Реконструкция вакуумсоздающих систем отделения переработки отходов производства фенола-ацетона

УДК 621.522.3

Э. В. Осипов, С. И. Поникаров, Э. Ш. Теляков,

К. С. Садыков

РЕКОНСТРУКЦИЯ ВАКУУМСОЗДАЮЩИХ СИСТЕМ ОТДЕЛЕНИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ФЕНОЛА-АЦЕТОНА

Ключевые слова: реконструкция, ректификация, вакуумная колонна, вакуумсоздающая система, пароэжекторный насос, жидкостно-кольцевой вакуумный насос.

Разработана математическая модель, имитирующая работу отделения переработки отходов производства фенола-ацетона методом вакуумной ректификации. Модель идентифицирована по данным технологического обследования объекта. На основе математического моделирования процесса предложена схема реконструкции вакуумсоздающей системы отделения с использованием жидкостно-кольцевого вакуумного насоса. Обсуждены результаты реконструкции.

Keywords: reconstruction, rectification, vacuum column, vacuum system, steam jet ejector, liquid ring vacuum rump.

Mathematical model of recycling of production of phenol-acetone department by the method of vacuum rectification created. Model identified according to the technological survey data. On the basis of mathematical modeling of process the scheme of reconstruction of vacuum systems of department using liquid ring vacuum pump is presented. Debated results of reconstruction.

Постановка задачи исследования

Отделение по переработке отходов основного производства фенола-ацетона ОАО «Казаньоргсинтез» включает в себя узел переработки углеводородной фракции с целью извлечения из неё изопропилбензола (ИНЬ) и альфа-метилстирола (АМС). Данное производство включает в себя 6 ректификационных колонн, 5 из которых работают под вакуумом. Для создания и поддержания вакуума в данных ректификационных колоннах используются многоступенчатые пароэжекторные насосы (НЭНы).

Основным достоинством НЭНов является простота конструкции и удобство эксплуатации, однако одновременно им присущ и ряд существенных недостатков, основным из которых является низкая термодинамическая эффективность цикла сжатия в этих устройствах, а, следовательно, - большая энергоемкость. Кроме того, при конденсации рабочего агента в межступенчатых барометрических конденсаторах НЭНов происходит одновременно и конденсация дистиллятных компонентов из откачиваемого газа, а значит, имеет место смешение дистиллятных продуктов с конденсатом рабочего водяного пара. Но этой причине конденсат, отходящий из вакуумсоздающих систем, не годится для повторного использования в энергетических установках и сбрасывается на установки очистки химически загрязненных вод, что связано с дополнительными затратами. В качестве рабочего агента в НЭНах используется высокопотенциальный перегретый водяной пар, параметры которого (температура, давление, расход) и определяют остаточное давление, достигаемое насосом. Следует также отметить, что параметры технологического режима, в том числе и рабочее давление, поддерживаемое в вакуумных колоннах, на момент исследования существенно отличалось от значений, заложенных в проекте. Поэтому НЭНы работают не в расчетных режимах, что приводит к дополнительному снижению их эффективности.

Изложенные выше обстоятельства определили целесообразность реконструкции вакуумсоздающих систем (ВСС) всех вакуумных колонн отделения. Нри этом была поставлена задача замены НЭНов на новое поколение энергосберегающих и экологически чистых ВСС, которые позволили бы снизить эксплуатационные затраты на процесс создания и поддержания вакуума, а также уменьшить образование химзагрязнённых стоков. На сегодняшний день разработаны и внедрены в промышленности гидроциркуляционные ВСС

[1,2], в которых используются или одноступенчатые жидкостные эжекторы (ЖЭ), или жидкостнокольцевые вакуумные насосы (ЖКВН), причем в качестве рабочих жидкостей в обоих случаях используются дистилляты ректификационных колонн. Проведенный анализ [3] показывает, что в области создаваемого вакуума 50 мм Hg и выше ВСС на базе ЖКВН существенно выигрывают в плане эксплуатационных затрат как у НЭНов, так и у ВСС на базе ЖЭ. Аналогичный вывод можно сделать и относительно капитальных затрат, что достаточно важно, поскольку из за особенностей технологии ректификации под вакуумом необходимо предусматривать резервирование ВСС для обеспечения безопасности эксплуатации данных установок.

