Энерго- и ресурсосберегающие модернизации промышленных установок на предприятиях нефтегазохимического комплекса

Лаптев А.Г. , Фарахов М.И. , Минеев Н.Г.

ЭНЕРГО - И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ МОДЕРНИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВОК НА ПРЕДПРИЯТИЯХ НЕФТЕГАЗОХИМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Рассмотрены проблемы и задачи по модернизации колонного и сепарационного оборудования на предприятиях нефтегазохимического комплекса. Отмечена особая роль отечественных разработок в решении задач повышения эффективности процессов и аппаратов. Дано краткое описание научно-технических разработок ИВЦ «Инжехим», выполненных совместно Казанскими государственными энергетическим и технологическим университетами и внедренных в промышленности.

Ключевые слова: колонное оборудование, сепарационное оборудование, насадки, математическое моделирование, тепломассообменные процессы.

Поставленная Президентом и Правительством РФ проблема по модернизации экономики и промышленности предполагает повышение качества выпускаемой продукции, снижение энергозатрат и экологическую безопасность производств. На предприятиях нефтегазохимического и топливно-энергетического комплекса большинство действующего оборудования проектировалось и вводилось в эксплуатацию в 60-80 гг. прошлого столетия. За прошедшие 2 года изменились рыночные отношения, сырьевая база, требования к качеству продукции и энергоресурсосбережению. С начала ХХ1-го столетия задачи модернизации и проектирования нового оборудования стали все более интенсивно решаться с привлечением зарубежных и отечественных научных, проектных и производственных фирм. Особенно ценными и перспективными являются случаи, когда одна фирма сочетает в себе эффективные решения всех перечисленных задач.

Следует согласиться, что большинство научных организаций (вузы, НИИ, КБ и т.д.) не в состоянии выполнять крупные проектные работы и тем более заниматься изготовлением собственных научно-технических разработок (нестандартных изделий). Аналогично, проектные организации далеко не всегда способны к разработке наукоемких проектов, связанных с математическим моделированием, численными и экспериментальными исследованиями выбранных новых технических решений. Тем более, промышленные предприятия, специализирующиеся на выпуске оборудования для нефтехимии, изготавливают стандартные изделия на

протяжении многих лет. Таким образом, существующий разрыв между фундаментальными и прикладными исследованиями, проектировщиками и изготовителями оборудования затрудняет быстрое внедрение высокоэффективных технологий и аппаратов. Ситуация осложняется еще и тем, что некоторые зарубежные поставщики оборудования первоначально искусственно занижают цены, участвуя в тендерах, чтобы максимально убрать с рынка отечественную науку и производителей. Кроме этого, качество такого оборудования, особенно поставляемого из развивающихся стран, часто ниже отечественного. Для поддержки отечественных научнопроизводственных и внедренческих фирм нужна законодательная база, обеспечивающая приоритет в решении наукоемких инновационных проектов с внедрением собственных разработок в промышленность.

Решением задач модернизации оборудования в нефтегазохимическом комплексе активно занимается инженерно-внедренческий центр «Инжехим» (инженерная химия), который образован и работает с 1991 года. В его состав входят профессора, доценты, аспиранты и научнотехнические работники ряда ведущих вузов г. Казани. Имеется собственное производство по изготовлению инновационных научно-технических разработок (контактных устройств тепломассообменных аппаратов, сепарирующих элементов аппаратов очистки газов и жидкостей и другого оборудования).

Одним из приоритетных направлений деятельности ИВЦ «Инже-хим» является разработка и внедрение высокоэффективных регулярных и нерегулярных насадок для колонных аппаратов, а также барботажных тарелок. Предпроектные расчеты промышленных аппаратов выполняются по математическим моделям тепломассообменных процессов, разработанных авторами представленных ниже монографий.

Дьяконов С.Г., Елизаров В.И., Лаптев А.Г. Теоретические основы и моделирование процессов разделения веществ. Казань: Изд-во Казанского ун-та, 1993. 437с.

Разработана методология сопряженного физического и математического моделирования промышленных аппаратов химической технологии, основанная на представлении физического процесса в виде совокупности элементарных явлений, обладающих иерархией масштабов, математическая структура которых инвариантна к взаимо-

K Г. Homw

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ

действию и масштабу аппарата. Постулируется параметрическое взаимодействие явлений, сопряжение их осуществляется на основе вариационной формулировки законов сохранения, что позволяет решить задачу масштабного перехода при проектировании массо- и теплообменных аппаратов.

