Системный анализ установки ректификации этилового спирта как объекта теплоинтеграции

ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ

УДК66.65.001.56

Н. Н. Зиятдинов, И. И. Емельянов, Г. З. Баймухаметова, Л. К. Туен

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ УСТАНОВКИ РЕКТИФИКАЦИИ ЭТИЛОВОГО СПИРТА КАК ОБЪЕКТА ТЕПЛОИНТЕГРАЦИИ

Ключевые слова: системный анализ, ректификационные колонны, оптимальный синтез, рекуперация тепла, пинч-анализ,

универсальная моделирующая программа HYSYS.

Показано, что одним из наиболее эффективных путей снижения энергозатрат при ректификации этилового спирта является тепловая интеграция материально-тепловых потоков установки. Выявлены источники и стоки тепловой энергии, как необходимые условия для решения задачи теплоинтеграции потоков ректификационной установки. Построена компьютерная модель технологической установки ректификации этилового спирта в среде универсальной моделирующей программы HYSYS. С применением встроенного в программу инструмента Energy Analyzer проведен пинч-анализ технологической установки, как объекта теплоинтеграции, показавшее максимально возможное количество рекуперируемого тепла. Приведено описание идеи многоуровневого алгоритма оптимальной теплоинтеграции, лежащего в основе программного инструмента Energy Analyzer. На основе проведенных системных исследований, решена задача оптимального синтеза системы теплообмена. Реализация результатов решения задачи оптимальной теплоинтеграции потоков исследуемой установки позволит существенно сэкономить суммарные приведенные капитальные и эксплуатационные затраты.

Keywords: system analysis, distillation columns, optimal synthesis, heat integration, pinch analysis, universal modeling program HYSYS.

It is shown, that one of the most effective way of distillation of ethyl alcohol cost-cutting is material and heat streams integration. The sources and drains of heat streams have been identified as necessary conditions of solving the distillation plant heat flows integration. The computer model of ethyl alcohol distillation system has been built via universal modeling program Aspen HYSYS. Pinch-analysis of technological plant as an object of heat integration system used as a part of integrated Energy Analyzer tool has shown the maximum amount of heat recovered. The idea of multi-leveled algorithm of optimal heat integration used as Energy Analyzer tool basis has been shown. The task of optimal heat integration system synthesis has been solved through systematic research. The realization of the solution of optimal heat integration task could significantly reduce the summarized capital and operating costs of the researched plant.

Этиловый спирт нашел широкое распространение в различных отраслях промышленности и сфер человеческой деятельности: пищевой, косметической, химической, медицине, наземном и воздушном транспорте и др. Высокая энергоемкость процессов ректификации в производстве этилового спирта во многом определяет себестоимость спирта и ставит актуальную задачу поиска ресурсов энергосбережения. Источниками повышения энергоэффективности ректификационных установок являются [1] (в скобках указаны возможное снижение энергозатрат от применения перечисленных мероприятий):

1. Реконструкция и замена контактных устройств (5-10%);

2. Оптимизация режимов работы (10-30%): оптимизация флегмового числа, оптимизация давления;

3. Оптимизация технологической схемы (4060%): выбор оптимальных тарелок питания; выбор последовательности разделения исходной смеси;

4. Тепловая интеграция материально-тепловых потоков (40-60%).

Как следует из перечисленных мероприятий, наибольший эффект энергосбережения дает тепловая интеграция материально-тепловых потоков путем синтеза оптимальной системы теплообмена ректификационных установок. К настоящему времени получили развитие ряд подходов к решению задач синтеза систем теплообмена (СТО). Они могут быть

разделены на следующие три группы [2]: термодинамический подход, математическое программирование и стохастические методы. Эффективным методом термодинамического подхода является «пинч-анализ», который был предложен Линхоф-фом в 1983 году [3]. Несмотря на недостаток пинч-анализа, который связан с трудностью учета экономических аспектов задачи, безусловным преимуществом является то, что он отвечает на вопрос: сколько тепла можно рекуперировать на технологической установке. В настоящей статье с применением «пинч-анализа» будут проведены системные исследования установки ректификации этилового спирта как объекта теплоинтеграции. На основе проведенных исследований, с использованием встроенного в универсальную моделирующую программу (УМП) HYSYS [4] инструмента Energy Analyzer, будет решена задача оптимального синтеза системы теплообмена. В следующей статье, на основании проведенных исследований, нами будет решена задача одностадийной теплоинтеграции установки ректификации этилового спирта с использованием разработанного нами метода [5,6].

