На головну

Сучасні методи оптимізації роботи первинного риформінгу.

  1.  ABBYY PDF Transformer-для роботи з PDF-файлами: http://depositfiles.com/files/boz04vdyi
  2.  FH 10 10 Організаційні принципи роботи національних товариств здоров'я.
  3.  I етап роботи з текстом документа.
  4.  I. 2.4. Принципи та методи дослідження сучасної психології
  5.  I. ПОРЯДОК РОБОТИ НАД курсовий проект
  6.  I. Цілі і завдання виконання контрольної роботи
  7.  II. Методи наукового пізнання

Економічність роботи сучасного великотоннажного агрегату з виробництва аміаку залежить від оптимальних параметрів роботи трубчастої печі первинного риформінгу. Первинний парової риформинг є найбільш важливою стадією аміачного виробництва - конвертує вихідне вуглеводневу сировину в синтез-газ. У плані хімічних і фізичних процесів це ще й найбільш складна стадія даного виробництва. Крім того, первинний паровий риформінг - найдорожча стадія виробництва по капітальних вкладеннях і основний споживач енергії на агрегатe.

Для вирішення питань оптимізації роботи трубчастої печі кампанією Synetix був створений ряд програм і математичних моделей для процесів, що відбуваються в цьому вузлі агрегату з виробництва аміаку. У найпростішому описі парової риформинг це процес передачі тепла від гарячих димових газів більш холодного технологічного газу в трубках. Однак при найближчому розгляді виявляється, що первинний риформінг є комбінацією багатьох найрізноманітніших процесів. Поза труб передача тепла випромінюванням відбувається одночасно з хімічною реакцією горіння паливного газу. Усередині труб відбувається тепло - і Масопередача з хімічною реакцією, що вимагає врахування кінетики і термодинаміки процесу. Не дивно, що строгі обмеження в роботі первинного риформінгу викликають експлуатаційні проблеми або що риформінгу часто працюють в неоптимальном режимі.

В процесі експлуатації можна зібрати багато даних, і ці дані дуже корисні для прогнозування роботи печі і каталізатора і визначення параметрів процесу. Однак самі по собі ці дані є недостатніми для того, щоб діагностувати неефективність роботи або виявити причини цієї неефективності. Для цих цілей необхідно провести повне обстеження риформінгу, включаючи роботу конвекционной секції, повне обстеження температур стінок труб і аналіз цих даних зі взаємоузгодження теплового і матеріального балансу і повного теплового моделювання самого первинного риформінгу.

Важливо, щоб при дослідженні риформінгу, направленому на аналіз або оптимізацію його роботи, використовувалися всі ці дані. Тільки при використанні комбінацій зазначених вище методів можна отримати повну картину стану риформінгу. Потім можна виділити ділянки, на яких виникають проблеми, і розробити стратегію вирішення цих проблем. Аналіз може бути використаний також для оцінки можливостей подальшої оптимізації роботи риформінгу.

Температура стінок труб.Труби в паровому риформінгу працюють поблизу кордону можливостей матеріалу, в умовах напружень, викликаних високими температурами в поєднанні з великими перепадами тиску на стінці труби. Максимальна температура труб первинного риформінгу лежить в діапазоні 850?1000 ° С, що призводить до незворотної повзучої деформації труб і фактичного обмеження терміну їх служби.

Робота при температурі стінок труб вище проектної може привести до різкого зростання випадків виходу їх з ладу. Відповідність до загальним емпіричним правилом, підвищення температури стінки труби на 20 ° С вдвічі зменшує термін її служби. Тому важливо точно виміряти температури стінок труб, з тим, щоб запобігти передчасному виходу труб з ладу через перегрів, і в той же час не допустити роботи при дуже низькій температурі, коли піч не досягає своєї повної продуктивності.