Получены оригинальные математические модели массотеплопереноса для барботажных, струйных, вихревых, пленочных и других аппаратов разделения жидких и газовых (паровых) смесей. Предложенные модели могут быть использованы при диагностике, управлении и проектировании, а также реконструкции массообменных аппаратов.

Лаптев А.Г. Модели пограничного слоя и расчет тепломассообменных процессов. Казань: Изд-во Казан унта, 2007. 500с.

Рассмотрены процессы переноса импульса, массы и энергии в ламинарных и турбулентных пограничных слоях в рабочих зонах тепло- и массообменных аппаратов. Для математического описания данных процессов использованы различные модели (Прандтля, Кармана, Ландау - Левича и др.), а также гидродинамическая аналогия, обобщенная на градиентные течения.

Основное внимание сосредоточено на пограничных слоях на поверхности раздела двухфазных сред (газ (пар) - жидкость, жидкость -жидкость). Даны уравнения для расчета коэффициентов тепло- и массо-отдачи при различных условиях взаимодействия фаз в тепло- и массообменных аппаратах, показаны примеры расчета и сравнение с опытными данными. Для расчета эффективности тепло- и массопереноса в промышленных аппаратах (насадочные, тарельчатые, вибрационные, градирни и др.) рассмотрены математические модели с использованием систем дифференциальных уравнений в частных производных. Даны результаты расчета и рассмотрены способы повышения эффективности тепломассообменных процессов.

Лаптев А.Г. Модели переноса и эффективность жидкостной экстракции. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2005. 29с. (Models of carrying over and efficiency liquid extraction).

Рассмотрены задачи математического моделирования процессов переноса импульса и массы в двухфазных системах жидкость - жидкость. Представлены основные закономерности гидродинамики и массообмена при

А.ГЛАЛТЕВ

МОДЕЛИ ПЕРЕНОСА И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЖИДКОСТНОЙ ЭКСТРАКЦИИ

жидкостной экстракции в колонных аппаратах. Даны уравнения для расчета коэффициентов массоотдачи в сплошной и дисперсной фазах, полученные на основе использования гидродинамической аналогии и модели диффузионного пограничного слоя.

Представлена модель многоскоростного континуума для расчета полей скоростей и концентраций в колонных экстракторах с ситчатыми тарелками и виброэкстракторах с насадкой ГИАП. Даны результаты расчета эффективности промышленных экстракторов и варианты модернизации аппаратурного оформления.

Сотрудниками ИВЦ «Инжехим» разработано и исследовано более десяти различных конструкций контактных устройств для модернизации колонного оборудования при проведении процессов ректификации и абсорбции (хемосорбции) различных смесей. Насадки «Инжехим» внедрены в нескольких десятках массообменных аппаратах и газосепараторах. Например, за последние несколько лет: ректификационная колонна выделения фенола (2007 г.); две ректификационные колонны выделения гексена (2008 г.); пять ректификационных и две абсорбционные колонны получения формальдегида и изопрена-мономера (2006-2009 гг.); две абсорбционные колонны в производстве бутилкаучука (2008 г.); две колонны водной отмывки и охлаждения пирогаза (2008 г.); колонны получения товарного диоксида углерода (2007-2008 гг.); четыре ректификационные колонны разделения этанолами-нов (2006 г.).

Результатами выполненных модернизаций является повышение качества продукции, увеличение производительности и снижение удельных энергозатрат. Так, например, в производстве фенола снижены энергозатраты на ректификацию (по греющему пару) на 40%, а в производстве этаноламинов более чем в два раза. При этом повышено качество продукции до мирового уровня.

Результаты исследований и внедрений научно-технических разработок даны в следующих монографиях.

Лаптев А.Г., Фарахов М.И., Минеев Н.Г. Основы расчета и модернизация тепломассообменных установок в нефтехимии. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2010. 574с.

Рассмотрены теоретические основы расчета при проектировании или модернизации промышленных установок разделения углеводородных смесей. Приводятся основные

расчетные формулы гидравлических и тепломассообменных характеристик контактных устройств. Представлены конструкции тарельчатых и насадочных контактных устройств колонных аппаратов и методы расчета эффективности тепло- и массообменных процессов. Даны конструкции новых контактных устройств и результаты экспериментальных исследований гидравлических и массообменных характеристик. Показаны примеры модернизации промышленных ректификационных колонн, насадочных абсорберов и других тепломассообменных аппаратов, внедренных на предприятиях нефтехимии.

Лаптев А.Г., Минеев Н.Г., Мальковский П.А. Проектирование и модернизация аппаратов разделения в нефте- и газопереработке. Казань: Печатный двор, 2002. 250 с. (Designing and modernization of devices of division in oil distillation and gas-transfering).

Описаны процессы разделения углеводородных смесей в тарельчатых и насадочных колоннах. Приводятся технологические схемы и аппаратурное оформление данных процессов. Даны математические модели и алгоритмы расчета ректификационных колонн с массообменными тарелками и абсорберов с различными типами насадок.

Модернизация массообменных аппаратов рассмотрена на примерах установок разделения углеводородных смесей Сургутского ЗСК; колонны щелочной очистки пирогаза в производстве этилена и ректификационной колонны в производстве изопрена.

Ясавеев Х.Н., Лаптев А.Г., Фарахов М.И. Модернизация установок переработки углеводородных смесей. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2004. 307 с.

Решены задачи расчета и модернизации промышленных установок разделения и переработки углеводородного сырья. Представлены математические модели для определения эффективности разделения смесей в тарельчатых и насадоч-ных колоннах. Особое внимание сосредоточено на проблемах энергосбережения и повышения эффективности процесса ректификации. Дан обзор конструкций современных насадок и тарелок. Приведены результаты экспериментальных исследований новых насадок. Рассмотрены конкретные примеры модернизации технологических установок на Сургутском ЗСК и разработки мини - ТЭЦ.

МОДЕРНИЗАЦИЯ УСТАНОВОК ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СМЕСЕЙ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕРНИЗАЦИЯ

АППАРАТОВ РАЗДЕЛОМ I ж*»- n гАюдааоотк

В ИВЦ «Инжехим» большой объем НИОКР связан с математическим моделированием процессов очистки газов и жидкостей от дисперсной фазы, разработкой и внедрением аппаратов газо- и водоочистки. Результаты исследований и внедрений научно-технических разработок представлены в нижеследующих монографиях.

Лаптев А.Г., Фарахов М.И. Гидромеханические процессы в нефтехимии и энергетике. Казань: Изд-во Ка-занск. ун-та, 2008. 729с.

Рассмотрены теоретические основы гидромеханики одно- и многофазных систем. Приводятся сведения по гидродинамике и теории пограничного слоя, очистке газов и жидкостей от дисперсной фазы. Даны конструкции аппаратов, методы и примеры расчетов (отстойников, фильтров, центрифуг, сепараторов, флотаторов, смесителей и т.д.). Представлены оригинальные конструкции сепарирующих элементов и распределителей фаз.

Представлены математические модели процессов разделения эмульсий в отстойниках, полей скоростей и брызгоуноса на барботажных тарелках, полей скоростей в ситчатых экстракторах. Приведены результаты численного исследования процессов в промышленных аппаратах. Даны рекомендации по аппаратурному оформлению процессов.

Лаптев А.Г., Фарахов М.И. Разделение гетерогенных систем в насадочных аппаратах. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2006. 342с.

В монографии рассматриваются характеристики и свойства аэрозолей (туманов) и других газовых выбросов в промышленности. Представлены механизмы и математические модели физической коагуляции аэрозолей и осаждения дисперсной фазы в газах и жидкостях. Более подробно рассмотрен энергетический метод улавливания мелких частиц и вероятностно-стохастическая модель. Разработан новый метод определения скорости сепарации аэрозолей. Представлены выражения для расчета эффективности сепарации аэрозолей в аппаратах с насадочными элементами.

Решаются производственные задачи по очистке газов и жидкостей от дисперсной фазы на установках газоразделения в производстве этилена. Показаны примеры энергосбережения на промышленных установках

А.Г. ПДПТМ.МИ.»

РАЗДЕЛЕНИЕ

ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ

В НАСАДОЧНЫХ АППАРАТАХ

KiiSj

за счет очистки газов от дисперсной фазы. Даны конструкции новых аппаратов-сепараторов и отстойников и варианты модернизации существующих.

Представлены результаты численного исследования полей скоростей в отстойниках и сравнение с физическим моделированием. Рассмотрены задачи очистки жидкостей от тяжелых и плавающих дисперсных частиц в отстойниках с сепарирующими элементами. Решена производственная задача по очистке нефтяных топлив от водной фазы, приводящая к энергосбережению при разделении углеводородных смесей.

Фарахов М.И., Лаптев А.Г., Афанасьев И.П. Сепарация дисперсной фазы из жидких углеводородных смесей в нефтепереработке и энергосбережение. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2005. 134 с.

Рассмотрены углеводородные смеси с элементами дисперсной фазы, образующиеся в процессах нефтегазопереработки и их влияние на эффективность работы промышленных установок. Кратко изложены способы очистки нефтепродуктов от водной фазы и твердых веществ. Основное внимание уделяется конструкциям и методам расчета тонкослойных отстойников. Даны результаты физического и математического моделирования работы отстойников. Сделан эксергетический анализ работы установки разделения ШФЛУ и рассмотрены способы повышения ее эффективности за счет сепарации дисперсной фазы из углеводородных смесей. Показаны примеры модернизации промышленных отстойников на Сургутском ЗСК, приводящие к повышению качества нефтяных топлив и энергосбережению при их получении.

Лаптев А.Г., Фарахов М.И., Миндубаев Р.Ф. Очистка газов от аэрозольных частиц сепараторами с насадками. Казань: Издательство «Печатный двор», 2003. 120 с.

Даны характеристики и свойства аэрозолей (туманов) и других газовых выбросов в промышленности. Представлены механизмы и математические модели физической коагуляции аэрозолей. Более подробно рассмотрен энергетический метод улавливания мелких частиц и вероятностно-стохастическая модель. Раз-

ОЧИСТКА ГАЗОВ ОТ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ СЕПАРАТОРАМИ С НАСАДКАМИ

єіііріііі аісигемі фіш и 1ІДІШ УГНВВДОРІЛІЬІІ емісії ІІЕФТІКМГІІІШ

sairrtciiriauit

работан новый метод определения скорости сепарации аэрозолей в аппаратах с насадками.

Решена производственная задача по очистке этилена-хладогента от масляного тумана на установке газоразделения в производстве этилена. Дана конструкция нового аппарата с насадочными элементами.

Алексеев Д.В., Николаев Н.А., Лаптев А.Г. Комплексная очистка стоков промышленных предприятий методом струйной флотации. Казань: Казан. гос. технолог. ун-т, 2005. 156 с.

В монографии изложена методология очистки стоков промышленных предприятий от нерастворимых твёрдых и жидких взвесей. Среди существующих методов очистки наибольшее внимание уделяется перспективному флотационному методу очистки стоков. Рассмотрены теоретические основы процесса флотации, аппаратурное оформление различных способов флотационной очистки, произведена оценка энергетических затрат. Предложены новые конструкции струйных флотационных аппаратов, методика их расчёта и определения эффективности.

Лаптев А.Г., Ведьгаева И.А. Устройство и расчет промышленных градирен. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2004. 180 с.

Представлены типы и конструкции различных охладителей. Особое внимание уделено конструктивным особенностям градирен. Представлены математические модели испарительного охлаждения воды и основные методы расчетов градирен. Для решения проблемы масштабного перехода подробно рассмотрено применение модели многоскоростного континуума и полуэмпирической диффузионной модели для описания процессов переноса импульса, массы и тепла в промышленных градирнях с целью определения эффективности теплообмена с учетом неравномерности распределения воздушного потока. Для этого использован метод сопряженного физического и математического моделирования. Проведена диагностика процесса охлаждения воды в промышленных градирнях и предложены варианты модернизации.

Таким образом, более чем двадцатилетний опыт работы авторов с промышленными предприятиями показывает, что энергосберегающие модернизации действующих технологических установок путем оптими-

зации режимов и замены устаревших контактных устройств на новые высокоэффективные могут быть выполнены во время плановых капитальных ремонтов оборудования в течение 10-15 дней. При этом, как правило, сохраняется существующая технологическая схема установки с основным и вспомогательным оборудованием. Кроме отмеченных преимуществ отечественных научно-технических разработок также важными являются меньшая по сравнению с зарубежными аналогами стоимость, сроки изготовления и поставки, участие коллектива авторов во внедрении и опытнопромышленной эксплуатации.

В заключении можно отметить, что модернизацию технологических установок в большинстве случаев можно выполнить, опираясь на научнотехнический потенциал ВУЗов, научно-производственных фирм РФ и работников предприятий без привлечения зарубежных поставщиков оборудования.

Зарегистрирована 11.04.2011 г.