Обоснование инженерных решений по внедрению новых ВСС потребовало проведения специального исследования. Рассматриваемая установка представляет собой совокупность взаимодействующих и взаимовлияющих друг на друга узлов (аппаратов), связанных технологическими потоками, которая функционирует как единое целое, что позволяет рассматривать её как сложную химико-технологическую систему (СХТС). Основными элементами данной СХТС являются собственно вакуумные ректификационные колонны (ВК), конденсационные узлы (КУ), вакуумсоздающие системы (ВСС) и коммуникационные трубопроводы (ТН) между ВК и КУ и между КУ и ВСС. Трубопроводы оказывают существенное влияние на величину вакуума, достигаемого в РК, а значит и на свойства совокупной СХТС. Изучать отдельные элементы СХТС в отрыве от сопряженных элементов нельзя, поскольку система обладает свойством интегративности. В настоящее время исследование подобных систем наиболее эффективно проводится в средах специальных моделирующих систем, например, в среде Chem Cad,. предназначенной для моделирования самых разнообразных процессов и аппаратов химической технологии, в том числе и ректификационных систем.

Модель вакуумной ректификационной колонны

Работа ВК характеризуется поступлением в систему «газов натекания» - атмосферного воздуха, поскольку в любую вакуумируемую систему в том или ином количестве через микронеплотности (сварные швы, прокладочные соединения, уплотнения насосов и т.д.) будет поступать внешняя среда. Невзирая на относительно небольшое количество газов натекания, пренебрегать этим явлением в рассматриваемом случае нельзя, поскольку именно эти газы определяют нагрузку на эвакуационный узел (ВСС). Расчет расхода газов натекания производится из условия, что за период испытания оборудования на герметичность при рабочем давлении Pn повышение давления за определенный период времени не должно превышать заданного значения A:

<P^ = A

n

Тогда количество воздуха, натекающего в объект испытания за 1 час при допущении об изотермичности процесса испытания составит:

M A* Pn 273

AG = V * • * ^^—гЛ, кг/час

22,4 760 (273 + tu)’ v J

В уравнениях (1) и (2) Pk и Pn - давления в конце и начале периода испытаний соответственно, т - продолжительность испытания, AG - расход газов натекания, V -суммарный объем вакуумируемого оборудования, M - молекулярная масса воздуха, t u -

температура среды в период испытаний.

Вторым источником образования в системе неконденсируемых газов является термическое разложение кубового продукта. Этот процесс определяется температурой нагрева кубового продукта и, следовательно, - также зависит от давления в ректификационной системе.

Расчетная математическая модель ВК, синтезированная с учетом вышеприведенных положений в среде Chem Cad, представлена на рис.1.

Рис. 1 - Расчетная схема вакуумной ректификационной колонны с конденсационным узлом и с транспортными коммуникациями

В расчётной схеме поток 2 (потоки выделены прямоугольными рамками) характеризует газы натекания, расход которых поддерживается контроллером 9 (аппараты выделены круглыми рамками) в соответствии с уравнениями (1) - (2). Газы разложения (поток 4) формируются реактором 3 в соответствии с температурой и давлением, складывающимися в кубовом испарителе 2 вакуумной колонны 1. Настроечные параметры реактора 3 задаются в соответствии с кинетическим уравнением реакции деструкции (предполагается известным). Модуль расчета ректификационной колонны 1 позволяет учитывать гидравлическое сопротивление контактных устройств (КУ) (задается их тип). Задание характеристик транспортных трубопроводов 4 и 7 (геометрия), позволяет рассчитывать их гидравлические сопротивления. Парциальный конденсатор 5 определяет выход несконденсированных газов. Делитель 6 формирует расходы потоков флегмового орошения и дистиллята (задаются по данным предварительных расчетов или технологического регламента). Модуль 8 передает соответствующий поток парогазовой смеси (111 С) на расчет ВСС.

