Общая характеристика работы. Актуальность проблемы

Актуальность проблемы.

Важным обобщающим показателем эффективности экономики страны является энергоемкость ее продукции. Сегодня в России на единицу валового национального продукта расходуется в 3-3,5 раза больше энергии, чем на Западе, велик физический и моральный износ действующих мощностей. Относительно высокая рентабельность российского экспорта определяется лишь очень низкой внутренней ценой природного газа и других энергоносителей. В настоящее время экономика России еще не готова к интеграции в мировую рыночную экономику, т.к. не решена основная задача переходного периода – техническое перевооружение.

Одним из существенных методов снижения энергопотребления является создание комплексных теплоэнерготехнологических схем производства нескольких продуктов (например, аммиака, метанола и энергоносителей) на базе существующих крупнотоннажных агрегатов. Взаимное использование тепловых потоков позволяет значительно снизить энергопотребление комплексного производства.

Реализации крупных инновационных проектов комплексных производств химических продуктов и энергоносителей должна предшествовать их корректная теплоэнергетическая и технико-экономическая оценка, основанная на методах математического моделирования.

Целью работы является разработка теплоэнерготехнологического комплекса производства аммиака, метанола и энергоносителей и оценка схем его реализации путем теплоэнергетического и технико-экономического обоснования на основе методов математического моделирования.

Научная новизна.

1. На основе системного подхода разработана концептуальная модель теплоэнерготехнологического комплекса, отличающегося сложной многостадийной организацией процесса и наличием рециклов, а также комбинированным производством теплоносителей разного уровня.

2. Разработана математическая модель теплоэнерготехнологического комплекса производства аммиака, метанола и энергоносителей, описывающая процессы теплообмена, выработки и потребления теплоносителей, а также протекающие физико-химические процессы.

3. Создана новая математическая модель процессов тепло- и массопереноса, протекающих в реакторе синтеза метанола, ориентированная на совместное рассмотрение вопросов генерации теплоносителей и получения целевого продукта.

4. Разработаны алгоритмы реализации математической модели, позволяющие, в частности, быстро и эффективно осуществлять многочисленные итерационные процедуры, необходимые для расчета комплексного производства.

Практическая ценность.

1. Математическая модель реализована на ЭВМ с помощью современных вычислительных комплексов, что позволяет достаточно просто и быстро проводить расчет балансов комплексного производства по тепловым и материальным потокам, выработке и потреблению энергоносителей, критериев экономической эффективности инвестиций, а также выполнять поверочные расчеты теплообменного и другого оборудования.

2. С помощью разработанной математической модели проведены эксперименты по моделированию теплоэнерготехнологических схем комплексного производства аммиака, метанола и энергоносителей. Полученные данные являются основой для теплоэнергетического и технико-экономического обоснования инновационного проекта комплексного производства с подбором оптимальных условий его реализации.

2. Предложены оригинальные технические решения, такие как замена привода компрессора с электродвигателя на паровую турбину, организация выработки энергоносителей при производстве метанола, дозирование кислорода в производство, направленные на снижение потребления природного газа и электроэнергии. Эффективность решений подтверждена их теплоэнергетической и экономической оценкой путем расчета по разработанной математической модели.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на Второй областной межвузовской научной конференции ''Молодые исследователи – региону'' (Вологда, 2000), на Международной научно-технической конференции ''ИНФОТЕХ – 2001'' (Череповец, 2001), на III-й Международной научно-технической конференции ''Повышение эффективности теплообменных процессов и систем'' (Вологда, 2002), на IV-й Межвузовской конференции молодых ученых (Череповец, 2003), на XVI-й Всероссийской конференции по химическим реакторам ХИМРЕАКТОР-16 (Казань, 2003). Материалы диссертации изложены в 5 публикациях.

Автор защищает:

- концептуальную модель теплоэнерготехнологического комплекса, позволяющую учитывать: комбинированное производство теплоносителей разного уровня, сложную многостадийную организацию процесса и наличие рециклов, влияние параметров состояния на свойства веществ;

- математическую модель теплоэнерготехнологического комплекса, описывающую процессы теплообмена, выработки и потребления теплоносителей, а также протекающие физико-химические процессы;

- алгоритмы реализации математической модели, позволяющие быстро и эффективно осуществлять многочисленные итерационные процедуры;

- расчетные данные, полученные в результате математического моделирования комплексного производства и являющиеся основой его теплоэнергетического и технико-экономического обоснования;

- оригинальные технические решения, направленные на снижение потребления природного газа и электроэнергии в комплексном производстве.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (88 наименований), 3-х приложений и содержит 149 стр. машинописного текста, включая 54 рисунка и 2 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Аналитический обзор и задачи исследования. Приведена характеристика энергопотребления производств аммиака и указаны причины их повышенной энергоемкости. Главной из них является повышенный расход природного газа (основного и самого дорогого сырья) на единицу продукции. Кроме того, большое количество низкопотенциального пара не используется, а выбрасывается в атмосферу. Одним из способов снижения энергоемкости является создание теплоэнерготехнологического комплекса производства аммиака, метанола и энергоносителей на базе действующего агрегата аммиака. Структурная схема комплексного производства приведена на рис. 1, где пунктирными линиями указаны новые (проектируемые) стадии производства.

Как видно из схемы, в комплексном производстве тесно взаимосвязаны процессы выработки и потребления энергоносителей (водяной пар различного давления и электроэнергия) и получения целевых продуктов. Энергоносители вырабатываются как за счет утилизации тепла реакций, так и из природного газа, который является и основным сырьем для получения продукции. Водяной пар используется для привода турбин, обеспечивая возможность протекания физико-химических процессов и сам в свою очередь является реагентом.

Проанализированы способы комплексного производства и организации теплообмена при получении метанола. Указаны недостатки существующих схем их реализации. Исходя из принципа построения энергосберегающих технологий при переходе от производства аммиака к комплексному производству должен выполняться ряд требований:

1) минимальное количество дополнительных тепло- и хладоагентов;

2) максимально полная утилизация тепла химических реакций;

3) минимальное дополнительное количество природного газа и электроэнергии.

Для достижения этих требований в диссертации предложен ряд решений по снижению энергопотребления и организации теплообмена, которые обсуждаются в Главе 4.

Обоснование инновационного проекта комплексного производства и предлагаемых решений должно быть подтверждено результатами расчетов тепловых и материальных балансов, выполненных путем математического моделирования с применением ЭВМ и современных вычислительных программных пакетов.

В связи с этим изложены основные концептуальные положения математического моделирования химико-теплоэнергетических систем. Критически оценен имеющийся опыт моделирования производств аммиака и метанола: созданные модели ориентированы на отдельные производства, описывают в основном физико-химические процессы и не включают экономических расчетов.

Для решения указанных проблем поставлены задачи исследования:

1) разработка концептуальной модели теплоэнерготехнологического комплекса производства аммиака, метанола и теплоносителей;

2) формализация концептуальной модели;

3) алгоритмизация расчетов по формализованной математической модели;

4) реализация алгоритмов на ЭВМ с использованием современных вычислительных комплексов;

5) проведение на основе разработанной модели численных экспериментов с получением некоторого массива данных и их анализ;

6) подтверждение с помощью расчетов по модели предложенных технических решений, обеспечивающих снижение энергопотребления в комплексном производстве.

Объектом исследования является теплоэнерготехнологический комплекс производства аммиака, метанола и теплоносителей на базе агрегата АМ-76 (ОАО ''Череповецкий ''Азот'')

Глава 2. Методические научные основы построения математической модели теплоэнерготехнологического комплекса. Определены цель моделирования и тип разрабатываемой концептуальной модели. Конкретной целью моделирования исследуемого объекта является определение (расчет) значений выбранных показателей энергетической и экономической эффективности для различных энерготехнологических и теплотехнических вариантов реализации рассматриваемого комплексного производства.

Разрабатываемая модель исследуемого объекта является балансовой, детерминированной, статической и удовлетворяет принципу информационной достаточности. Модель обеспечивает:

1) ввод исходных данных;

2) расчет процессов теплообмена и других физико-химических процессов на различных стадиях производства;

3) расчет баланса выработки и потребления энергоносителей разного уровня;

4) расчет тепловых и материальных балансов выбранных стадий производства;

5) поверочный расчет нового теплообменного оборудования;

6) вывод выбранных показателей процесса;

7) расчет экономических показателей.

Проведена декомпозиция объекта исследования. Структура исследуемого объекта представлена в виде системы относительно независимых подсистем. Каждая стадия производства рассматривается как отдельная подсистема, которой физически соответствует реальный аппарат (или несколько аппаратов), а математически – отдельный расчетный блок. Таким образом получена ''горизонтальная'' структура модели, представленная на рис.2, где приняты следующие обозначения: V – объемный расход, G – массовый расход, N _i – состав потока, t – температура, Р – давление, N – мощность. В штриховых прямоугольниках указаны параметры, которые должны быть заданы, остальные параметры являются расчетными. На схеме также указаны точки ''разрыва'' замкнутых рециркулирующих потоков.

Данная структурная схема является ''ядром'' модели, на ней указаны лишь основные расчетные блоки и связи между ними. Также проведен еще ряд поверочных расчетов с целью определения существенности влияния того или иного физико-химического процесса (например, растворение газов), расчеты аппаратов на прочность и др.

Детализация каждой подсистемы производилась до такого уровня, чтобы для каждого элемента были известны все параметры, которые обеспечивают определение интересующих исследователя характеристик системы; остальные параметры по возможности были исключены из модели.

При детализации каждой подсистемы и всей системы в целом возникла ''вертикальная'' структура модели, иерархические уровни которой показаны на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема построения модели ''по вертикали''.

Далее глава посвящена формализации объекта исследования.

Зависимости свойств веществ и их смесей (газов, жидкостей, твердых тел) от различных параметров представлены в виде уравнений:

y = f (x ₁, x ₂, x ₃, …) (1)

где y - какое-либо свойство (вязкость, теплопроводность и т.д.), x _i - параметры состояния (давление, температура и т.д.).

Влияние давления на свойства газов оценено с помощью уравнения Ли-Кеслера. Свойства газовых смесей вычислены с помощью методов Джосси-Стила-Тодоса, Линдсея-Бромли и правила Вильке.

Равновесие реакций выражается через константу равновесия К _р:

(2)

где р - парциальные давления.

Для учета недостижения равновесия использован метод приближения к равновесию по температуре.

Процессы конденсации описаны с помощью уравнения:

y _i × F_i ×P = g_i ×x _i ×P _нас,i × F_s,i ×П _i (3)

где y - мольная доля компонента в газовой фазе, рассчитанная для нормальных условий; F - коэффициент фугитивности компонента в газовой смеси; Р – общее давление в системе; g - коэффициент активности компонента в жидкой фазе; x – мольная доля компонента в жидкой фазе; Р _нас – давление насыщенных паров компонента при заданной температуре без учета влияния давления; F_s - коэффициент фугитивности жидкости; П – поправка Пойнтинга, учитывающая влияние давления на объем сконденсировавшейся жидкости.

Процессы теплопередачи рассчитывали по уравнениям:

Q = K × F ×D t _ср (4)

(5)

Коэффициенты теплоотдачи a₁, a₂ определялись по известным критериальным уравнениям.

При поверочных расчетах теплообменной аппаратуры приняты следующие допущения:

- теплообменник работает в стационарном режиме;

- коэффициент теплопередачи постоянен по всей поверх­ности;

- потери теплоты в окружающую среду или приток теп­лоты из среды пренебрежимо малы;

- продольным тепловым потоком можно пренебречь;

- схема движения потоков представляет собой либо чи­стый прямоток, либо чистый противоток;

- термические сопротивления отложений равны нулю.

В диссертационной работе разработана модель реактора, основанная на законах Ньютона-Рихмана и Фурье и кинетических данных и представляющая собой следующую систему уравнений:

dn ₁ = r ₁× dv (6)

dn ₂ = r ₂× dv (7)

N × c _p× dT = (Q ₁× dn ₁ – Q ₂× dn ₂) - a_г× dF _ст,вн×(T _г – Т _ст,вн) (8)

a_г× dF _ст,вн×(T _г – Т _ст,вн) = (9)

= a_в× dF _ст,н×(T _ст,н – Т _в) (10)

где dn ₁ и dn ₂ – соответственно количества метанола и СО₂, образовавшиеся в результате реакций, моль; – количество, dv – объем слоя, м³; r ₁ и r ₂ – скорости реакций, моль/с; N – количество моль газовой смеси на входе в слой; с _р – теплоемкость газовой смеси, Дж/(моль×К); dТ – изменение температуры в слое, К; Q ₁ и Q ₂ – тепловые эффекты реакций, Дж/моль; a_г – коэффициент теплоотдачи от газовой смеси к стенке трубы, Вт/(м²×К); a_в – коэффициент теплоотдачи от кипящей воды к стенке трубы, Вт/(м²×К); l_ст - коэффициент теплопроводности материала труб, Вт/(м×К); d_ст – толщина стенки, м; dF _ст,вн, dF _ст,н – внутренняя и наружная поверхности элемента трубы, соответствующего слою катализатора, м²; dl – высота элемента трубы, м; R _н и R _вн – наружный и внутренний радиусы трубы, м; Т _г – температура газовой смеси на входе в слой, К; Т _ст,вн и Т _ст,н – температуры внутренней и наружной стенок трубы, К; Т _в – температура воды, кипящей в межтрубном пространстве, К.

Уравнения (6,7) описывают материальный баланс в слое катализатора, уравнение (8) – тепловой баланс в слое, уравнения (9,10) - перенос тепла от газовой смеси к кипящей в межтрубном пространстве воде.

Далее в диссертации рассмотрены тепловые и материальные балансы на каждой стадии производства. Из балансов определяется выработка пара различного давления за счет тепла реакций и путем сжигания природного газа, потребление пара для привода турбин и проведения химических реакций, расход сырья и количество полученной продукции.

Затем в соответствии со схемой на рис. 3 производится выборка существенных показателей процесса, основные из которых следующие:

1) потребление природного газа на производство;

2) потребление природного газа для выработки пара высокого давления во вспомогательном котле;

3) расход электроэнергии в контуре метанола;

4) выработка пара среднего давления в реакторе метанола;

5) выработка пара низкого давления в контуре метанола;

6) расход оборотной воды в контур метанола;

7) выработка аммиака;

8) выработка метанола.

Экономическая модель построена на основе методик, изложенных в литературе, и рассчитывает следующие параметры: себестоимость продукции, текущие затраты, валовая прибыль, чистый дисконтированный доход и др.

При выборе математического аппарата для описания той или иной стадии или процесса критически обсуждаются все принятые допущения. Указывается, что при необходимости математическая модель может быть расширена и дополнена включением дополнительных блоков, описывающих те или иные процессы (например, зерно катализатора).

Показано, что многие стадии описываются системами балансовых уравнений, которые необходимо решать итерационными методами. В связи с этим должен быть составлен четкий алгоритм моделирования.