Глубокая статья ‖ Как разумно модернизировать старое оборудование для экономии энергии и повышения эффективности!

Thread Content

Глубокая статья ‖ Как разумно модернизировать старое оборудование для экономии энергии и повышения эффективности! 2016-08-13 Связь с нефтехимической промышленностью: отношение к жизни через призму нефтехимической промышленности. При модернизации оборудования для повышения его производительности необходимо решить ряд вопросов: какой потенциал имеет старое оборудование, какие факторы ограничивают его производительность, какие методы модернизации позволят сделать это экономически целесообразно и одновременно обеспечить увеличение объема производства. Сутью этих вопросов является определение максимальной производительности оборудования. Однако в этот момент ситуация отличается от этапа проектирования: при модернизации требуется более точное прогнозирование. Допускать ошибки в размере 10–20% на этапе проектирования обычно возможно, но при модернизации такие ошибки слишком велики. В этот момент преимуществом является наличие старого оборудования, большой опыт эксплуатации и соответствующих данных. Необходимо в полной мере использовать эти благоприятные условия, чтобы прогнозы были более точными и реалистичными. Прогноз максимальной производительности на этапе устранения узких мест основывается на надежных измерениях, а не на обычных формулах соотношений. Можно сказать, что это основной принцип при модернизации старого оборудования; он также применим для повышения качества продукции и экономии энергии. Для достижения максимальной производительности старого оборудования, то есть максимальной способности к переработке сырья или максимального объема производимой продукции, необходимо провести два испытания. Во-первых, измените положение подачи, чтобы определить оптимальное положение подачи ； Затем постепенно снижают коэффициент обратного потока R, одновременно проверяя качество продукта, чтобы определить минимальный значению этого коэффициента, необходимое для производства качественного продукта. Такое значение меньше, чем при обычных производственных режимах, что указывает на наличие у колонны определенного запаса прочности. Наконец, при этом минимальном коэффициенте обратного потока проводится тест на перелив жидкости в колонне с целью определения максимальной пропускной способности колонны. На основе вышеописанных испытаний можно определить максимальную производственную мощность старого оборудования или максимальный объем производимой продукции. Если этот объем уже позволяет удовлетворить потребности в увеличении производства, то проблема решена. Если существует определенный разрыв, то башню необходимо модифицировать. В этот момент необходимо определить факторы, ограничивающие производительность башни, а затем выбрать вариант её модернизации. Симуляционные расчеты колонны играют важную роль при модернизации оборудования, однако все соотношения и базовые данные, используемые в симуляциях, должны быть проверены с помощью фактических данных, полученных в процессе эксплуатации дистилляционной колонны, чтобы результаты симуляций отражали реальное состояние ее работы. В моделировании процесса дистилляции наиболее важными соотношениями и данными являются следующие. 1. Связь фазового равновесия. Лучше всего, если связь выводится из измеренных данных фазового равновесия, причем эти данные должны иметь высокое качество. То есть необходимо пройти проверку на термодинамическую согласованность: ошибка между данными о равновесии фаз, полученными с использованием установленных зависимостей, и экспериментально измеренными значениями должна быть небольшой. Кроме того, диапазон концентраций, полученных в ходе экспериментов, должен охватывать весь диапазон концентраций в колонне, чтобы избежать экстраполяции. Например, заявленная концентрация продукта составляет 99,5%, а фактически измеренное значение равно лишь 95% или даже меньше. Такой диапазон измеренных значений считается слишком узким; между 95% и 99,5% практически нет возможности для экстраполяции. Однако для очистки в этом диапазоне требуется большое количество теоретических тарелок, и даже небольшая погрешность может существенно повлиять на расчетные значения. 2. Данные об эффективности передачи массы: для пластинчатых колонн обычно используется показатель эффективности колонны; в то же время для сегментов дистилляции и ректификации могут применяться разные значения. Для наполнительных колонн используется показатель HETP. При наличии правильных зависимостей равновесия фаз можно, используя измеренный состав продукта, состав и температурное состояние сырья, объемы сырья и готового продукта, коэффициент рециркуляции и рабочее давление, а также положение боковых отводов, объем и состав отводимой смеси (если таковая имеется), получить с помощью численного моделирования фактическое количество теоретических ступеней во всей колонне (и в каждом ее сегменте). Это позволяет определить эффективность колонны (или эффективность каждого сегмента) или показатель HETP. В ходе этого теста коэффициент рециркуляции следует выбирать довольно высоким, чтобы избежать проблем с образованием «точек застоя» при разделении ключевых компонентов, что может привести к получению неверных результатов. При тестировании колонн с наполнителем особое внимание необходимо уделять качеству распределения жидкости с помощью дисперсора. Проверка строительных чертежей позволяет оценить качество