii, як вщомо [2], змiнюeться концент-рацiя амiаку у газi. Це, у свою чергу, викликае коливання навантаження на трикорпусний, сполучений з циркуля-цшним колесом, вщцентровий компресор (ЦК, КСГ) з приводом вщ парово! турбши (ПТ), що вiдбиваеться як на ефективносп експлуатацп вiддiлення синтезу, так i на енерговитратах виробництва в цшому.
Мета дослiджень полягала у встановленш кiлькiсно'i залежностi енергетичних та економiчних показникiв ро-боти агрегату синтезу амiаку вiд температури первинно! конденсацп, показники по впливу яко! для агрегатiв цiеi серп на цей час вщсутт у лиератур! Особливо! актуаль-ностi визначення цих залежностей набувае у зв'язку з постшним тдвищенням вартостi енергоноспв.
уз
ПК
КС
GnK
ПГ
СВ1ЖА АВС
ЦК
КСГ
ЦИРКУЛЯЦ1ИНИИ
ГАЗ
ПАРА / ПТ \
4г
В1ДПРАЦЬОВАНА
ВОДЯНА ПАРА
ВК
К
Gbk
АХУ2
АХУ1 АТК
Ж ^
ВП1 .. ВП2
Рисунок 1. Узагальнена блок-схема вщдтення синтезу амiаку: КС — колона синтезу; ПК, ВК — блок первинноТ 1 вторинноТ конденсацп; ЦК — циркуляцшний компресор; КСГ — компресор св1жого газу; ПТ — парова турбша для приводу компресорт; К — конденсацмна колона; ВП1, ВП2 — низькотемпературн випарники ам1ачш; АХУ1, АХУ2 — абсорбцмно-холодильш установки; АТК — турбокомпресорний холодильний агрегат; Gпк, GВК — продукцшний ам1ак;
ПГ — продувн гази
Методика проведення дослщжень
Дослiдження проводились на промисловому агрегат серп АМ-1360 Í3 застосуванням експериментально-аналь тичного метода, тобто частина залежностей визначалась експериментально безпосередньо на агрегат синтезу, а час-тина була отримана з балансових рiвнянь без будь-яких припущень. Оскшьки на дшчому промисловому агрегатi у бшьшосп випадкiв не вдаеться провести активний екс-перимент внаслщок багатофакторносп та неприпусти-мостi будь-якого суттевого втручання у технологiчний процес шляхом внесення збурень, то експериментальш дослщження виконувались методом пасивного експери-менту [3], що передбачае реестрацiю параметрiв роботи вiддiлення синтезу у режимi нормально! експлуатацп.
В процесi дослщжень у вщдшент синтезу були ви-дiленi чотири дiльницi у вщповщносп з рис. 1: колона синтезу, компресор стиску АВС i ЦГ, первинна i вторинна конденсащя. У якосп функцш вiдгуку були обрат наступи параметри: об'емнi концентрацп амiаку у вiдсотках
на виходi колони синтезу £,СИХ, дiльниць первинно! £,ПК i вторинно! £,ВК конденсацп, тиск ЦГ на входi колони синтезу РСх (МПа) i виходi дiльницi первинно! конденсацп РпкХ (МПа). Контроль параметрiв здiйснювався за допомогою iнформацiйних засобiв мiкропроцесорного комплексу TDC-3000 центрального пункту керування цеху та на пiдставi лабораторних аналiзiв. Визначення вмь сту амiаку у ЦГ здiйснювалось за вщомою методикою [4]. Кiлькiсний склад вдабраних проб на вмiст у них метану СН4, аргону Аг, водню Н2, i азоту N визначався за допомогою хроматографу Визначення кшькосп експери-ментальних даних, вщфшьтровування шумiв, оцiнка якос-тi отримано! iнформацii, вiдтворюванiсть i стацiонарнiсть процесу проводились у вщповщносп з методикою [3].
Математичний опис вщдшення синтезу
У табл. 1 наведет значення дiапазонiв вщхилень па-раметрiв i похибки ix вимiрювання.
Таблиця 1
Значення дiапазонiв вiдхилень napaMeTpiB вщдтення синтезу aMiaKy
Параметр Значення Похибка вим1рювання
мМмальне максимальне
Тиск на колош синтезу, атм 218 242 3
Температура синтезу, °С 455 472 3
Витрата газу на колону синтезу, нм3/год 687 • 103 760 • 103 5 • 103
Концентращя ам1аку на вход! колони синтезу, % об. 3,0 4,3 0,1
Концентращя шерйв (СН4, Аг) на вход! колони синтезу, % об 12,2 14,3 0,1
Об'емне вщношення водню до азоту на вход1 колони синтезу 2,65 3,25 —
Концентращя ам1аку тсля колони синтезу, % об 13,25 16,1 0,1
Концентращя ам1аку на виход1 дшьнищ первинно! конденсацп, % об 8,9 11,0 0,1
Температура первинно! конденсацп, °С 25 36 3
Тиск первинно! конденсацп, атм 213 228 3
Витрата ЦГ на конденсацшну колону, нм3/год 595,4 • 103 656,5 • 103 4 • 103
Температура вторинно! конденсацп, °С -10 + 10 0,5
Тиск ЦГ на вход! конденсащйно! колони, атм 220 245 3
Витрата АВС, нм3/год 150 • 103 170 • 103 1 • 103
Аналiз даних таблиц дозволяе стверджувати, що по-хибки вимiрювання лежать у середиш ix дiапазону вимь рювання. Статистична оцiнка значимостi коефiцiентiв piBMHb i перевiрка ix адекватностi проводилась з довiр-чою ймовiрнiстю 0,95. píbmhm, отриманi за результатами статистичноi обробки адекватнi i мають наступний вигляд:
Ncr = X МсгА i(cr)i
(18)
= 6,7634 + 0,3424 PCX + 0,01766tc + + 0,71086£,ВК - 15,148 lCX - 2,85204С;
(1)
PCX = -35,16406 + 0,5249 V<?X - 0,001175 (V<?X)2; (2) ^ВК = 6,85595 + 0,0119023Vcr + 0,0114818 Vjf + + 0,3006104ТВК - 0,066147РВК + 0,08629^ПК; (3) рвих = -44,786 + 0,45918V<?HX + 1,192tnK -
- 0,00528^?И%К - 0,003227tnK -
- 0,0006312(V?HX)2; (4) ^ПК = 8,2908 - 0,06272Рсих + 0,0998tnK; (5)
де lgX — об'емна доля шерпв у газовiй сумiшi на вxодi колони синтезу, С — об'емне вщношення водню до азоту; tC i tnK — вщповщно температури синтезу i первинноi конденсацп, °С;ТВК — температура вторинноi конденсацп, К; Vcr — витрата свiжоi АВС, нм3/с; Vj^ — витра-та ЦГ на вxодi дiльницi вторинноi конденсацп, нм3/с РвК — тиск на вxодi дшьнищ вторинноi конденсацп, МПа: V(?X, V(?HX — вiдповiдно витрата ЦГ на вxодi i виxодi колони синтезу, нм3/с; Р^ИХ — тиск ЦГ тсля колони синтезу, МПа.
Отримаш залежностi (1-5) доповнювались рiвнян-нями матерiального балансу вiддiлення синтезу, а також формулами для розрахунку продуктивност по амiаку та потужностi турбокомпресора стиску АВС i ЦГ [2, 5], основш з яких мають наступний вигляд:
vbk - vnkx - vn; VBMX = vcBHX- GnK - VnPK; VBHX = VCBX - GC;
GnK -
VEHX(^BHX-Ы);
100 Чпк(!+иПк)'
Vn =
(VcrIcr- VP),
тВИХ 1ПК
твих_ (Vghxlghx-Vpk);
пк \?вих '
vnk
увих^их _ ybxjbx .
Ge =
увх^вих _^вк);
ioo+1,0316^ВИХ'
Ver = 2,03Gc + Vp +
Vn(100 -%пк).
100
gbk - gc - gnk - vn^nk'.