Найбільш поширеним приладом для вимірювання температури стінки труб є інфрачервоний пірометр. Однак при вимірі температури існує серйозне джерело помилок - пірометр не розрізняє випромінювання, що випускається самої трубою, і випромінювання стінок печі, отражаемое трубкою. Тому інфрачервоні пірометри без коригування дають показання, завищені на 20?40 ° С. При вимірюванні температури труб за допомогою інфракрасногo пирометра слід приймати емісійну здатність (ступінь чорноти) рівній 1,00, хоча фактична величина менше. Якщо випромінююча здатність труби дорівнює 0,80, то принаймні 20% випромінювання, що реєструється пірометром - це випромінювання більш гарячих стінок печі, отражаемое трубою. Таким чином, пірометр отримує більш ніж в 1,25 рази більше випромінювання, ніж випромінює сама труба. Використання значення емісійної здатності 1,00 певною мірою компенсує цей ефект. Потім можна провести корекцію температури, виміряної пірометром (при значенні емісійної здатності 1,00), як показано нижче:

еТ4t = T4m - (1-e) Tw,4 (3.37)

де

е - емісійна здатність труби,

Тt - Справжня температура (К),

Тm - Виміряна температура при емісійної здатності (ступеня чорноти) 1,00 (К),

Тw - Середня фазова температура (К).

Звичайно, не всі виробники аміаку в СНД мають інфрачервоні пірометри. В Україні такий пірометр мається на Горлівському ВАТ "Концерн Стирол". Разом з пірометром придбано все необхідне математичне забезпечення для аналізу.

Однак, ICI час від часу використовує пирометр із золотою чашкою, який не дає таких помилок як інфрачервоний пірометр. Пірометр із золотою чашкою складається з детектора випромінювання, розташованого в півсфері з гальванічним золотим покриттям, встановленої на зонді з водяним охолодженням. Це найбільш точний метод вимірювання температури, але користуватися цим приладом незручно, оскільки датчик повинен бути поміщений на стінку труби, і його застосування обмежується довжиною зонда, загальною доступністю місця вимірювання і наявністю отворів. ICI використовує пирометр із золотою чашкою в основному для контролю показань інфрачервоного пірометра.

Обстеження первинного риформінгу.Обстеження первинного риформінгу в основному представляє собою збір даних. Найбільш важливим є отримання зведення температур стінок труб. Обстеження проводиться з використанням пірометра із золотою чашкою або інфрачервоного пірометра, або, за певних обставин, комбінації обох приладів. Якщо при обстеженні використовується інфрачервоний пірометр, то для кожної точки виміру визначаються також фонові температури, а скориговані температури виходять, як описано вище.

Одночасно з обстеженням температури стінок труб відбираються проби, і аналізується склад, як мінімум, чотирьох основних газових потоків:

- Вихідне вуглеводневу сировину;

- Газ на виході з печі риформінгу;

- Паливо (суміш або окремі складові його потоки);

- Димові гази (на виході з радіантної зони і в димарі).

Значення технологічних параметрів в печі риформінгу вимірюється одночасно з вимірюванням температури стінок труб і збором максимально можливої ??додаткової інформації про процес.

Обов'язково вимірюються наступні параметри:

- Витрата вихідного вуглеводневої сировини;

- Витрата рециркулюючого водню;

- Витрата технологічної пари;

- Температура на вході в риформинг;

- Тиск на вході в риформинг;

- Температура на виході з риформінгу;

- Тиск на виході з риформінгу;

- Температура повітря для горіння;

- Температура палива;

- витрати палива;

- Температура газів в димовій трубі;

- Витрати по змеевикам конвекционной зони;

- Температура на вході і виході змійовиків конвекционной зони.

Як уже зазначалося, чим більше даних буде отримано, тим точніше буде моделювання процесу, засноване на цих даних. В окремих випадках деякі дані отримати неможливо. Це слід виявити в ході обстеження та зібрати інформацію по іншим параметрам, на підставі яких можна було б визначити відсутні дані.

Взаимоувязка теплового і матеріального балансів.Програма ICIдля теплового і матеріального балансів (програми розрахунку технологічних схем) за останні кілька років зазнали значних змін в плані їх доступності та ефективності. В даний час у продажу є багато спільних пакетів розрахунку технологічних схем для персональних комп'ютерів з зручними інтерфейсами. Раніше потужні пакети для розрахунку технологічних схем застосовувалися тільки великими хімічними кампаніями, наймати фахівців для розробки і підтримки власного програмного забезпечення.

ICI належить до числа цих кампаній, і протягом багатьох років розробляла власне програмне забезпечення для розрахунку технологічних схем, відоме як FLOWPASK. На основі цього стандартного продукту ICIразработала велика кількість спеціальних моделей для аналізу роботи виробництв аміаку, водню і метанолу. Ці моделі використовують точні управління для розрахунку фізичних і термодинамічних властивостей, що дозволяє підвищити точність моделювання цих виробництв.