распределения жидкости в диспергаторе. Как правило, у колонн, которые работают нормально и соответствуют проектным требованиям, качество распределения жидкости в диспергаторе также соответствует установленным стандартам. Если в процессе эксплуатации возникают сомнения относительно качества распределения жидкости, его можно определить с помощью лабораторных тестов. Для строгой проверки соответствия данных о равновесии, а также эффективности производственных процессов фактическим условиям, во время лабораторных тестов необходимо определить распределение температуры на высоте колонны. Конечно, было бы ещё лучше иметь информацию о распределении концентрации на этой же высоте. С помощью этих данных можно сравнивать результаты численного моделирования; путем постоянного анализа и корректировок можно получить более реалистичные данные о состоянии равновесия фаз и эффективности производства. 3. Связь энтальпии между газовой и жидкой фазами. Желательно иметь данные экспериментальных измерений для проверки, однако таких данных немного, и часто приходится использовать те связи, которые наиболее часто рекомендуются в литературе. Точность энтальпии в основном влияет на скорость двухфазного потока пара и жидкости в колонне, а также на тепловую нагрузку конденсатора и реэвапоратора. Если погрешность тепловой нагрузки невелика, то результаты расчетов с использованием этого показателя могут считаться приемлемыми. 4. Связи некоторых гидродинамических характеристик колонн с тарельчатыми или наполненными колоннами. Самая важная из этих связей — это связь между скоростью парообразования и падением давления. Сначала необходимо определить причину возникновения явления переполнения колонны, а затем выбрать и проверить соответствующую формулу для расчетов. Кист привел пример того, как чрезмерно оптимистичная корреляция переувлажнения, предложенная поставщиком насадочных колонн, ввела в заблуждение относительно возможной степени расширения производства после модернизации. Понимание количества экспериментальных данных, на которых основаны различные зависимости в литературе, диапазона изменений переменных, экспериментальных систем и т. д., имеет большое значение для правильного выбора надежных зависимостей. Необходимо правильно выбрать подходящие корреляции, а также с помощью заводского оборудования и необходимых экспериментальных данных проверить эти корреляции, чтобы результаты моделирования точно отражали реальные условия в колонне. Только после этого моделирование может служить полезным инструментом для определения основных факторов, ограничивающих производительность оборудования, и для разработки планов его модернизации. Способы увеличения производительности колонны ► Изменение внутренних компонентов оборудования колонны. ►Адаптируйте процессы в соответствии с местными условиями. ►Повышение рабочего давления в колонне, а также снижение коэффициента обратного потока путем увеличения числа решеток в колонне также могут способствовать увеличению производства. 1. Модернизация внутренних элементов колонны: (1) Использование новых типов высокоэффективных наполнителей вместо более старых видов наполнителей или тарелок. Третье поколение наполнителей и упорядоченные наполнители характеризуются меньшим падением давления, большей эффективностью (меньшее значение HETP) и большей пропускной способностью (меньшее значение FP). После замены старых наполнителей на эти новые, скорость прохождения жидкости через колонну (то есть её пропускная способность) значительно увеличивается ； Кроме того, у слоя наполнителя одинаковой высоты увеличилось количество теоретических пластин, в результате чего можно снизить коэффициент рециркуляции, что косвенно повышает объем обработки сырья и производственную мощность. Следует подчеркнуть, что распределители и перераспределители жидкости также необходимо модифицировать, чтобы они соответствовали требованиям новых высокоэффективных наполнителей. Колонны с наполнителем и пластинчатые колонны работают в оптимальных условиях, при сниженном, нормальном и низком давлении; регулярные наполнители обеспечивают лучшую эффективность и пропускную способность ； При высоком давлении (>2 МПа) упомянутые преимущества структурированных наполнителей исчезают, в то время как высокоэффективные сыпучие наполнители обладают определенными преимуществами. При реконструкции колонны использование наполнителя вместо пластин приводит к более значительному увеличению производительности, поскольку падение давления на каждую теоретическую пластину может снизиться примерно на 90%. Как правило, падение давления на каждой пластине составляет от 0,4 до 1,05 кПа; при дистилляции под давлением это значение ниже. Падение давления при использовании сыпучих наполнителей, таких как металлические кольца, может достигать 55 Па на одну теоретическую пластину, а при использовании упорядоченных наполнителей — 13 Па на одну теоретическую пластину. Это значительное преимущество придает ему явные преимущества при модернизации ректификационных колонн в условиях высокого вакуума, поскольку здесь расчет диаметра колонны осуществляется на основе заданного падения давления, а при небольшом падении давления можно использовать наполнители с более высокой скоростью пара. По оценкам Штрайгеля, при одинаковом падении давления способность к обработке материала с использованием металлических решетчатых наполнителей может быть на 70% выше, чем у пластинчатых колонн. При использовании более