Модель вакуумсоздающей системы

Характеристика ЖКВН выдается заводами изготовителями машин в виде зависимости РЬс - О (развиваемый вакуум - расход откачиваемого газа). Данная характеристика выдается

только для системы воздух (откачиваемая среда) - вода (рабочая жидкость) и не может быть непосредственно использована для реальных рабочих условий работы гидроциркуляционных систем на базе ЖКВН. В рассматриваемом случае ЖКВН откачивает ПГС, образованную несконденсированными газами (газы натекания + газы разложения), насыщенными дистиллятными компонентами в подсистеме конденсации дистиллятных паров, а в качестве рабочей жидкости используется дистиллят ВК или жидкость, имеющая термодинамическое сродство с дистиллятом. В ЖКВН протекают сложные массо - теплообменные процессы между рабочей жидкостью и откачиваемым газом. Кроме того, работа ЖКВН характеризуется наличием перетечек газа между полостями нагнетания и всасывания насоса.

На основании ранее проведенных исследований [2] паспортная характеристика ЖКВН, полученная на системе воздух вода, может быть приведена к виду:

О

где 0(є), 00(є), и 0ГЄ2(є) - расход откачиваемого газа, нормированный расход и расход циркулирующего газа (являются функциями текущей степени сжатия) соответственно, р(р,м) поправочная функция, учитывающая влияние плотности и вязкости рабочей жидкости на характеристику ЖКВН. В соответствии с разработанным алгоритмом все функции для заданного насоса могут быть определены в явном виде из его рабочей характеристики, выдаваемой заводом - изготовителем для системы вода - воздух. Уравнение (3) позволяет синтезировать математическую модель ЖКВН в среде СИешСаё (рис. 2).

Рис. 2 - Расчётная схема ВСС на базе ЖКВН

В расчетной схеме модули 12 и 18 моделируют условия во всасывающей и нагнетательной полостях насоса соответственно. Во всасывающую полость поступают: поток откачиваемой ПГС (11 - передается из модуля расчета РК); поток рециркулирующего газа (24) из полости нагнетания (формируется контролером 14 в соответствии с заданной функцией Grez (s)) и поток охлажденной рабочей жидкости (задается по характеристике ЖКВН). Из полости нагнетания отводятся потоки выхлопного газа (26) и жидкий поток конденсата (28).

Совокупная модель СХТС

Разработанные модули позволили синтезировать в среде Chem Cad общую модель исследуемого объекта (рис. З). Модули ректификационных колонн и ВСС на схеме представлены в упрощенном виде.

Рис. З - Расчетная схема реконструкции цеха переработки отходов производства фенола и ацетона (Chem Cad): 1 - ректификационные колонны; 2 - дефлегматоры; 3 -жидкостно-кольцевой вакуумный насос; 4 - сепаратор газ - жидкость; 5 - теплообменник для охлаждения рабочей жидкости ЖКВН; 6 - предвключенный паровой эжектор; 7 -конденсатор; I - несконденсированные пары; II - дистиллят; III - флегма; IV -углеводородный газ (выхлоп); V - отводимая углеводородная фаза (балансовый избыток); VI - рабочая жидкость; VII - оборотная вода; VIII - водяной пар; IX -сконденсированные водяные пары

Анализ показателей функционирования объекта

Для выработки рекомендаций по реконструкции отделения было проведено обследование существующих режимов работы ректификационных колонн К-4, К-31, К-37, К-48 и К-58.

Цели обследования:

• определение термодинамических параметров состояния потоков откачиваемого газа (давление, температура, состав) на входе в существующие ВСС;

• сбор информации о характеристиках работающих ПЭНов (марка, производительность, расчетное и рабочее давление, характеристики, расход рабочего пара и т.д.);

• определение параметров технологического режима работы конденсационной аппаратуры;

• сбор информации о физико-химических свойствах индивидуальных компонентов откачиваемого газа.