Повний розрахунок технологічної схеми - кращий засіб оцінки даних обстеження риформінгу, оскільки модель може бути побудована з урахуванням, як технологічних потоків, так і внутрішніх потоків печі, і для радіантної зони, і для конвекційної зони печі первинного риформінгу.

Моделювання проводиться для первинного риформінгу в цілому, оскільки це дозволяє описати теплові процеси в риформінгу як з боку труб, так і з боку радіант частини печі. Аналіз теплового і матеріального балансів сам по собі може не дати відповіді на питання, чому первинний риформінг працює неефективно, але він дозволяє надійно встановити цей факт і дає несуперечливий набір вихідних даних для подальшого аналізу, який виконується за допомогою програми моделювання власне первинного риформінгу.

Дані обстеження первинного риформінгу, а також температури і тиску в ключових точках установки, використовуються в якості вихідних даних для розробленої математичної моделі. Потім по моделі розраховується ідеальний режим роботи первинного риформінгу в плані складу технологічного газу на виході і необхідної витрати палива, з тим, щоб звести тепловий баланс по риформингу в цілому. Після цього первинного аналізу модель може бути модифікована таким чином, щоб отримані при обстеженні виробництва дані їй задовольняли. Це досягається варіюванням деяких ключових змінних моделей теплового і матеріального балансу - витрати пари, наближення до рівноваги і витрати палива, з тим, щоб отримати найкраще наближення до виміряних даними. При цьому підході ключові змінні варіюються таким чином, щоб мінімізувати розбіжності між виміряними даними і даними розрахунку по тепловому і матеріального балансів. Такий підхід дозволяє виявити будь-які протиріччя між вимірюваними даними і результатами в об'єднаному наборі вихідних даних. Чим більше даних отримано при обстеженні, тим точніше буде коригування моделі, тому що залишається менше свободи для довільного зміни даних.

Математичне моделювання первинного риформінгуПроцес парового риформінгу описаний в багатьох статтях і публікаціях. Для детального моделювання первинного риформінгу необхідно розглянути фізичні і хімічні процеси, що протікають як в трубному, так і в міжтрубному просторі. ICIіспользовала виробничі дані цілого ряду підприємств для створення єдиної складної математичної моделі, що пророкує експлуатаційні характеристики первинних парових риформінгу.

У програмі використовуються кінетичні моделі реакцій вуглеводнів з парою для всього використовуваного діапазону сировини і каталізаторів. Кінетичні моделі були перевірені на напівпромислових однотрубних печах і на обладнаних датчиками трубах в діючих первинних риформінгу. Модель теплообміну в трубному просторі грунтується на емпіричних співвідношеннях, що зв'язують коефіцієнт теплопередачі з параметрами каталізатора. Стандартні критеріальні рівняння не дають адекватного передбачення теплообмінних властивостей для сучасних каталізаторів парового риформінгу з декількома отворами. Тому експериментальне вивчення цих властивостей має найбільше значення.

Найбільш просунутим і реалістичним методом розрахунку теплообміну в топці печі в даний час є метод Рослер. У цій моделі загальний потік теплового випромінювання ділиться на два "кольору" - випромінювання, що взаємодіє з молекулами вуглекислого газу і води в димових газах (воно має лінійчатий спектр і може бути інтерпретовано як набір "променів" зі строго визначеними довжинами хвиль) і випромінювання, що проходить крізь димові гази без взаємодії (весь довгохвильовий інтервал при видаленні з нього вищезазначених "променів"). Цей метод можна застосовувати для печей будь-якої геометрії - з стельовим горінням, з боковим обігрівом, терасових і з обігрівом знизу.

Для розрахунку по моделі необхідно задати дані по геометрії печі і труб, тип каталізатора, умови подачі технологічного газу, умови подачі палива і повітря. В ході розрахунку піч розбивається на ряд елементів, для кожного з яких визначаються теплові потоки.

Програма дає можливість розрахувати практично всі технологічні параметри: температурний профіль стінок труб, вихідну температуру технологічного газу, проскок метану і вихідну температуру димових газів. У більшості інших програм моделювання печі, на відміну від використовуваної в ICI,приймається ряд спрощень, наприклад, жорстко задані профілі температури стінок труб або обмеження величини підведення тепла. Ці програми можуть бути використані тільки в якості інструменту для попередньої оцінки даних.

Протягом багатьох років проектувальники риформінгу використовували ліцензоване у ICIпрограммное забезпечення для розрахунку парових риформінгу; в результаті багато печі по всьому світу були побудовані на основі розрахунків за цими програмами. Це в свою чергу забезпечує широку базу для перевірки і коригування використовуваних методів розрахунку.