структурированных наполнителей можно достичь ещё более высокой производительности. Использование высокоэффективных наполнителей для модернизации колонн для дистилляции стирола является типичным примером получения значительной экономической выгоды; Университет Тяньцзинь с помощью волновидных регулярных наполнителей успешно модернизировал более десяти таких колонн. Такая модификация не только позволяет увеличить объем производства, но и, благодаря снижению температуры в нижней части колонны и средней температуры на всем протяжении секции дистилляции, а также уменьшению количества жидкости в колонне (что приводит к сокращению времени ее пребывания), практически устраняет потери стирола в процессе его полимеризации и повышает выход стирола. Для дистилляции при нормальном и высоком давлении преимущества колонн с наполнителем — низкое сопротивление и малый объем жидкости, удерживаемой в них — уже не имеют большого значения. Однако использование наполнителя вместо пластинчатых колонн все равно позволяет добиться значительного увеличения производства. Хотя Брайерли считает, что при высоком давлении (>2 МПа) более надежным является использование пластинчатых колонн благодаря наличию опыта их долгосрочного успешного применения, он все же признает, что при высоком давлении использование сыпучих наполнителей может принести значительные результаты. При этом, по сравнению с пластинчатыми колоннами, регулярно упорядоченные наполнители обеспечивают более высокую производительность и эффективность в подавляющем большинстве случаев в зонах низкого давления. По мнению Штрайгеля, замена пластин в высоконапорных башнях на металлические кольца-упоры может привести к увеличению производительности примерно на 25%. Основная причина заключается в том, что при высоком давлении в пластинчатых колоннах необходимо выделять значительную площадь под зону перелива, тогда как в колоннах с наполнителем вся площадь может использоваться для процесса передачи массы между двумя фазами. В колонне высокого давления для деметанизации на установке по производству 300 тысяч тонн этилена замена плавающих клапанов в зоне ограничения производительности на металлические рандомные кольца позволила увеличить выработку примерно на 20%. Применение структурированных наполнителей в зонах высокого давления пока ещё не является широко распространённым, и при его использовании необходимо проявлять осторожность. В литературе уже имеются примеры успешной модификации с использованием колонн для дегидрометанизации (при давлении 3 МПа), колонн для депропанизации (1,8 МПа), колонн для дейтанизации (2 МПа) и колонн для разделения C3/C4 (3,2 МПа). Благодаря этому удавалось повысить выход продукта на 20–25%, однако эффективность разделения не такая высокая, как при низком давлении; этот вопрос требует дальнейших исследований. В литературе сообщается, что американская компания US Separation Research Inc. провела промышленные испытания упорядоченного наполнителя Intalox 2T при давлении 3,2 МПа; в качестве испытуемой смеси использовались изобутан и н-бутан. Однако удовлетворительных результатов в отношении эффективности разделения и производительности достичь не удалось. При использовании наполнителя вместо решеток в колонне необходимо демонтировать существующие кольца поддержки решеток; оставшаяся ширина этих кольц должна быть менее 12 мм. В противном случае это приведет к неравномерному распределению жидкости, снизит эффективность разделения и уменьшит пропускную способность колонны. Кроме того, необходимо тщательно определить и проверить положение интерфейсов для сырья, пара, а также приборов для измерения давления и температуры; иногда их приходится перемещать. Следует отметить, что речь идет о модернизации колонны с целью увеличения ее производительности. Достаточно лишь модифицировать внутренние компоненты колонны, чтобы достичь желаемого результата. Это выгоднее, чем строить новое оборудование. Даже если стоимость новых компонентов будет выше, это все равно окупается. Это отличается от проектирования при строительстве нового завода; ни в коем случае нельзя утверждать, что насадочные колонны всегда лучше тарельчатых. (2) Модификация размеров существующей конструкции тарелок или использование новых типов тарелок с высокой эффективностью и большей производительностью. Обычно в исходном проектировании для повышения надежности конструкции учитывается коэффициент запаса прочности, что также создает возможности для дальнейшего увеличения производительности. Однако часто из-за ограничений, связанных с тем или иным фактором, без соответствующей модификации трудно добиться значительного увеличения производства. После проверки связей между гидродинамикой пластин с помощью экспериментальных данных, пересчеты при перепроектировании становятся более реалистичными; можно выявить ограничивающие факторы, а также достичь оптимальной конструкции. Капус рекомендует использовать диаграмму характеристик нагрузки на пластину для оценки (рис. 7-1). Рисунок 7-1. Диаграмма, показывающая, оптимизированы ли размеры конструкции таблетки. На рисунке 7-lb видно, что процесс перелива жидкости из канала стекания происходит слишком рано. Оптимальное состояние можно достичь путем корректировки степени проницаемости таблетки, высоты водяного барьера, зазора в нижней части канала стекания или расстояния между таблетками ； На рисунке 7-1c показано, что сечение трубы для спуска жидкости слишком мало; это приводит к засорению и ограничивает производительность колонны ； На рисунке 7-ld показано, что чрезмерное включение тумана или жидкости ограничивает производительность колонны; оптимальные условия можно достичь путем регулировки расстояния между пластинами, высоты водяного барьера и диаметра отверстий. После разумной модификации промежуточных пластин можно добиться значительного увеличения производства для удовлетворения требований. Выбор специально подходящих новых регуляторов, учитывая конкретную совокупность веществ, условия операции и нагрузку на газо-жидкостные фазы, также является способом повышения производительности колонн. По-видимому, направляющие поплавковые клапаны могут в значительной степени заменить ситовые и поплавковые регуляторы, что позволит повысить производительность. 