Основное значение при обследовании придавалось измерению профилей температур и давлений по тракту движения откачиваемых газов от ректификационной колонны до ВСС. Эти измерения относятся к наиболее точным и информативным, поскольку именно данные параметры состояния системы определят условия формирования парожидкостного равновесия в конденсационных узлах установки. При этом точки отбора давления выбирались, по возможности, ближе к месту выхода парогазовой смеси из ректификационной колонны (шлемовая линия), из узлов дефлегмации и от места входа ПГС во всасывающий патрубок ПЭНа. Места измерения анализируемых параметров согласовывались с техническими службами завода. Измерения давления проводились образцовым вакуумметром, который был подвергнут метрологической поверке и отвечал требованиям по точности измерения. Замеренные параметры сравнивались с данными технологических регламентов и показаниями стационарных измерительных приборов (производственных). Остаточное давление, развиваемое конкретным ПЭНом, зависит от расхода ПГС и определяется характеристикой Р (давление) - 0 (расход). Характеристики ПЭНов принимались по проектным данным, имеющимся на заводе. Дополнительная информация была получена из каталогов на пароэжекторное оборудование. Результаты обследования представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты обследования технологического объекта

Номер колонны Давление в шлемовой линии, мм.рт.ст. Температура о/ч конденсации, С Расход газов натекания, кг/час

К-4 14 40 3,21

К-58 22 35 4,6

К-37 65 45 3,95

К-48 100 55 2,18

К-31 Более 100 70 2,58

Сравнивая данные обследования, представленные в табл. 1, с паспортными

характеристиками ПЭНов можно сделать вывод, что ВСС колонн К-31 и К-48 работают в области перегрузки [4], что объясняется высокой температурой конденсации конденсационного блока.

Идентификация математических моделей ВК

Поскольку в условия обследования каждая ВК работала с отдельным ПЭНом, идентификация математических моделей колонн проводилась по отдельности. В качестве входных параметров каждой модели ВК были приняты сырьевые потоки. Для этого в модели с использованием данных обследования были закреплены расходы, составы и температуры каждого из потоков. В качестве внутренних параметров было принято давление верха ВК и значение флегмового числа. Эти данные, а также некоторые другие показатели технологического режима, были приняты по усредненным производственным данным (режимные листы). В качестве настоечных параметров модели выступали числа тарелок по секциям ВК (подбирались) и расход газов натекания, который и определяет расход несконденсированной ПГС.

Непосредственное измерение расхода и состава откачиваемой ПГС на действующих установках практически неосуществимо. Поэтому этот параметр определялся на основе численного эксперимента. Процесс термического разложения кубовых продуктов в ректификационных колоннах для рассматриваемых смесей нехарактерен. Поэтому в процедуре идентификации совокупной математической модели реактор 3 в модели ВК был отключен, а процесс формирования несконденсированных газов был выполнен только за счет газов натекания. Для первого приближения проводился расчет поступления в колонну газов натекания по уравнению (2), причем за 1и принималась средняя температура в колонне. Затем расчетный расход ПГС корректировался по паспортной характеристике ПЭНа в соответствии с существующим давлением на входе в насос. Оказалось, что уравнение (2) дает удовлетворительное приближение по расходу ПГС при принятии ^=(0,08-0,1). Исключение из анализа газов разложения за счет их компенсации некоторым увеличением расхода газов натекания в рамках выполняемого исследования представляется вполне допустимым, поскольку газы разложения, также как и натекающий воздух в процессе конденсации дистиллятных паров практически не участвуют. Поэтому расход ПГС из ВК не должен существенно зависеть от механизма формирования несконденсированных газов. Расчетные расходы ПГС представлены в табл. 1.