На основі даних теплового і матеріального балансів може бути виконано математичне моделювання риформінгу з взаємопогодженістю технологічних параметрів і витрати палива і повітря. Основні параметри, які потрібно розрахувати, це: 1) температура стінок труб, 2) склад технологічного газу, 3) вихідна температура технологічного газу і 4) вихідна температура вихідних газів. Змінні, доступні для зміни з метою досягнення відповідності розрахункових даних експериментальним значенням, обмежуються: 1) активністю каталізатора і 2) профілем підведення тепла від пальників. Витрата палива не є змінною, оскільки він був зафіксований при взаимоувязке теплового і матеріального балансів, і модель риформінгу повинна це враховувати. Таким чином, змінних (2) менше, ніж незалежних цільових парметр (4), тому при моделюванні риформінгу маємо отримати єдине рішення.

Спільне використання даних обстеження, програм теплового і матеріального балансів і моделювання риформінгу дає можливість отримати найбільш реалістичну оцінку технологічних параметрів в паровому риформінгу. При використанні всіх доступних виміру на об'єкті даних, включаючи точні значення температур стінок труб, остаточне моделювання може дати тільки один результат. Ця оцінка описує роботу риформінгу і дозволяє виявити проблеми, якщо вони є.

Оскільки опис роботи первинного риформінгу включає скориговані теплової і матеріальний баланси і моделювання риформінгу, ці моделі можуть бути використані для оцінки можливостей оптимізації технологічних параметрів риформінгу. Моделі можуть бути також використані для оцінки роботи первинного риформінгу в плані збалансованості підведення тепла в піч риформінгу і потенціалу підвищення продуктивності риформінгу в діапазоні проектних температур стінок труб.

Ефект випромінювання тунельних отворів. При експлуатації парових риформінгу з стельовим обігрівом досить часто спостерігається передчасний вихід з ладу реакційних труб. Пошкодження спостерігаються в основному в районі збірних тунелів димових газів риформінгу, тобто біля основи труб. У всіх випадках пошкодження носять локальний характер, викликані ползучестью металу, внаслідок чого має місце збільшення діаметра труб. В окремих випадках зона ушкоджень становить від 100 до 500 мм в довжину, причому не вище, не нижче даної зони пошкоджень і збільшення діапазону труб не спостерігається.

Локальний характер пошкоджень важко піддавався поясненню з точки зору ефекту теплопередачі, існуючого в області тунелів риформінгу, оскільки в цьому випадку спостерігалося б рівномірний розподіл температур в нижніх 1,5 м труби. У разі, якби всю ділянку труби в області тунелів піддавався незапланованого впливу, то схильний був би довший ділянку труби. Той факт, що більша частина труби не схильна до перегріву, наводить на думку, що програми моделювання правильно визначили температури на даній ділянці, однак тут має місце певний локальний ефект, не врахований при моделюванні теплопередачі.

Кампанія Synetix, зайнявшись дослідженням цього явища, вирахувала обсяг передачі тепла в області тунелів риформінгу за допомогою моделювання за методом Монте-Карло. Моделювання за методом Монте-Карло - це імовірнісний метод вирішення завдань, які погано піддаються розрахунку в явному вигляді. Проте, хоча даний метод не є явним розрахунковим методом, він заснований на точної фізичної моделі.

Моделювання за допомогою цього методу підтверджує існування ефекту тунельних отворів. Моделювання різних типів риформінгу показало, що пікові температури стінок труб навпаки тунельних отворів вище в тих випадках, коли відстань між отворами і трубкою менше. Це необхідно враховувати при ремонтах тунелів в процесі експлуатації печей.

 




 Об'єднаний процес "Снам Проджетті". |  Економічні переваги інтегрального процесу "Снам Проджетті". |  Деякі відомості про цеолітах. |  Адсорбційна очистка природного газу. |  Гідрування гомологів метану на стадії сіркоочистки природного газу. |  Пошукові дослідження щодо підвищення калорійності природного газу, що надходить на стадію гідрування, за рахунок зниження концентрації гомологів метану. |  Комбінований автотермічний риформинг (КАР). |  Відмінні риси КАР. |  Риформинг фірми "Uhde". |  Оптимізація пароповітряної конверсії природного газу та існуючих в Україні та СНД агрегатів з виробництва аміаку. |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати