Методика эксергетического анализа нефтехимических производств

Задача исследования термодинамического совершенства промышленных и энергетических систем относится к задачам более высокого уровня сложности, так как для их решения используются исходные данные и результаты исследований и материальных, и энергетических балансов. Эксергетические балансы являются основным инструментом для проведения таких исследований.

Термодинамический анализ целесообразно проводить для объектов, для которых характерно наличие двух признаков:

1) в структуре энергобаланса объекта значительную долю имеют процессы превращения энергии, для исследования которых следует применять второе начало термодинамики;

2) функционирование объекта происходит в условиях контакта с равновесной окружающей средой, параметры которой не зависят от данного объекта.

Эти признаки присутствуют при рассмотрении двух видов технических систем – энергетических и технологических:

1) к энергетическим объектам исследования относят элементы оборудования, процессы, системы производства, преобразования и распределения энергии. В их число входят как источники и крупные преобразователи энергии – ТЭС, КЭС, ТЭЦ, котельные, компрессорные, холодильные и криогенные системы и т.д., так и ее потребители;

2) к технологическим системам относят элементы оборудования, процессы, а также системы производства, преобразования и распределения вещества;

Эти системы являются составной частью всех промышленных объектов, включая химические, нефтехимические и нефтеперерабатывающие предприятия.

Применение термодинамического анализа необходимо в тех случаях, когда имеет место комбинация энергетических потоков различных типов или существенное влияние имеют тепловые процессы. К задачам исследования термодинамического анализа относятся:

· анализ объектов с целью определения «узких» мест с наибольшей необратимостью процессов и выявление перспективных направлений и пределов повышения их термодинамической эффективности;

· качественная оценка технического уровня организации систем по массовым, энергетическим и термодинамическим характеристикам и синтез новых систем и элементов оборудования;

· комплексная качественная оценка энергетических ресурсов, которые могут относиться к различным видам;

· термодинамическая оптимизация систем на различных уровнях структурной организации.

Энергетические и технологические объекты не только неразрывно связаны между собой, но и имеют зачастую однотипное оборудование (теплообменники, компрессоры, высокотемпературные установки и пр.), поэтому различные авторы предлагают единую методику термодинамического анализа – эксергетический метод.

В качестве примера можно привести эксергетический анализ теплоэнергетической эффективности теплотехнологических процессов на стадии дегидрирования изоамиленов в изопрен.

На первом этапе рассматривают условия проведения технологического процесса и принимаются параметры, необходимые для построения эксер-гетических функций: параметры окружающей среды, ограничения и допущения, а также составляется балансовая теплотехнологическая схема анализируемой системы. На схему наносятся все элементы технологической схемы, в которых происходит существенное изменение термодинамических параметров потоков теплоты и вещества.

На втором этапе определяются действительные термодинамические параметры рассматриваемых потоков на входе и выходе из элементов (или составляются системы дифференциальных уравнений для анализа эффективности процессов, происходящих в рабочих областях оборудования) на основе построенния материальных и тепловых балансов.

На третьем этапе находят значения эксергии на входе и выходе элементов, составляют эксергетический баланс и вычисляют потери эксергии для отдельных элементов и всей системы в целом. Эксергетический баланс для стационарного процесса имеет вид:

(8.1)

где E_i^подв – подведенная к объекту эксергия с i -м потоком, кВт; E_i^пол – полезно воспринятая в объекте эксергия i -го потока, кВт; E_i^пот – потери эксергии i -го потока в ходе проведения технологического процесса в рассматриваемом объекте, кВт.

При анализе термодинамической эффективности химико-технологических и теплоэнергетических систем эксергия однородного вещества определяется из соотношения

E_п=i-i_o-T_o (S-S_o) (8.2)

или

(8.3)

где Т_о и р_о – соответственно, температура, К, и давление, окружающей среды, принятые за начало отсчета, Па; i_o и s_o – энтальпия и энтропия рабочего вещества, определенные при выбранных параметрах окружающей среды, кДж/кг; T и р – рабочие параметры – температура, К, и давление вещества, Па; i и s – энтальпия и энтропия вещества, определенные при рабочих параметрах, кДж/кг; q_j и T_{j –} тепловой эффект, кДж/кг, и температура, К, фазового перехода, кДж/кг и К, соответственно; c_p – средняя теплоемкость рабочего вещества, кДж/(кг×К); R – универсальная газовая постоянная, кДж/(кмоль×К).

Если рабочее вещество – смесь, которую можно рассматривать как идеальную, то в этом случае эксергия вещества определяется по выражению

(8.4)

где E_ф^см – физическая (термомеханическая) эксергия смеси, определенная при рабочих параметрах (р, Т, Sх_i), кДж/кг; E_o – нулевая химическая эксергия, кДж/кг; х_i, - молярная доля компонентов в смеси.