2. Процесс модернизации: когда производительность и способность к разделению у неиспользуемой колонны не соответствуют требованиям, однако при объединении её с действующей производственной колонной её производительность значительно повышается. На рисунке 7-2 показаны три возможных варианта комбинаций; с помощью моделирования процессов можно определить наиболее подходящую комбинацию. Рисунок 7-2. Варианты сочетания неиспользуемой башни и производственной башни. 1 – Производственная башня ； 2. Неиспользуемая колонна. Когда разделение какого-либо продукта осуществляется с помощью двух последовательно соединенных колонн, производительность колонны, выполняющей функцию дистилляционного участка, значительно превышает производительность колонны, выполняющей функцию ректификационного участка. При этом явление переполнения жидкостью в ректификационном участке серьезно ограничивает общую производительность всей системы. Для повышения производственной мощности всей колонны в нижней части колонны ректификационного участка можно установить промежуточный ребойлер, чтобы часть нагрузки в парово-жидкой фазе на участке исчерпывающей перегонки перешла на ректификационный участок. Это позволит сбалансировать нагрузку на оба участка и увеличить производительность. С точки зрения использования энергии, тепло, поступающее в промежуточный ревербератор, позволяет осуществлять процесс разделения в секции дистилляции, однако коэффициент использования этой энергии невысок. Если на заводе имеются избыточные источники низкотемпературной энергии, можно обеспечить рациональное комплексное использование энергии. При условии допустимого увеличения высоты колонны возможно увеличение количества решеток (что позволяет снизить значение R), оптимизация расположения входа для подачи сырья, а также корректировка температуры сырья при его подаче (например, в зоне дистилляции ключевым фактором является объем обрабатываемой смеси; в таких случаях целесообразно использовать смесь пара и жидкости или пар как сырье). Все эти меры способствуют повышению производительности колонны. 3. Повышение рабочего давления в колонне. Причина применения режима с повышенным давлением заключается в желании повысить температуру конденсатора на верхней части колонны, чтобы можно было использовать воздушное или водяное охлаждение, либо хладагент с более высокой температурой кипения ； Причина применения процедуры снижения давления заключается в необходимости снижения температуры в нижней части колонны, чтобы избежать перегрева материала, его порчи, а также образования кокса или полимеризации. Кроме того, это позволяет использовать водяной пар или нагревательные средства с более низкой температурой. Из этого следует, что если температура в нижней части колонны не определяется из-за порчи материала, процессов полимеризации или образования кокса, то возможность повышения давления в колонне является вопросом экономического расчета. Если повышение давления позволяет увеличить объем производства, тем самым сокращая затраты на строительство нового оборудования, это часто бывает экономически целесообразно. Повышение давления способствует увеличению производства, поскольку с ростом давления плотность пара увеличивается пропорционально. Хотя при повышении давления в колонне скорость испарения жидкости снижается, допустимый расход газа в колонне значительно увеличивается. Если коэффициент обратного потока останется неизменным, то производительность колонны или объем обрабатываемого сырья также увеличится в том же объеме. Однако по мере увеличения давления относительная летучесть незначительно снижается, в результате чего минимальное соотношение рефлюкса увеличивается, а соответственно увеличивается и рабочее соотношение рефлюкса. Это частично компенсирует эффект pG и усиленный прирост выхода продукта. Как правило, в случае вакуумной ректификации и ректификации при давлении, близком к атмосферному, легко осуществить модернизацию с целью увеличения производительности за счет повышения давления, поскольку для многократного увеличения значения pG достаточно лишь незначительно повысить абсолютное давление; при этом проблем с прочностью оборудования не возникает. При высоком давлении при перегонке для увеличения значения pG в несколько раз возникают проблемы с прочностью оборудования. Кроме того, нормальная работа колонн с наполнителем при высоком давлении затруднена; у пластинчатых колонн также может возникнуть проблема с слишком маленькими каналами для стекания жидкости. Данный текст взят с сайта Химическая промышленность 707. Перепечатка произведена исключительно в целях распространения информации. Все права принадлежат автору