Реконструкция вакуумсоздающих систем технологических установок нефтехимии на базе их математического моделирования

Вакуум широко используется в процессах химической технологии при переработке высококипящих и высокомолекулярных соединений с малой термической стабильностью. В вакуумной технологии можно выделить процессы разделения (ректификация, дистилляция, выпарка), испарение отдельных компонентов многокомпонентных смесей (роторно-пленочные испарители), сушка ряда продуктов от влаги и органических соединений и т. д. Понижение давления позволяет снижать требуемые температуры нагрева продуктов в системах разделения и за счет этого исключить или резко снизить нежелательные процессы термодеструкции (разложения), осмоления продуктов, улучшить их потребительские свойства. Одновременно появляется возможность использования более дешевых теплоносителей, что позволяет снизить суммарные энергозатраты на проведения процессов разделения.

В настоящее время проявляется тенденция понижения вакуума даже в производствах, традиционно использовавших наряду с вакуумом и другие приемы для понижения парциального давления разделяемых компонентов и снижения температуры их кипения [1]. Так при вакуумной ректификации мазута на установках АВТ ранее широко использовался ввод в кубовые части ректификационных колонн водяного пара. При этом удавалось снижать требуемые температуры нагрева кубового остатка в кубовых испарителях, увеличивать относительную летучесть разделяемых компонентов и интенсифицировать процесс разделения. Для этой же цели в ряде случаев используется ввод в систему инертных компонентов и ряд других приемов [2-ь4]. Однако при вводе водяного пара и инертных компонентов одновременно существенно возрастает и объем массообменного оборудования, поскольку, как правило, молекулярные массы водяного пара и инертных компонентов на порядки меньше, чем молекулярные массы продуктов разделения. Кроме того, ввод водяного пара сопровождается вносом в систему загрязняющих компонентов (соли, щелочные и кислые соединения, .), что приводит к снижению качества целевых продуктов. Поэтому в нефтепереработке при ректификации мазута отмечается устойчивая тенденция перехода на «сухой» вакуум, без использования водяного пара. Это же можно сказать и о ряде других производств.

Вакуум в системах разделения создается и поддерживается с помощью вакуумсоздающих систем (ВСС). К настоящему времени разработано и используется в промышленных условиях довольно большое количество типов ВСС [5ч-55]. В настоящей работе проводится исследование ВСС в первую очередь применительно к ректификационным и родственным им установкам, работающим под вакуумом. Для этих установок характерна область рабочего абсолютного давления от 2 toor (мм.рт.ст.) и выше. Для этих условий в качестве устройств для создания и поддержания вакуума наиболее часто используются газовые и жидкостные эжекторы, многоступенчатые пароэжекторные насосы (ПЭНы), жидкостно-кольцевые вакуумные насосы (ЖКВН), а также комбинации устройств: газовый или паровой эжектор + ЖКВН и т. д. Анализ действующих установок вакуумной ректификации и проектов таких установок показывает, что до настоящего времени в отечественной промышленности наиболее широко используются пароэжекторные установки, причем вне зависимости от величины остаточного вакуума, поддерживаемого этими ВСС. В зарубежных установках количество вариаций при конструировании ВСС существенно больше. Рекомендации по эффективности использования ВСС тех или иных типов в зависимости от характера производства, природы откачиваемых газов, производительности ВСС, величины создаваемого вакуума и других факторов в литературе практически отсутствуют. Иностранные фирмы в этом вопросе используют принцип «ноу-хау». Представляется, что при выборе ВСС область создаваемого вакуума, а также конкретные условия работы технологических установок ВСС должны, безусловно, учитываться.

Еще один аспект, связанный с использованием вакуумсоздающих систем заключается в том, что ВСС (прежде всего пароэжекторные насосы) являются источниками выбросов вредных веществ в атмосферу с выхлопными газами. Одновременно происходит загрязнение и водного бассейна, поскольку конденсаты откачиваемых органических паров смешиваются с водным конденсатом в системах барометрической конденсации ПЭНов. Экологический урон, наносимый работой ПЭНов, зависит от конкретных технологических условий, прежде всего от природы перерабатываемых веществ. В современных условиях экологические характеристики ВСС должны, безусловно, также учитываться.

Наконец, создание и поддержание вакуума в технологических системах требует достаточно заметных капитальных и эксплуатационных затрат. Последние 20 лет для отечественной промышленности характеризовались резким возрастанием доли энергетических затрат в себестоимости продукции. При этом темпы роста стоимости различных источников энергии (газ, мазут, водяной пар, электроэнергия) оказывались разными: наиболее высокие темпы роста отмечались в отношении стоимости водяного пара. Практически на всех предприятиях отмечается также ухудшение параметров греющего пара (давление, температура перегрева) в зимний период работы, что приводит к снижению показателей ПЭНов и по производительности и по глубине создаваемого вакуума.

В этих условиях многие действующие технологические объекты зачастую оказываются малорентабельными, что предполагает проведение их реконструкции на базе новой техники и технологии. Так на заводе СПС ОАО «Нижнекамскнефтехим» в производстве стирола в последние годы проводится реконструкция ряда блоков вакуумной ректификации, направленная на резкое повышение четкости разделения в отдельных колоннах системы за счет замены тарельчатых контактных устройств на высокоэффективную регулярную насадку типа «Norton». Поскольку удельное гидравлическое сопротивление насадки (перепад давления, отнесенный к величине разделения, эквивалентной одной теоретической тарелке) существенно меньше соответствующего удельного сопротивления тарельчатых контактных устройств, при реконструкции заметно меняются и условия работы ВСС. Поэтому при реконструкции ректификационных блоков становится необходимым одновременное проведение и модернизации соответствующих ВСС. При назначении характеристик новых ВСС необходимо учитывать изменение условий работы технологических блоков в целом, что может быть выполнено только расчетными методами. В тоже время существующие методики расчета ВСС, особенно комбинированного типа, совершенно не учитывают природу откачиваемых газов и ориентированы только на расчет откачки воздуха и паровоздушных смесей.

В соответствии с изложенным в настоящей работе были поставлены следующие задачи:

1. Обоснование областей эффективного использования ВСС различных типов в зависимости от их производительности, области развиваемого вакуума, характера откачиваемой среды, степени негативного воздействия на окружающую среду.

2. Разработка методики расчета характеристик оптимизированных ВСС на основе обследования действующих установок (задача реконструкции).

3. Разработка математических моделей ВСС, комплексно учитывающих характер их работы (природу откачиваемых газов и рабочих агентов, стоимость энергетических ресурсов и т. д.).

4. Разработка рекомендаций по реконструкции действующих ВСС на заводе СПС ОАО «Нижнекамскнефтехим», практическая реализация задачи реконструкции.

Диссертация состоит из четырех глав и приложений.

В первой главе приводится обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных методам и устройствам для создания и поддержания вакуума.

Во второй главе проведено обобщение паспортных характеристик ПЭНов отечественного и зарубежного производств и определены области рационального использования трех характерных типов вакуумсоздающих систем (ПЭНов, ЖКВН и комбинирование ПЭН + ЖКВН).

Третья глава посвящена построению термодинамической модели ЖКВН и выводу уравнения, описывающего инвариантные характеристики ЖКВН.

В четвертой главе приведены результаты разработки исходных данных для выполнения проекта реконструкции ВСС ректификационной колонны К-382 завода СПС ОАО «Нижнекамскнефтехим».

В приложении приведены таблицы, содержащие результаты обработки и обобщения опытных данных.

Для математической обработки и при обобщении результатов эксперимента использовались пакеты прикладных программ: MATHCAD, GRAPHER, Microsoft EXEL и другие, а также собственные разработки на языках высокого уровня.

Настоящая работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Казанского Государственного Технологического Университета в соответствии с Законом Республики Татарстан «Об энергосбережении» и постановлением Кабинета Министров Республики Татарстан № 468 от 03.07.2000 «О республиканской целевой программе энергосбережения в Республике Татарстан на 2000;2005 годы», а также в рамках хозяйственных договоров между КГТУ и ОАО «НКНКХ».

Выводы.

1. С использованием ряда допущений теоретически выведено уравнение, описывающее инвариантные характеристики ЖКВН.

2. На основе полученного уравнения разработана термодинамическая модель, позволяющая по экспериментальной характеристике ЖКВН полученной на произвольной системе в произвольной области параметров состояния, провести перерасчет характеристики для эксплуатации ЖКВН на любой другой системе жидкость — газ.

3. Данные проделанной обработки подтверждают корректность сделанного при выводе уравнения (3.13) приема: раздельный учет.

ГЛАВА 4.

РАЗРАБОТКА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ.

ПРОЕКТА РЕКОНСТРУКЦИИ ВСС РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ К-382 ЗАВОДА СПС ОАО «НИЖНЕКАМСКНЕФТЕХИМ».

4.1. Описание технологического процесса.

Технологический процесс производства стирола включает в себя стадии дегидрирования этилбензола и ректификации углеводородного конденсата.

Дегидрирование этилбензола осуществляется в присутствии катализатора при температуре 560−63 0 °C. Кроме основной реакции, протекает ряд побочных реакций с получением бензола, толуола, метана, этилена, а также тяжелокипящих компонентов. Процесс протекает с увеличением объема. Снижение парциального давления сдвигает равновесие в сторону образования конечного продукта — стирола и сокращает образование побочных продуктов. Поэтому в процессе дегидрирования для снижения парциального давления углеводородных компонентов в реакционный процесс вместе с сырьем вводится водяной пар. Водяной пар является также теплоносителем для осуществления эндотермической реакции дегидрирования. Кроме того, водяной пар непрерывно удаляет с катализатора углерод, образующийся в процессе реакции, реагируя с ним с образованием углекислого газа, что исключает необходимость проведения регенерации. Таким образом на стадию ректификации поступает ширококипящая смесь углеводородов, содержащая трудноконденсируемые примеси (метан, этилен), включая и кислые газы (диоксид углерода).

Технологическая схема блока ректификации в настоящее время существенно отличается от проектной [94]. Проектом предусматривалось разделение продуктов реакции в цепочке ректификационных колонн, включающей в себя:

К-302, предназначенная для отгонки из реакционной смеси легких головных фракций (смесь бензола и толуола);

К-312, предназначенная для выделения фракции возвратного этилбензола из кубового продукта К-302 (возвращается на стадию реакции);

К-322, предназначенная для выделения из стирола сырца (кубовый остаток колонны К-312) фракции стирола — ректификата (дистиллят);

К-382 предназначалась для очистки стирола — ректификата от основности (примеси) под глубоким вакуумом в токе азота.

В 2001 — 2002 г блок ректификации был подвергнут реконструкции. При реконструкции контактные устройства колонны К-382 были заменены на регулярную насадку типа «Intalox» фирмы Norton. Схема расположения насадки в колонне показана на рис. 4.1. В результате реконструкции удалось существенно увеличить разделительную способность колонны К-382, что позволило использовать ее на стадии выделения возвратного этилбензола взамен колонны К-312. Одновременно исчезла необходимость дополнительной очистки стирола — ректификата. Вспомогательное оборудование блока (дефлегматоры, ПЭНы, .) остались при этом прежними. Основные характеристики оборудования реконструированного блока ректификации приведены в таблице 4.1.

В настоящее время на заводе СПС в соответствии с действующей в ОАО «Нижнекамскнефтехим» программой «Энергосбережение» принято решение о проведении реконструкции вакуумсоздающих систем (ПЭНов) на новые ВСС, использующие ЖКВН с предвключенными газовыми эжекторами. Основанием для принятия данного решения явились результаты НИР, проведенных в 19 944−2003 г. г. в КГТУ, которые изложены в предыдущих разделах настоящей диссертации, а также результаты эксплуатации ВСС нового типа, внедренной при участии КГТУ в колонне К-302 в 1995 г. В.

32 — 80 качестве новой ВСС, заменившей ПС ———, при реконструкции был установлен жидкостно-кольцевой вакуум-насос «SIGMA» (производство.

Чехословацкой республики) с предвключенным газовым эжектором конструкции КГТУ. Производительность ЖКВН в расчетной точке (Рвс = 80 мм.рт.ст.) составляет 12 м /мин.

->

4 500 <->

Рис. 4.1. Схема расположения насадки «Intalox» в колонне К-382.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В качестве ВСС в настоящее время наиболее широко используются в отечественной промышленности ПЭНы. Другие типы ВСС: ЖКВН, ЖКВН с предвключенным эжектором (газовым, паровым) и другие комбинации используются неоправданно мало.

Указанные типы ВСС рассчитываются и испытываются заводамиизготовителями только для системы воздух (откачиваемый газ) — вода (рабочая жидкость ЖКВН) или водяной пар (рабочее тело ПЭН). В тоже время на сегодняшний день доказано, что максимальная эффективность технологической системы достигается при использовании в качестве рабочего тела специальных продуктов. Применительно к вакуумной ректификации — дистилляты ректификационных колонн.

При проектировании ВСС реализующих этот принцип естественно ставится задача пересчета характеристик, выданных заводами изготовителями, на новые рабочие условия (меняются физико-химические свойства рабочей жидкости и состав откачиваемого газа).

Практическую ценность имеет полученное уравнение инвариантных характеристик ЖКВН и разработка на базе этих уравнений термодинамической модели, позволяющей по экспериментальной характеристике ЖКВН полученной на произвольной системе в произвольной области параметров состояния, провести перерасчет характеристики для эксплуатации ЖКВН на любой другой системе жидкость — газ.

Результаты данной работы были использованы при выдаче исходных данных на проектирование ВСС технологических установок завода СПС ОАО «Нижнекамскнефтехим».