Нулевая эксергия определяется из условия р_i,= р_o в начале отсчета. Ее значение находится по выражению

(8.5)

где р_i, – парциальное давление компонента в смеси.

Интегральное выражение эксергии смеси имеет вид

(8.6)

где - теплоемкость смеси, кДж/(кг-К); М_см — молекулярная масса смеси.

Изменение эксергии при осуществлении химических превращений в элементах системы определяется по разности значений термомеханической эксергии на входе и выходе из элемента за вычетом потерь эксергии, связанных с наружным охлаждением ограждающих конструкций через изоляцию, падением давления в элементе и пр. При определении химической эксергии топливного газа, сжигаемого в высокотемпературных технологических установках и агрегатах энергетического назначения, используется методика, предложенная Я. Шаргугом. Им составлены корреляционые зависимости, которые отражают взаимосвязь между нормальной химической эксергией, теплотой сгорания и числами, характеризующими химический состав исходного топлива по компонентам .

На основе этих корреляций предложены приближенные формулы для расчета нормальной химической эксергии вещества технических топлив. В частности, для газообразных углеводородов ее значение определяется соотношением

(8.7)

где – отношение атомного числа водорода к атомному числу углерода;
С – среднее число атомов углерода в молекуле.

Для определения нормальной химической эксергии природного газа может быть использована формула

(8.8)

На четвертом этапе с целью наглядного изображения энергетических и эксергетических балансов установки составляются диаграммы потоков энергии и эксергии. На этих диаграммах отдельные элементы установки соединяются изображениями потоков, ширина полос которых соответствует значениями энергии и эксергии.

Диаграмма потоков энергии позволяет наглядно представить энергобалансы, составленные в соответствии с первым законом термодинамики. Диаграмма потоков эксергии позволяет судить о термодинамическом совершенстве преобразований в соответствии со вторым законом термодинамики и оценить потери. По ней можно быстро установить, в каких элементах установки имеют место наибольшие необратимые потери и какие из этих элементов в первую очередь необходимо усовершенствовать. Ширина полос, соответствующих определенным потокам эксергии, из-за необратимости происходящих в технологии и теплоэнергетических системах процессов передачи теплоты уменьшается, и полосы могут вообще исчезнуть.

На пятом этапе оценивается степень совершенства теплотехнологических процессов. Для этого используется эксергетический КПД, определяемый для каждого элемента и системы в целом с помощью соотношения

(8.9)

Предлагается также другой подход при расчете эксергетического КПД- разностный. Здесь уменьшение подводимой эксергии i -го потока обозначается как (“затраты”), а возрастание полезно воспринятой эксергии – как (“полезные эффекты»). В этом случае отношение для расчета эксергетического КПД имеет вид

(8.10)

Кроме оценки теплоэнергетической эффективности по эксергетическим КПД целесообразным представляется включение в методику проведения эксергетического анализа сложных систем эксергетического коэффициента полезного использования теплоты (КПИ). Выражение для определения КПИ имеет такой же вид, как и (8.10).

Для определения «полезного эффекта» используется следующий подход. Если эксергия, затраченная в каком-либо элементе системы используется для осуществления основного технологического процесса или получения дополнительного количества эксергии для использования внутри системы или внешними потребителями, то величина, принятая за «полезный эффект» при определении КПД по (8.10), включается в баланс КПИ в этом качестве.

Если же эксергия, отводимая от элемента, например в процессах охлаждения, не находит применения ни в технологии, ни в энергетических системах предприятия и внешних потребителей, ее доля, принятая «за полезный эффект» при определении КПД по (8.10), в баланс КПИ не включается.

Таким образом, КПИ показывает, насколько эффективно используется эксергия, затраченная в элементах системы для осуществления технологических процессов, покрытия внутренних тепловых нагрузок и нагрузок внешних потребителей теплоты. Реальный КПИ всегда меньше КПД. Лучшим является вариант, когда вся подведенная в элементы системы эксергия за вычетом потерь в окружающую среду и необратимых потерь, используется полезно, т.е. КПИ равен КПД.

На шестом этапе, который является заключительным, проводится оценка полученных результатов и делаются выводы.

Пути и стадии реализации основных положений вышеприведенной методики для анализа эффективности теплопотребления рассмотрены на примере ХТС получения изопрена методом двухстадийного дегидрирования изоамиленов в производстве синтетического изопренового каучука СКИ-3.

* ТУТ – тонн условного топлива

Дата добавления: 2014-11-29