Пинч / Смит Р.,Клемеш Й.,Товажнянский Л.Л.,Капустенко П.А.,Ульев Л.М.-- Основы интеграции тепловых процессов (2000)

400	Приложение Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

АНАЛИЗ ИНТЕГРАЦИИ ПРОЦЕССОВ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РЕКОНСТРУКЦИИ УСТАНОВКИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА

Г1. Аннотация

В свете решения проблем энергосбережения и снижения количества газообразных выбросов, использование интеграции процессов для повышения эффективности энергоиспользования при проектировании новых производств и реконструкции существующих становится весьма перспективным.

Одной из важных областей применения для улучшения энергоиспользования являются проекты реконструкции теплообменных систем (ТОС), в которых величина рекуперации тепла максимизируется при сохранении неизменного срока окупаемости, насколько это возможно. В данной публикации проиллюстрирована успешная реализация метода при постадийном подходе к реконструкции ТОС.

На стадии постановки задачи в качестве первого шага была использована концепция эффективности поверхности теплообмена. Второй шаг базировался на методе сетевого пинча, разработанном Зу и Асанте [9], который был применен для прогнозирования возможных структурных модификаций, требуемых для проектирования ТОС. Выбранный с помощью метода сетевого пинча вариант проекта переходит на стадию оптимизации, где устанавливается оптимальный вариант компромисса между затратами на дополнительную поверхность теплообмена (включая переобвязку и/или переустановку) и экономией энергии. Оптимизация ТОС производилась с помощью SPRINTã (одно из программных обеспечений, разработанных UMIST по интеграции процессов).

Вся необходимая информация по дополнительной поверхности теплообмена для существующих теплообменников и по новым теплообменникам, а также по стоимости сэкономленной энергии была использована для определения срока окупаемости при внедрении соответствующего варианта модернизации. С целью определения возможного энергосбережения и реализации соответствующих технических решений было проведено изучение работы установки каталитического крекинга одного из нефтеперерабатывающих комплексов в Румынии. Были получены удовлетворительные результаты по экономии энергии: подвод тепла с горячими утилитами снижена на 49%, а отвод

Приложение Г	401

тепла с холодными утилитами – на 20%. Это соответствует снижению подводимого тепла с 37,6 МВт до 19,3 МВт (экономия 18,3 МВт) и снижению отводимого тепла с 91,2 МВт до 72,3 МВт. Для внедрения рекомендован вариант, предусматривающий умеренные затраты при удовлетворительной экономии энергии, что обуславливает довольно короткий срок окупаемости, составляющий около шести месяцев.

Г2. Введение

Проектирование теплообменной системы (ТОС) является одной из важнейших стадий проектирования технологического процесса. Несмотря на то, что основы проектирования широко известны, для реконструкции ТОС приемлемы лишь некоторые методы.

Большинство методов, применимых для промышленных производств, основаны на термодинамическом анализе задач проектирования, используя принципы, в основном относящиеся к Пинчметодике [1-5]. До последнего времени эти методы требовали подробных знаний принципов и правил интеграции процессов, которые предполагали использование различных процедур, частично выполняемых вручную, что делало процесс медленным и трудоемким [6-8].

Хотя предложен ряд методов, основанных на математическом программировании, эти методы либо чрезмерно специфицируют задачу постановкой её как чисто проектной задачи, либо требуют значительного компьютерного обеспечения. В большинстве случаев они сложны в использовании и неэффективны для решения задач реконструкции промышленных ТОС.

В то же время математическое программирование и пинч-методика более сильны для задачи проектирования ТОС, однако, до последнего времени не было такого метода, который был бы интерактивным и автоматизированным для проектирования.

Для решения задач применительно к промышленным системам Зу и Асанте [9] разработали новый метод – метод сетевого пинча (МСП). Он сочетает методы математической оптимизации с четким пониманием задачи реконструкции, базирующемся на термодинамическом анализе и практической технологии, в результате чего возможно эффективно решать задачи реконструкции в промышленных масштабах.

Данная работа проводилась с целью оценки возможностей усовершенствования ТОС установки каталитического крекинга (КК) с флюидизированным катализатором, включая отделение ректификации и газоулавливающую установку.

402	Приложение Г

Г3. Описание типовой установки каталитического крекинга

Установка КК является одним из наиболее важных перерабатывающих производств в нефтепереработке. Установка КК производит переработку нефтепродуктов после первичной переработки нефти под атмосферным давлением и под вакуумом (газойлей и тяжелых фракций) в высокооктановый бензин, легкие дизельные топлива и газы с высоким содержанием олефинов.

Продукционный бензин имеет высокое октановое число головной фракции и хорошие осредненные октановые характеристики. Подобные установки создавались по типовым проектам с небольшими отличиями в части особенностей исходного сырья.