Разработка рекомендаций по реконструкции ВСС отделения

На основании результатов проведенного исследования были разработаны рекомендации по реконструкции ВСС отделения переработки отходов производства. Концептуальной идеей рекомендаций было предложение об использовании в качестве ВСС единой вакуумсоздающей станции гидроциркуляционного типа на основе ЖКВН. Упрощенная технологическая схема реконструкции объекта представлена на рис. 3. Следует отметить, что аналогов применения единой ВСС для группы из нескольких большеобъемных колонн в отечественной практике не было.

Особенность данной технологии заключается в том, что все ВК групповой установки должны работать при близких значениях давления, соответствующих разрежению, создаваемому ЖКВН. Поэтому на первом этапе экспериментом на математической модели были определены параметры технологического режима, соответствующие этому условию. Известно [5,6], что расход ПГС, отходящей из ВК, определяется помимо расхода газов натекания также давлением и температурой, создаваемыми в конденсационных узлах. Численным экспериментом было установлено, что оптимальное давление, при котором при достижимой температуре конденсации ещё не наблюдается резкий рост несконденсированной ПГС, для анализируемой системы является область (35-45) мм И§. Исходя из этого условия, были определены параметры технологического режима для всех колонн при переводе их на работу при давлении 40 мм И§. Для проверки работоспособности установки на этих режимах был проведен опытный пробег всех колонн на рекомендованном режиме. Заданное давление поддерживалось при этом существующими ПЭНами, причем для К-37 и К-48 потребовалось подключение и резервных

насосов. На всех колоннах была подтверждена корректность рекомендованных режимов (продукты разделения соответствовали регламентным требованиям).

На следующем этапе был проведен подбор ЖКВН, обеспечивающего заданные требования по поддержанию рабочего вакуума. Для этой цели предприятию было рекомендовано использовать ЖКВН Р2Ь 65327 У 4В производства фирмы 8Ш1 [7]. Данные насос представляет собой машину двойного сжатия откачиваемого газа, что обеспечивает надежное поддержание рабочего вакуума на уровне 30 мм и выше. В качестве рабочей жидкости было предложено использовать фенольную воду (концентрация фенола до 4% мас.).

Важной особенностью рекомендованного насоса является наличие автоматизированной системы антипомпажной защиты за счет организации рециркуляции части ПГС из нагнетательного патрубка во всасывающий. При этом обеспечивается автоматическое поддержание давления на заданном уровне при недогрузке насоса (падении расхода ПГС). Такая ситуация может складываться, например, при аварийном останове одной или нескольких колонн системы, а также в штатных режимах пуска и остановки производства, когда колонны запускаются (останавливаются) по очереди.

При этом было учтено, что производительность ЖКВН зависит от остаточного давления, развиваемого насосом, а так же от физико-химических свойств рабочей жидкости и температуры откачиваемого газа [2]. Температура откачиваемого газа, исходя из производственных условий завода, была принята равной 30оС. В то же время характеристика насоса задана изготовителем для системы «вода-воздух» при принятых температурах откачиваемого газа (20оС) и рабочей жидкости (15оС). По методике, изложенной в [4], характеристика выбранного ЖКВН была пересчитана на фактические рабочие условия (рабочая жидкость - фенольная вода, температура и состав откачиваемого газа взяты из численного эксперимента на модели). На рис. 4 представлено сопряжение характеристики группы сопряженных колонн с характеристикой ЖКВН.

105

15 -I---------------------------------------------------

30 40 50 60 70 80 90 100

Давление, мм рт.ст.

-•-Численный эксперимент -"-Характеристика ЖКВН

Рис. 4 - Сопряжение характеристик вакуумируемого объекта и ЖКВН Р2Ь 65327 У 4В

Как видно из рис. 4, характеристики сопрягаются в точке 33 мм Нд. Учитывая, что точность моделирования гидравлического сопротивления газового тракта и конденсационных узлов является относительно невысокой, было предложено закрепить в системе давление, равное 40 мм Н§. Таким образом, для данной СХТС ЖКВН в рабочей точке работает с запасом по производительности равным 40%. Этот запас позволяет сгладить последствия возможного повышения температуры в конденсационных узлах в летний период эксплуатации установки.