vcbx = v|kx + ver- gbk >
Nцк = мцк0ЦКХ - iaK);
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11) (12)
(13)
(14)
(15)
(16) (17)
де GC, GnK, GBK — вiдповiдно продуктивтсть колони синтезу, дiльниць первинноi i вторинноi конденсацп, нм3/с; Упвих, у]К — витрати циркуляцiйного газу пiсля дiльницi первинноi конденсацп i розчинених газiв у рiдкому амiа-ку на цiй дiльницi, нм3/с; Vn, VP — витрати продувних та розчинених у рщкому амiаку газiв, нм3/с; иЩК — питома кшьюсть розчинених газiв у рщкому амiаку, м3/м3; 1СГ, ¡вих — об'емна доля шерпв вiдповiдно у свiжiй АВС i газi на виxодi колони синтезу; ViInK — витрата шерпв розчинених у рщкому амiаку на дiльницi первинноi конденсацп, нм3/с;NцK, NСГ — навантаження компресора по ЦГ i АВС, кВт;МщК — витрата ЦГ на вxодi цирку-ляцiйного компресора, кг/с; МСГ — витрата свiжоi АВС, кг/с; i§Kx, iqiK — питомi ентальпп ЦГ на вxодi та виxодi циркуляцiйного компресора, кДж/кг; Ai(Cr)i — рiзниця питомих ентальпiй свiжоi АВС на вiдповiдниx ступенях компресора КСГ, кДж/кг.
Результати дослщжень та i'x обговорення
В результатi розв'язання системи рiвнянь (1-16) бу-
ли отримаш залежносп параметрiв роботи вщдшення синтезу амiаку вiд температури первинноi конденсацп, основнi з яких наведет на рис. 2. Розрахунок здшс-нювався при наступних обмеженнях, характерних для промислових умов: tC = 465° С, ICX = 0,135 об. дол., С = = 3, IC = 0,005 об. дол., ТВК = 273 К, GC = 20,041 нм3/с, PcX -Р(!ИХ = 0,85 МПа, РвК -Pgjp = 1,8 МПа. Отрима-нi залежностi свщчать, що iз зниженням температури первинноi конденсацп tПK з 35° С до 25° С (найбшьш розповсюджений дiапазон коливань в процесi експлуа-тацп) концентрацiя амiаку у ЦГ на вxодi циркуляцiйного компресора £,ПК зменшуеться з 10,39 % до 9,41 % об., що призводить до зменшення витрати ЦГ на цей компре-сор VjBjíP з 174,59 нм3/с до 172,12 нм3/с, а отже i до зни-ження тиску Рщр i РВК на 0,274 МПа. За рахунок остан-нього величина необхщного дотиску Рвсиг^ на четвертш ступенi компресора КСГ знижуеться на 0,471 МПа. Kрiм того, за такого зниження температури зменшаться концентрацп амiаку у ЦГ як тсля колони синтезу £,ВИХ
з 14,81 % об. до 14,77 % об., так i на виxодi блоку вторин-но'1 конденсацп £,ВК з 3,6 % об. до 3,49 % об. Однак через рiзнi швидкосп змiни £,СИХ i ^ВК степiнь перетворювання в колош синтезу збшьшуеться, що вщбиваеться на тдви-щеннi = ЧВК з 11,22 % об. до 11,28 % об. Таке тд-вищення незважаючи на зменшення витрати ЦГ на вxодi колони синтезу V(?X з 205,7 нм3/с до 204,7 нм3/с, забез-печуе постшшсть продуктивностi колони синтезу GC за незмiнноi витрати свiжоi АВС на рiвнi 41,87 нм3/с. При цьому, внаслщок зниження витрати продувних газiв VП на 0,0142 нм3/с, а отже i амiаку, що виводиться з ними, збшьшуеться i загальна продуктивтсть (G^ + G^) дшьниць первинноi i вторинноi конденсацп на 0,015 нм3/с. Таким чином, зменшення температури ШК призводить до зниження навантаження на ЦК по витрап V®^, тиску РщсХ i концентрацп £,ПК та на КСГ по тиску P¡?cX. Розрахунки за рiвняннями (17,18) з використанням довiдковиx даних по ентальтям i рiвноважним концентрацiям амiаку у цир-куляцiйному газi [6, 7] дозволили встановити залежносп
=1
ю о
л
РЕ?
X X
т
и
и и
ю о
то
ю о
и
10,9
10,5
9,7
8,9
3 174 х
! 172
>
170
22,0 21,5
21,0
24,325
23,950
23,575
14,8
14,76
14,72 3,6
3,525 3,45
О
+
О
19,935 19,92
М 19,905
с >
о
2 Я
X " Я
о >
ю о
Я
19,89
19,85 1,335
1,325
1,315 1,305
206,00 205,25 204,5
^ 11,26
I
я
о
Ь 11,22
II
11,18
15 20 25 30 35 40
Рисунок 2. Основы залежносп параметрiв роботи вщдтення синтезу амiаку вiд температури первинноТ конденсацп
15 20 25 30 35 40
°с
енергетичних показник1в експлуатаци агрегату синтезу вщ tПК, представлених на рис. 3.