Установка КК состоит из трёх отделений: реакции, ректификации и газоулавливания, как показано на рис. Г1.

Реакции крекинга проходят в вертикальном реакторе, в котором поток нефтепродукта контактирует с горячим порошкообразным катализатором. Нефтепродукт испаряется и расщепляется на более легкие продукты по мере движения вверх по реактору, увлекая за собой порошкообразный катализатор. Реакции проходят быстро, во многих случаях за несколько секунд. Одновременно с нагаром в слое катализатора образуется углеродистое соединение с низким соотношением водорода и углерода, которое откладывается на катализаторе и снижает его активность.

Установка газоулавливания Различные

продукты

Питание+

рециркуляция Отделение реактора

Рис.Г1. Схема процесса каталитического крекинга

Использованный катализатор отделяется от полученных продуктов и поступает в регенератор, где обновляется сжиганием нагара, а затем поступает в нижнюю часть реактора, и цикл повторяется. Газы из регенератора, содержащие СО/СО2 в определенном соотношении дожигаются до СО2 в СО-котле, который вырабатывает пар высокого

Приложение Г	403

давления. Выходящий из реактора поток охлаждается (Рис. Г2) и разделяется на различные продукты в главной ректификационной колонне.

Головной продукт перегонки включает бензин и легкие фракции, направляющиеся на газоулавливающую установку. Более тяжелые жидкие продукты, нафта и циклические нефтепродукты отбираются с промежуточных тарелок ректификационной колонны, а суспензия (осветленная) отделяется из нижней части.

Легкие циклические нефтепродукты, которые обрабатываются как боковой погон, разгоняются для удаления легких головных продуктов и частично рециркулируются на газоулавливающую установку для нагрева других потоков и затем поступают во вторичный абсорбер для улавливания растворимых компонентов из газа, выходящего из первичного абсорбера.

Происходит максимальное использование тепла главной ректификационной колонны. Легкие и тяжелые циклические нефтепродукты используются как теплоносители в газоулавливающей установке, а циркуляция нижнего продукта колонны используется для выработки пара.

Газоулавливающая установка состоит из абсорберов и ректификационных колонн, которые разделяют головной продукт перегонки главной ректификационной колонны на бензин и легкие нефтепродукты. Иногда на газоулавливающую установку подают олефиносодержащие газы из других производств.

Типовая восьмиколонная газоулавливающая установка приведена на рис. Г2. Газ, выходящий из верхней части главной ректификационной колонны, сжимается и вместе с нижним продуктом первичного абсорбера и верхним продуктом стриппера, которые являются также газообразными, поступает через охладитель в ресивер высокого давления (ВД-ресивер). Газ из ВД-ресивера поступает в первичный абсорбер, где контактирует с нестабилизированным бензином из сборника продукта верха главной ректификационной колонны.

Полезный эффект этого контакта заключается в разделении С3+ и С2- фракций. Отходящий газ первичного абсорбера направляется во вторичный абсорбер, где циркуляция легких циклических нефтепродуктов из главной ректификационной колонны используется для поглощения большинства оставшихся в питании вторичного абсорбера С5+ углеводородов.

Обогащенные нефтепродукты из вторичного абсорбера возвращаются в главную ректификационную колонну КК. Верхний продукт вторичного абсорбера, большей частью свободный от основных С3+ углеводородов, но содержащий Н2S направляется либо на факел горючих газов, либо в другие процессы.

404					Приложение Г
ДебутанизаторСтриппер Газолин	Колонна	осушки			Пропилен насклад		складна		C4Тяжелые	складна	каталитичесогоустановкикрекинга
		Депропанизатор			Отделитель C4фракции	CЛегкие4
					Отделитель пропилена				Пропанскладна
й Вторичный абсорбер	Горючийгаз		Реактор	ВДресивер	ЛЦН продукц.		Вода Пар среднего давления	ВреакторОтстойник	Суспензия продукта		Рис.2.Упрощеннаясхема
Главная Первичын колонна абсорбре				ТЦН			Врегенератор		ЦО суспензии	втьНеф	установку
									Суспензия продукта
										ВЦО

Приложение Г	405

Жидкие продукты из ВД-ресивера направляются в колонну стриппера, где отгоняется большинство С2 - углеводородов, а затем возвращается в ВД-ресивер.

Нижний жидкий продукт направляется в дебутанизатор, где получается стабилизированный бензин также в качестве нижнего продукта. Верхний продукт – это олефиносодержащие С3-С4 углеводороды, которые отделяются как С4 фракция вниз. Верхний продукт содержит главным образом С3 углеводороды, а также некоторое количество воды, поэтому используется колонна осушки для разделения на азеотропную углеводородно-водяную смеси как верхний продукт и С3 фракцию как нижний продукт. Для этой колонны используется та же конденсационно-рефлюксная емкость, что и для колонны депропанизатора. Наконец, С3 фракция отделяется в отделителе пропилена, а С4 фракция – в отделителе С4.

Г4. Представление методологии

Г4.1. Реконструкция ТОС и метод сетевого пинча

Зу и Асанте [9] предложили новую методологию для проекта реконструкции существующей ТОС, которая может рассматриваться как один из основных методов реконструкции существующей ТОС. Если использовать этот метод последовательно с методом эффективности поверхности теплообмена, то возможно сформировать автоматизированное и интерактивное поколение проектирования реконструкции ТОС.

Существующий проект ТОС

СТАДИЯ ДИАГНОСТИКИ На этой стадии определяются новые модификации

СТАДИЯ ОПТИМИЗАЦИИ Компромисс между энерго-

сбережением и капитальными затратами

Проект реконструкции

Рис. Г3. Две стадии метода сетевого пинча

406	Приложение Г

Метод сетевого пинча позволяет предложить перспективные модификации для существующей ТОС. В данной публикации представлены лишь основные черты этого метода, более же детальное описание приведено в работе [9]. Этот метод предполагает наличие двух основных стадий: стадии диагностики и стадии оптимизации, схематично это показано на рис. Г3.

Главной чертой данного метода является минимизация числа изменений топологии существующей ТОС. МСП использует двухстадийный подход к проекту реконструкций.

На первой стадии (стадии диагностики) выбирается минимальное число перспективных топологических модификаций ТОС для достижения требуемой целевой рекуперации тепла. Замечено, что величина рекуперации тепла в ТОС термодинамически ограничена некоторыми сочетаниями теплоносителей в теплообменниках, что неизбежно приводит к нулевой разности температур (недорекуперации) при увеличении величины рекуперации тепла.

Такое сочетание теплоносителей в теплообменниках можно назвать ограничивающими. Они являются "узким местом" в рекуперации тепла в ТОС. Для увеличения потенциала рекуперации тепла, преодолев ограничение, наложенное ограничивающими сочетаниями теплоносителей в теплообменниках, необходимо переобвязывать теплообменники, добавлять новые сочетания теплоносителей или осуществлять расщепление потоков.

Основываясь на этом наблюдении, на стадии диагностики сначала идентифицируется "узкое место" ТОС, а затем, используя формулировки смешанного целочисленного линейного программирования (СЦЛП), определяется такая модификация, которая наилучшим образом позволяет преодолеть "узкое место".

Эта процедура повторяется до получения ряда перспективных топологических модификаций. На второй стадии (стадии оптимизации), ТОС, построенная реализацией избранных модификаций, оптимизируется с помощью методов нелинейного программирования для минимизации затрат на дополнительные поверхности теплообмена.

Сетевой пинч делает возможным автоматизированное проектирование с возможными интерактивными генерациями на разных стадиях проектирования и поиск для топологических изменений. Так как сетевой пинч не дает возможность установить целевое снижение энергопотребления или капитальных затрат при увеличении требуемой поверхности теплообмена, на стадии установления целей (постановки задачи) используется метод эффективности поверхности теплообмена при реконструкции ТОС, предложенный Тьё и Линнхоффом в работе [6].

Приложение Г	407

Г4.2. Ограничивающие сочетания теплоносителей и сетевой пинч

Ограничение рекуперации тепла зависит от минимальной разности температур между горячими и холодными потоками в ТОС. В случае реконструкции рекуперация тепла, достигаемая в существующей ТОС может быть повышена добавлением поверхности некоторых теплообменников и некоторым изменением топологии ТОС (на стадии диагностики).

Ограничивающими сочетаниями теплоносителей в ТОС можно считать сочетания горячих и холодных потоков при минимальной разности температур между ними, что приводит к максимуму рекуперации тепла (потенциал рекуперации) [9]. Сетевой пинч делит систему на сток тепла (недостаток тепла) и источник (избыток тепла), аналогично технологическому (процессному) пинчу. Разница между сетевым и технологическим пинчем заключается в том, что сетевой пинч является характеристикой как технологических потоков, так и расположения теплообменников, в то время, как технологический пинч является характеристикой только технологических потоков.

Г4.3. Стадия оптимизации

Цель этой стадии состоит в оптимизации выбранной топологии или иной структуры путем достижения компромисса между затратами на дополнительную поверхность теплообмена и эффектом от энергосбережения. С другой стороны, на стадии оптимизации выбранного проекта нет изменений в расположении и числе теплообменников ТОС. Целью оптимизации, использованной в данном случае реконструкции, является максимизация потенциала рекуперации. Кроме того, на этой стадии тепловые нагрузки теплообменников ТОС рассматриваются как переменные величины, соответственно общая величина рекуперируемого тепла также рассматривается как величина переменная.

Г5. Сбор данных

Данная работа иллюстрирует процедуру, выполненную для реконструкции ТОС типовой установки каталитического крекинга, части нефтеперерабатывающего комплекса (рис. Г2). Теплообменники используются в узле главной ректификационной колонны и в газоулавливающей установке. Установка КК была спроектирована несколько лет назад с использованием обычных принципов проектирования.

Полученные данные о работе установки были введены в

моделирующую процесс программу HYSIMTM [12], в результате чего были

408	Приложение Г

получены хорошие результаты по изменению энтальпий потоков, основанные на температурах их входов и выходов. Во время моделирования процесса все необходимые допущения были приняты (более подробно об этом сказано в [16] с учетом установления правильного представления параметров в моделирующей программе HYSIMTM [12].

Г5.1. Сбор и представление данных

Полученные данные легли в основу применения пинч-анализа. Первым шагом в представлении данных был выбор горячих и холодных потоков, для которых должны быть идентифицированы входная температура (TS) и выходная температура (TT), изменение энтальпии ( H )

имассовая расходная теплоемкость (МСР), см. таблицу 1.

Вустановке каталитического крекинга множество теплообменников используется для теплообмена между технологическими потоками; четыре теплообменника (Н) используют пар низкого давления как энергоноситель, подводимый к системе извне (горячий утилит); один теплообменник (FH), использующий горючий газ как горячий утилит; два теплообменника для выработки пара среднего давления; ряд охладителей (С), использующих воду и воздух для отвода тепла от теплообменной системы (холодные утилиты) (рис. 4). В данном случае пар среднего давления рассматривается как холодный утилит, и число холодных потоков становится равным одиннадцати.

Тепловая нагрузка по горячим и холодным утилитам составляла 37,623 МВт и 91,195 МВт соответственно, она была получена из имеющихся данных для каждого нагревателя и охладителя в существующей теплообменной системе. Значения коэффициентов теплопередачи аппроксимировались на основе данных, приведенных в литературе [13, 14, 15].

Г5.2. Стоимостные данные

Для утилитов были предоставлены следующие приведенные затраты:

−стоимость охлаждающей воды = 9,49 долл. США/кВт·год

−стоимость воздушного охлаждения = 8,54 долл. США/кВт·год

−стоимость горючего газа = 82,50 долл. США/кВт·год

−стоимость пара низкого давления = 126,50 долл. США/кВт·год

−стоимость пара среднего давления = 155,60 долл. США/кВт·год Так как горючий газ и пар низкого давления являются

единственными энергоносителями, подводимыми к процессу, приведенные затраты на горячие утилиты составляют приблизительно 111 долл. США/кВт·год, основываясь на коэффициенте использования этих двух горячих утилитов. Эта величина использовалась во время постановки

Приложение Г	409

348 °C

H1

348 °C

H2

237 °C

H3

179 °C H4

159 °C H5

104 °C

H6

78 °C

H7

67 °C

H8

48 °C

H9

44 °C

H10

170 °C

H11

197 °C

H12

143 °C

H13

68 °C

H14 58 °C

H15

51.4 °C

H16

51 °C

H17

60 °C

H18

51.5 °C

H19

51.5 °C

H20

49.8 °C

H21

62 °C

H22

294 °C

98°C 13001.7

54 °C

137 °C

196 °C

60 °C

111 °C

60.33 °C

61.7 °C

°

51.77 °C

199 °C

180.6 °C

FH

3951.5	2248.6	1431.5
5729.7	5181.6	7494.8
	H	5541.28
	H	8208.94
1492.1	1492.1

239 °C

60

°

C

C

214 °C

1343.0

134 °C

60 C

C

°

°

2144.7

°

94.9

59

C

C

2641.4

47

C

C

°

23556.3

38

C

C

°

4774.97

38

C

C

°

7005.23

38

C

C 663.36

°

38

C

C

°

465.05

93.7 °C

38

°

C

C

°

5631.2

143 °C

96.02 C

°

C

38 C

2120.17

57 C

C

°

15433.53

38

C

C

°

435.9 51.2

C

C

°

5328.22

38 C

C

°

205.57

38

°

C

C

51.4

C

77.78

°

C

10146.38

°

49.8

C

C

9024.7

38

°

C

C

94.44

C

38

C

°

102.78

80°C

C1

4719.7

55.4 C

°

C2

1716.5

38°C

C3

2060.2

°

105 C

C4

°

170 C

2970.5

38°C

C5

C6

471.6

110.4°C

C7

°

H

60.29 C

C8

10180.2

°

61.53 C

C9

°

H

51.68 C

C10

691. 39

80°C

C11

QCmin= 91195 кВт

QHmin= 37623 кВт

Рис. Г4 Существующая тепловая схема (ТОС).

задачи. Количество пара среднего давления держалось постоянным до и