Технологическая схема включает 6 ректификационных колонн, кипятильники, конденсаторы, холодильники, нагреватели, насосы, сепараторы. Холодная бражка подогревается и поступает в браж-ную колонну К1. Сконденсированные пары бражной

колонны в виде бражного дистиллята подаются в эпюрационную колонну К2. В эпюрационной колонне происходит выделение головных примесей. На верхнюю тарелку эпюрационной колонны подается лютер спиртовой колонны. Пары эпюрацион-ной колонны конденсируются и отправляются на тарелку питания сивушной колонны К3. В эфирной колонне происходит концентрирование головных примесей. Эпюрат из куба эпюрационной колонны подогревается и поступает на тарелку питания спиртовой колонны К4. В спиртовой колонне происходит укрепление спирта и очистка его от хвостовых примесей и части головных примесей. Сивушная фракция отбирается из средней части колонны.

Спирт отбирается с верхних тарелок и направляется в колонну окончательной очистки К6. В колонне окончательной очистки К6 происходит очистка спирта от метанола и остатков головных примесей. Ректификованный спирт откачивается насосом из куба колонны. Производство спирта сопряжено с использование большого количества воды. Поэтому в некоторых колоннах для повышения качества разделения используется гидроселекция. Это позволяет минимизировать расход пара, увеличить концентрацию головных, хвостовых и промежуточных примесей, уменьшить концентрацию примесей в спирте.

Технический спирт

Рис. 1 - Упрощенная технологическая схема

Для решения поставленной задачи нами построена компьютерная модель установки ректификации этилового спирта в среде УМП. Hysys. УМП Hysys обладает широкими возможностями для решения задач анализа, синтеза, оптимизации как отдельных аппаратов химической технологии, так и химико-технологических систем в целом, включая стационарные и динамические режимы. УМП Hysys включает обширный набор строгих (основанных на законах сохранения массы, энергии, импульса) математических моделей аппаратов химической технологии, базу термодинамических данных опорных констант чистых компонентов, методы расчета термодинамических и физико-химических свойств веществ и их смесей, методов решения системы нелинейных уравнений (к которым сводится расчет материально-теплового баланса замкнутой ХТС), методы оптимизации, предназначенные для поиска оптимальных режимов работы и оптимальных конструктивных параметров как отдельных элементов ХТС, так и ХТС в целом и т.д. Безусловным преимуществом УМП Hysys является наличие в ней программы Energy Analyzer, предназначенной для проведения пинч-анализа.

установки ректификации этилового спирта

Математическая модель технологической схемы, представленной на Рис. 1, построена в среде УМП Hysys. Она включает строгие модели потарелочного расчета ректификационных колонн «Distillation Col-umn», взвешенные модели теплообменников, холодильников и нагревателей «Heat Exchanger: Simple Weighted». Для расчета парожидкостного равновесия и энтальпии разделяемых смесей использованы методы NRTL и Cavett, соответственно.

Рассматриваемая технологическая схема является замкнутой по материально-тепловым потокам. Для ее расчета с использованием последовательного модульного подхода был проведен структурный анализ схемы, позволивший определить последовательность расчета элементов схемы. Для расчета МТБ замкнутой схемы был использован метод Wegstein. Материально-тепловой баланс установки рассчитывался в соответствии с требованиями на качество получаемых целевых и побочных продуктов и при значениях режимных параметров принятых в соответствии с регламентом. В результате анализа МТБ выделены холодные и горячие потоки, которые представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Горячие и холодные потоки, входные и выходные температуры СТО, отнимаемое и получаемое количество теплоты

Номер холодного потока Количество получаемого тепла, AQj, ккал/ч Входная температура, °C Выходная температура, °C Номер горячего потока Количество отнимаемого тепла, AQh, ккал/ч Входная температура, °C Выходная температура, °C

Sc Ü1 4500000 86,4 86,7 Sh 471985 147,2 130

Sc 2 3314990 144,3 147 Sh 2 2215890 150,4 147,1

Sc 5655000 129,3 129,3 Sh 3 6025990 98,7 98,7

S 820000 104,1 104,2 Sh 4 747948 77,4 77,1

S5C 715500 91 94,1 Sh 5 679082 77,2 77,1

S 1650000 58,3 58,5 Sh 1686260 41,6 41,4

S7C 1449940 25 60 Sh 7 767777 147,2 134

80009,8 64,2 74,3 Sh 8 66478,3 98,9 75

Sh 9 3553150 74,3 64,1

Sh ^10 119363 77,4 74,7

Sh Ü11 7949,81 98,7 95

Под горячими/холодными понимаются потоки, которые необходимо охладить/нагреть до заданных температур. Из таблицы следует, что потоки характеризуются различным энергетическим потенциалом. Совместный анализ температур горячих и холодных потоков показывает наличие в ряде случаев достаточной движущей силы способной обеспечить эффективный теплообмен. Следовательно, тепловая интеграция этих потоков позволит сократить тепловые затраты от использования внешних теплоносителей.

Отличительной особенностью систем теплообмена в ректификационных установках, является то, что многие потоки СТО меняют свое агрегатное состояние. Поэтому при решении задачи теплоинте-грации потоков в СРК в качестве исходных данных при построении оптимальных СТО следует использовать количества теплоты передаваемые холодными и отбираемые от горячих потоков. Эти данные определяются в результате расчета МТБ СРК без рекуперации. Очевидно, что при этом также должны быть известны выходные температуры горячих и холодных потоков. Таким образом, в каждой ректификационной колонне мы будем знать количество

тепла AQi , которое необходимо отобрать от горячего потока si сверху ьой РК, чтобы его конденсировать, и количество тепла AQj , которое необходимо передать холодному потоку Sj, рецирку-

лируемого в кубе /-ой РК, для его испарения. Кроме этого, в зависимости от температур потоков к числу горячих или холодных потоков могут относиться потоки питания колонн, боковые отборы колонн, некоторые продуктовые потоки и потоки, которые идут на утилизации.

На основе анализа материально-тепловых потоков с использованием Aspen Energy Analyzer была построена горячая и холодная композитные кривые (рис. 2). Область перекрытия композитных кривых показывает предельное количество теплоты, которое возможно рекуперировать.

Анализ установки выделения этилового спирта показал возможность рекуперации 11,9 Гкал/ч. Зона холодной составной кривой вне зоны перекрытия соответствует минимальному возможному количеству теплоты, подводимому в систему с горячими теплоносителями, и составляет 6,4 Гкал/ч. Зона горячей составной кривой вне области перекрытия определяет количество теплоты, отводимое от системы холодными теплоносителями, и равняется 4,5 Гкал/ч. При наличии нескольких горячих и холодных теплоносителей - строятся большие составные кривые [7]. Они определяют минимальный расход каждого типа теплоносителя (утилиты). Для простоты изложения будем использовать одну горячую и одну холодную утилиту.

При решении задач оптимального синтеза СТО используются несколько критериев оценки ее эффективности. К ним, прежде всего, относят приведенные суммарные капитальные и энергетические затраты, максимальное количество рекуперируемой энергии, минимальное число теплообменников, устойчивость к изменению входных переменных, определение оптимальной величины допустимой разности температур, наличие энергетических рециклов и т.д. На основе результатов пинч-анализа выделяется множество равноценных схем, которые анализируются с точки зрения их практической реализации. Температурно - энтальпийная диаграмма позволяет дать оценку максимально возможной рекуперации энергии, при исследуемом стационарном

режиме ХТС. Однако, это не гарантирует нахождение оптимальной СТО, хотя и позволяет приблизиться к глобальному оптимуму задачи. Сдвиг композитных кривых относительно друг друга до минимально допустимой разности температур по вертикали может привести к достаточно большому

числу теплообменников и делений потоков. Таким образом, рассматриваемая установка обладает большим потенциалом для энергосбережения за счет тепловой интеграции.

Рис. 2 - Энтальпийно-температурная диаграмма установки

Для решения задачи оптимальной теплоинтегра-ции этой установки используем один из эффективных подходов к решению задачи оптимального синтеза СТО, реализованный как встроенное средство УМП Hysys.

В основе используемого программного модуля Aspen Energy Analyzer используется комбинированный трехуровневый подход к оптимальному синтезу СТО. Он объединяет преимущества термодинамического и алгоритмического подходов. Исходными данными для решения задачи служат технологические потоки, внешние теплоносители, целевые температуры, тепловые нагрузки, коэффициенты теплоотдачи. На первом уровне алгоритма с использованием модели линейного программирования определяется оптимальная зона теплообмена и тепловая нагрузка на линии каждого теплоносителя. Цель этой оптимизации - устранение заведомо наихудших решений. Однако, используемая модель линейного программирования не учитывает число аппаратов теплообмена. Поэтому, на втором уровне с использованием модели частично-целочисленного линейного программирования [8] проводится одновременная оптимизация по числу теплообменников, площади поверхности теплообмена и количества теплоты, подводимого внешними энергоносителями. В этой модели пара теплообменников помещается между горячим потоком в каждом температурном интервале и холодным потоком во всех последующих температурных интервалах. Решается задача минимизации линейной функции суммарных приведенных затрат СТО с учетом ограничений теплового баланса. На третьем уровне с использованием второй модели частично-целочисленного программирования [9] определяется СТО, которая удовлетворяет оптимальному распределению тепловых нагрузок, полученных в результате решения на втором этапе. В этой модели строится суперструктура, предложенная в 1990 году профессорами Yее и Grossman. На рис. 3 представлен пример этой супер-

структуры для двух горячих и двух холодных потоков. В суперструктуре каждый поток разделяется на заданное число стадий. В каждой стадии теплообменник помещается на всех парах сочетаний потоков, определенных вторым уровнем алгоритма. Целевая функция минимизирует отклонение фактического распределения тепловой нагрузки теплооб-менной сети от нагрузки, найденной на втором шаге. При этом используется предположение, что любая теплообменная сеть, полученная из решения второй модели, соответствует распределению тепловых нагрузок первой модели, и находится вблизи оптимума. В постановке задачи оптимизации, для каждого теплообменника записываются ограничения по тепловому балансу и концевым разностям температур. Кроме того, задача дополняется ограничениями на деление потоков каждой стадии. В результате решения определяется тепловая нагрузка для каждого теплообменника на всех стадиях СТО. Теплообменники с нулевой нагрузкой не включаются в решение.

Полученная структура оптимальной СТО (рис. 4) включает 16 рекуперативных теплообменников (E01-E16), 7 холодильников (конденсаторов, COICO?) и 3 нагревателя (кипятильника, B01-B03). Количество рекуперируемой энергии составляет 11,8 Гкал/ч.

Однако, такой подход обладает рядом недостатков. Перечислим некоторые из них. Во-первых, поскольку он основан на разбиении зоны перекрытия композитных кривых на температурные интервалы, он не позволяет учесть фазовые переходы. Во-вторых, не учитывается возможность внедрения контуров с тепловыми насосами и турбогенераторами. Очевидно, что наличие альтернативных способов организации теплообмена расширяет область поиска оптимальной СТО. Отметим, что отдельной проблемой является автоматизация процедуры реконструкции существующей СТО.

sh

i i i i

i 1

sh h

Стадия 1

'i rhi 'Ч i I i

i i

Tc I

2,1 I

Th i 2,1 I I I I I I

Стадия 2

©

1-31 "

T

2,3I

SC S"

S. S-,

a

Рис. 3 -Суперструктура многостадийной СТО

Л Чй ии W

J к

30--

SA--

ш V

7

Т,

S

Г

2,2

Т.

2,2

у:

2,3

Рис. 4 - Структура СТО, полученная в результате решения задачи оптимального синтеза термодинамико-алгоритмическим методом

На примере установки ректификации этилового граммного модуля Aspen Energy Analyzer универ-

спирта показаны возможности использования про- сальной моделирующей программы Hysys для ре-

135

шения задачи энергетического анализа и синтеза оптимальной системы теплообмена. С использованием встроенного метода комбинированного интегрального синтеза оптимального системы теплообмена получена структура обеспечивающая сокращение суммарных приведенных капитальных и эксплуатационных затрат на 68%;

Литература

1. Лаптев А.Г. Эффективность тепломассообмена и разделения гетерогенных сред в аппаратах нефтегазохими-ческого комплекса: монография / А.Г. Лаптев, М.М. Башаров. -Казань: Центр инновационных технологий, 2016. -344 с.

2. Klemes JJ, Kravanja Z. Forty years of heat integration: pinch analysis (PA) and mathematical programming (MP). Current Opinion in Chemical Engineering, 2013: 2(4):461-474.

3. Linnhoff B, Hindmarsh E. The pinch design method of heat exchanger networks. Chem. Eng. Sci., 1983; 38(5): 745-763.

4. Электронный ресурс:

http://www.aspentech.com/products/aspen-hysys.

5. G. M. Ostrovskii, N. N. Ziyatdinov, and I. I. Emel'yanov, Synthesis of Optimal Systems of Simple Distillation Columns with Heat Recovery // Doklady Chemistry. - 2015. -V. 461, No. 2, pp. 89-92.

6. Ziyatdinov N.N., Ostrovskii G.M., Emel'yanov I.I. Designing a Heat-Exchange System upon the Reconstruction and Synthesis of Optimal Systems of Distillation Columns // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2016. Vol. 50. No. 2. P. 178-187.

7. Linnhoff, B., Townsend, D.W., Boland, D., Hewitt, G.F., Thomas, B.E.A., Guy, A.R., Marsland, R.H., A User Guide on Process Integration for the Efficient use of Energy, IChemE England, 1982.

8. Shethna, H.K., Jezowski, J., & Castillo, F.J.L., A New Methodology for Simultaneous Optimization of Capital and Operating Cost Targets in Heat Exchanger Network Design, Applied Thermal Engineering, 20, 1577-1587, 2000.

9. Yee, T.F. & Grossmann, I.E., Simultaneous Optimization Models for Heat Integration - II. Heat Exchanger Network Synthesis, Comp. Chem. Engng., 14(10), 1165-1184, 1990.

© Н. Н. Зиятдинов - д.т.н., проф., зав. каф. системотехники КНИТУ, nnziat@yandex.ru; И. И. Емельянов - ассистент каф. системотехники КНИТУ ilyaemelyan@gmail.com; Г. З. Баймухаметова - студент каф. системотехники КНИТУ, gylshat95@mail.ru, Л. К. Туен - аспирант каф. системотехники КНИТУ, tuyenlequangpt@gmail.com.

© N. N. Ziyatdinov - Full Professor, Doctor of Sciences in Engineering, Chair of Process System Engineering Department, KNRTU, nnziat@yandex.ru; 1 I. Emelyanov -Senior Lecturer, Process System Engineering Department, KNRTU, ilyaemelyan@gmail.com; G. Z. Baymukhametova - student, Process System Engineering Department, KNRTU, gylshat95@mail.ru; L. Q. Tuyen - graduate student, Process System Engineering Department, KNRTU, tuyenlequangpt@gmail.com.