Анал1з цих залежностей свщчить про значне зменшен-ня навантаження на ЦК 1 КСГ 1з зниженням температури tПК, зокрема, в д1апазот температур вщ 40° С до 30° С величина зменшуеться з 4,214 МВт до 3,753 МВт, що обумовлено високою швидюстю змши, в основному, р1в-новажно! концентрацп ам1аку у ЦГ. При цьому, зниження навантаження четверто! ступеш КСГ Ncг(4) незначне та складае 63 кВт. З урахуванням попередтх трьох ступешв
КСГ загальне зменшення навантаження (NцК + = = NК буде дор1внювати 525 кВт, а потужшсть на валу турбши Nвт при коефщ1ент1 корисно! дИ компресора ПМ = 0,9241 [5] зменшиться з 24,958 МВт до 24,39 МВт. При встановлених в робой [5] витратних коефщ1ентах по пару и = 11,89 кг/кВт 1 додаткового парового котла по природному газу ф = 65,8 м3/т зменшення витрати глибо-ко знесолено! води для забезпечення водяно! пари тиском 10,5 МПа 1 природного газу 1з зниженням температури на 10° С вщповщно складае 6,75 т/год та 444,15 м3/год.
4500
н
^ 4200
£
Ь
£
3900
3600
2700
2550 2400
23 22,5 22
24,700
^ 24,350 24,000
н и
15
20
25 30
35 40
Рисунок 3. Залежностi експлуатацiйних показникiв турбокомпресора стиску АВС i ЦГ вщ температури первинноТ конденсацп
При експлуатацп агрегату в умовах тдвищено! температури атмосферного повiтря в середньому бшя 3 тис. год. на рж забезпечення зменшення температури первинно! конденсацii на 10° С дасть змогу знизити витрати природного газу на 1,33 млн. м3, а глибоко знесолено! води на 20,25 тис. т. Враховуючi кнуючу на цей час варпсть природного газу (1 тис. м3 — 1200 грн) та глибоко знесо-лено! води (1 т — 6 грн) зниження температури первинно!
конденсацп тiльки на 1° С дае можливiсть забезпечити зменшення експлуатацшних затрат у виробництвi амiаку майже на 172 тис. грн на рж.
Висновки
Таким чином, незважаючи на значно менший вплив температури первинно! конденсацi'i на економiку про-цесу у порiвняннi з шшими параметрами синтезу (тиск, температура, вмкт iнертних домiшок), у великотонаж-них агрегатах и вплив доволi суттевий. При цьому, ваго-мiсть цього параметра в умовах безперервного зростан-ня вартосп природного газу буде, також безперервно зростати. У зв'язку з цим шнуючи коливання температури первинно! конденсацп, а тим бшьше и пiдвищення внаслiдок чого збiльшуеться навантаження i на блок вторинно! конденсацп неприпустимi. За таких обставин необхвдна розробка бiльш ефективного енерготехно-логiчного оформлення дiльницi первинно! конденсацп для забезпечення мiнiмально можливо! температури первинно! конденсацп, що дозволить тдвищити енерго-ефективнiсть агрегату синтезу амiаку.
Лiтература
Митронов А. П., Овсиенко П. В, Топчий В. А. Перспективы эксплуатации агрегатов производства аммиака в Украине // Х1м1чна промисловють Украши. — 2000. — № 1 — С. 25-29.
Кузнецов Л. Д., Дмитренко Л. М., Рабина П. Д., Соко-линский Ю. А. Синтез аммиака. — М.: Химия, 1982. — 296 с.
Грубов В. И. Математическое моделирование непрерывных технологических процессов. — К.: Киевский университет, 1971. — 170 с.
Аналитический контроль производства в азотной промышленности. — М.: Госхимиздат, 1958. — Вып. 7. — 115 с.
Баб1ченко А. К., Тошинский В. I. Дослщження експлуатацшних показнигав ефективност роботи вщцентрового трикорпусного компресора з приводом вщ парово! турбь ни великотоннажного агрегату синтезу ашаку // Схщно-бвропейський журнал передових технологш. — 2008. — № 4. — С. 31-34.
Варгафтик Н. М. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. — М.: Наука, 1972. — 720 с. Кроу К. и др. Математическое моделирование химических производств. — М.: Изд-во «Мир», 1973. — 391 с.
6.