Анализ технико-экономических показателей реконструированной установки

На основе проведенных исследований ООО «УНИВАК-Н» разработал проект реконструкции вакуумсоздающих систем отделения переработки отходов производства фенола - ацетона. В качестве ВСС на предприятии были смонтированы два ЖКВН P2L 65З27 Y 4B, один из которых выполняет функции резервного насоса. После завершения строительства запуск отделения был проведен в следующей последовательности:

• Все колонны отделения были переведены на работу на рекомендованном режиме (давление 40 мм Hg), причем для создания вакуума использовались штатные ПЭНы.

• Параллельно с действующими ПЭНами по отдельно смонтированной коммуникации был запущен один насос ЖКВН P2L 65З27 Y 4B. Вакуум в системе при этом практически не изменился, поскольку автоматически включилась антипомпажная система.

• С интервалом 10-15 минут было проведено отключение ПЭНов на всех колоннах. Давление в колоннах сохранилось при этом на заданном уровне за исключением колонны К-48. Вся процедура запуска отделения не превысила 1 часа.

В колонне К-48 давление оказалось завышенным (55 мм Hg). Это скорее всего явилось следствием неудовлетворительно работы конденсационного узла этой колонны (температура конденсации превышала 60 оС), а также большого гидравлического сопротивления самого конденсатора. Работа колонны на этом режиме не обеспечивала требуемого качества разделения. Поэтому было предложено включить после К-48 первую ступень штатного пароэжекторного насоса с барометрическим конденсатором, после чего вакуум в колонне стал соответствовать проектному значению (40 мм Hg).

В результате реконструкции были решены следующие задачи:

1. Выключены из работы 10 пароэжекторных насосов (включая резервные).

2. На 95 % сокращено потребление высокопотенциального пара вакуумсоздающими системами отделения.

3. Сокращено количество химзагрязненных стоков, отходящих из отделения.

4. Оптимизированы параметры технологического режима работы всех ректификационных колонн отделения.

5. Существенно оптимизированы режимы пуска и останова производства.

6. Получен значительный экономический эффект.

Литература

1. Цегельский, В. Г. Двухфазные струйные аппараты / В.Г. Цегельский - М.: Изд-во МВТУ им.

Н. Э. Баумана, 200З.- 408с.

2. Вилохин, С.А. Математическая модель ЖКВН / С.А. Вилохин, Э.Ш. Теляков. // Межвуз. тематич. сб. научн. тр. «Тепло - массообменные процессы и аппараты химической технологии» - Казань: КГТУ, 2002. - С. 142 -150.

3. Вилохин, С. А. Области рационального использования вакуумсоздающих систем (ВСС) различного типа / Э.Ш. Теляков, С.А. Вилохин, Л.Э. Осипова. // МАСИ (IASS) Вестник Академии. Информатика, Экология, Экономика. Т. 7, ч. 1. - М.: МАСИ, 2004. - С. 9 - 14.

4. Фролов, Е. С. Вакуумная техника: Справочник / Е. С. Фролов, Е. В. Минайчев, А. Т. Александрова и др.: Под общ. ред. Е. С. Фролова, Е. В. Минайчева. - М.: Машиностроение, 1992. - З09 с.

5. Максимов, С. В. Модернизация вакуумной колонны установки АВТ-6. / С. В. Максимов и др. // Химия и технология топлив и масел. - 2000. - №4. - С. 28.

6. Осипов, Э. В. Анализ сложной химико-технологической системы, включающей в себя вакуумные ректификационные колонны и вакуумсоздающую систему на базе ЖКВН / Э. В. Осипов, Э. Ш. Теляков, С. И Поникаров. // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №8. - С. 4З4-4З5.

7. Liquid ring vacuum pumps and liquid ring compressors. Technical details and Fields of application. - Sterling SIHI group, 2009. - 70 с.

© Э. В. Осипов - асп. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, lipogi@mail.ru; С. И. Поникаров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ; Э. Ш. Теляков - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; К. С. Садыков - д-р техн. наук, ген. дир. ООО «НИИВакууммаш».