Разработка методологии технического и теплоэнергетического обоснования на основе методов математического моделирования эффективности инновационного проекта реконструкции производств аммиака с организацией получения нового продукта - метанола, страница 2

4)  Для перегрева пара использовать огневой подогреватель отделения синтеза аммиака, который эксплуатируется в производстве аммиака крайне редко.

5)  В качестве привода компрессора применить паровую турбину, выведенную из эксплуатации.

6)  Пар, выработанный в контуре метанола, направить в паровую турбину. Возможный недостаток покрыть за счет агрегата аммиака путем выработки пара в пусковом котле.

Указанные решения показаны на принципиальной схеме (рис. 25), пунктирными линиями обозначено новое оборудование.

В совместном производстве вырабатывается метанол-сырец, т.е. смесь метанола и воды, которую нужно подвергнуть ректификации. Для этого требуется пар низкого давления, значительную часть которого можно выработать в контуре метанола. Показывать схему. В схемах компании ''UHDE GmbH'' не решен вопрос подачи питательной воды для выработки пара. Мы предлагаем осуществлять  подачу питательной воды насосами, имеющимися в агрегате аммиака. Кроме того, мы считаем необходимым связать систему пара 4,5 ата контура метанола с такой же системой агрегата аммиака,  в результате чего открываются возможности для утилизации избыточного низкопотенциального пара агрегата аммиака.

 Как видно из приведенных схем, циклы ''питательная вода – пар – конденсат – питательная вода'' являются замкнутыми и используют оборудование производства аммиака: систему сбора конденсата и блок подготовки воды.

Далее. На основе разработанной математической модели мы провели ряд имтационных компьютерных экспериментов.

Основным результатом моделирования является расчет материальных потоков совместного производства аммиака и метанола, тепловых потоков контура выработки метанола-сырца, а также поверочный расчет теплообменного оборудования для производства метанола.

          Схема материального баланса совместного производства приведена плакате, где показаны основные стадии производства, расходы газовой смеси и концентрации компонентов в % об.

Тепловой баланс контура метанола показан на плакатах. Здесь указаны направления движения потоков, их температуры и давления, а также расходы теплоносителей. Условно показаны теплообменные аппараты, все они кожухотрубчатого типа с одним ходом теплоносителей. Основные размеры выбранных теплообменников также указаны на схемах.

Из указанных схем видно, что запас поверхностей теплообмена чаще всего значительно превышает 10 %. Это связано с тем, что теплообменники с меньшими поверхностями рассчитаны на меньшие давления и потому не подходят для применяемых в контуре метанола давлений.

          Важным результатом моделирования является также профиль температуры в реакторе синтеза метанола (плакат), т.к. на нем четко видно положение так называемой ''горячей точки'' – максимальной температуры газовой смеси в трубе реактора.

На графике под температурой газовой смеси понимается температура, средняя по сечению трубки на выходе из слоя. Ход линии на графике объясняется следующим образом. Вначале скорость экзотермической реакции синтеза метанола больше, чем скорость отвода тепла, поэтому температура возрастает. По мере накопления метанола в газовой смеси скорость реакции падает и становится меньше скорости теплоотвода. Соответственно температура проходит через максимум и далее постепенно снижается. Данный температурный профиль является вполне характерным для экзотермических реакций с отводом тепла. Ему полностью соответствует профиль концентрации метанола – продукта реакции (плакат).

Нагрузка контура метанола зависит от величины отбора газовой смеси в контур после стадии вторичного риформинга. Мы смоделировали несколько режимов нагрузки, изменяя только величину отбора газа. Все остальные исходные данные оставались постоянными.

Как видно из графика, выработка метанола возрастает прямо пропорционально нагрузке. Соответственно, выработка аммиака пропорционально снижается, т.к. водород потребляется в синтезе метанола.

Здесь и далее на всех графиках окружностями обозначены расчетные точки, а сплошные линии – сглаживающие кривые. Важно отметить, что зависимости, приведенные на графиках, нельзя выразить явными функциями, они являются расчетными результатами моделирования.

          На плакате приведены характеристики контура метанола по выработке пара среднего (43 ата)  и низкого (4,5 ата) давлений. Как видно из графиков, выработка пара среднего давления практически равна его потреблению на турбине, т.е. контур метанола является автономным по пару среднего давления.

Выработка пара низкого давления меньше, чем требуется для ректификации метанола-сырца. Недостаток (4-8 т/ч) можно покрыть за счет утилизации избыточного пара агрегата аммиака, выбрасываемого в атмосферу (10-15 т/ч). Таким образом, частично решается проблема утилизации низкопотенциального пара.

Требуемая мощность турбины пропорциональна нагрузке (плакат). Как видно из графика, мощность имеющейся турбины (4300 кВт) достаточна для любых нагрузок на контур метанола. Потребность в оборотной воде (плакат).

          Исходя из приведенных графиков, можно сделать следующие выводы:

1)  замена электродвигателя на имеющуюся турбину позволяет экономить до 2800 кВт электроэнергии, исключить капитальные затраты на приобретение и монтаж электродвигателя, а вместо этого использовать турбину, выведенную из эксплуатации.

2)  использование пара, вырабатываемого в контуре метанола, для привода турбины является наилучшим способом утилизации среднепотенциального тепла химических реакций;

3)  тепло газовой смеси эффективно используется для выработки пара низкого давления и подогрева питательной воды для реактора синтеза, количество пара низкого давления составляет 70-75 % от необходимого для ректификации метанола-сырца;

4)  использование избыточного пара низкого давления агрегата аммиака для ректификации метанола позволяет утилизовать около 50 % этого низкопотенциального пара, выбрасываемого в атмосферу.

Кратность циркуляции в контуре является важнейшим параметром, определяющим размеры оборудования и выработку метанола и пара. Под кратностью циркуляции понимается отношение газа, циркулирующего в контуре метанола, к газу, отбираемому после вторичного риформинга. Нами смоделирован режим работы контура метанола при различной кратности циркуляции. Выработка метанола, мощность турбины и потребность в оборотной воде возрастают с увеличением кратности циркуляции (плакаты).

С увеличением кратности увеличивается разность между потреблением и выработкой пара среднего давления (плакат). Это связано с тем, что мощность турбины расходуется на перекачивание компрессором большего количества инертов, имеющихся в газовой смеси, и на преодоление увеличивающегося гидравлического сопротивления реактора (плакат).

На основании данных выводов мы приняли кратность циркуляции, равную 3.

Нагрузка совместного производства определяется расходом природного газа в отделение риформинга на производство водорода. Нами смоделировано несколько режимов при разных расходах природного газа на риформинг, но при одинаковом отборе в контур метанола. На плакатах приведены графики выработок метанола и аммиака. Как видно, при нагрузке 42000-43000 нм3/ч природного газа производительность по аммиаку приближается к проектной.