Помощь студентам в учебе
Анализ энергоэффективности схем фракционирования нефти
|
Введение 10
1. Современные схемы ректификации и конструкции внутренних устройств 12
1.1 Обзор базовых конфигураций схем ректификации 5
1.2 Повышение энергетической эффективности 6
1.3 Методы совершенствования установок ректификации нефти 10
1.3.1 Обвязка и интеграции 10
1.3.2 Использование высокоэффективных контактных устройств 14
1.3.3 Эффективное использование тепловой энергии потоков 15
2. Моделирование в САПР 17
2.1 Структура САПР 18
2.2 Ассортимент коммерческих САПР 19
2.3 Возможности HYSYS 21
2.3.1 Среда HYSYS 23
2.4 Возможности PRO/II 33
2.5 Методы анализа эффективности процессов дистилляции 34
2.5.1 Тепловой анализ 35
2.5.2 Эксергетический анализ 37
2.5.3 Расчет химической составляющей эксергии в процессе
фракционирования нефти 39
2.5.4 Расчет физической составляющей эксергии в процессе
фракционирования нефти 41
2.5.5 Термоэкономический анализ 42
2.6 Многокритериальная оптимизация 45
2.6.1 Математическая модель многокритериальной оптимизации 45
2.6.2 Симплексный метод планирования и оптимизации 47
3. Экспериментальная часть 50
3.1 Постановка задачи 50
3.2 Моделирование схем фракционирования 52
3.2.1 Моделирование схемы фракционирования без интеграции потоков 54
3.2.2 Моделирование схемы фракционирования с интеграцией потоков
(Схема Петлюка) 58
3.2.3 Описание технологии (Схема Петлюка) 59
3.3 Эксергетический анализ схем фракционирования нефти 61
3.4 Оптимизация схемы фракционирования Петлюка 63
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение.. 67
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования 68
4.2 Анализ конкурентных технических решений 69
4.3 Диаграмма Исикавы 71
4.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 72
4.4.1 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования 74
4.5 Инициация проекта 75
4.6 Планирование управления научно-техническим проектом 78
4.6.1 Бюджет научного исследования 78
4.6.2 Организационная структура проекта 82
4.6.3 Матрица ответственности 82
4.6.4 План проекта 83
4.7 Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и
экономической эффективности исследования 83
4.7.1 Оценка сравнительной эффективности исследования 83
5. Социальная ответственность 86
5.1 Производственная безопасность 87
5.1.1 Анализ опасных производственных факторов и обоснование
мероприятий по их устранению (производственная санитария) 87
5.1.2 Анализ вредных производственных факторов и обоснование
мероприятий по их устранению (производственная санитария) 91
5.2 Экологическая безопасность (Охрана окружающей среды) 93
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 97
5.4 Правовые и организационные мероприятия по обеспечению безопасности 99
5.4.1 Специальные правовые нормы трудового законодательства 99
5.4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны .... 100
Заключение 101
Список литературы 102
Приложение А 107
Приложение Б 119
Приложение В 123
1. Современные схемы ректификации и конструкции внутренних устройств 12
1.1 Обзор базовых конфигураций схем ректификации 5
1.2 Повышение энергетической эффективности 6
1.3 Методы совершенствования установок ректификации нефти 10
1.3.1 Обвязка и интеграции 10
1.3.2 Использование высокоэффективных контактных устройств 14
1.3.3 Эффективное использование тепловой энергии потоков 15
2. Моделирование в САПР 17
2.1 Структура САПР 18
2.2 Ассортимент коммерческих САПР 19
2.3 Возможности HYSYS 21
2.3.1 Среда HYSYS 23
2.4 Возможности PRO/II 33
2.5 Методы анализа эффективности процессов дистилляции 34
2.5.1 Тепловой анализ 35
2.5.2 Эксергетический анализ 37
2.5.3 Расчет химической составляющей эксергии в процессе
фракционирования нефти 39
2.5.4 Расчет физической составляющей эксергии в процессе
фракционирования нефти 41
2.5.5 Термоэкономический анализ 42
2.6 Многокритериальная оптимизация 45
2.6.1 Математическая модель многокритериальной оптимизации 45
2.6.2 Симплексный метод планирования и оптимизации 47
3. Экспериментальная часть 50
3.1 Постановка задачи 50
3.2 Моделирование схем фракционирования 52
3.2.1 Моделирование схемы фракционирования без интеграции потоков 54
3.2.2 Моделирование схемы фракционирования с интеграцией потоков
(Схема Петлюка) 58
3.2.3 Описание технологии (Схема Петлюка) 59
3.3 Эксергетический анализ схем фракционирования нефти 61
3.4 Оптимизация схемы фракционирования Петлюка 63
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение.. 67
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования 68
4.2 Анализ конкурентных технических решений 69
4.3 Диаграмма Исикавы 71
4.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 72
4.4.1 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования 74
4.5 Инициация проекта 75
4.6 Планирование управления научно-техническим проектом 78
4.6.1 Бюджет научного исследования 78
4.6.2 Организационная структура проекта 82
4.6.3 Матрица ответственности 82
4.6.4 План проекта 83
4.7 Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и
экономической эффективности исследования 83
4.7.1 Оценка сравнительной эффективности исследования 83
5. Социальная ответственность 86
5.1 Производственная безопасность 87
5.1.1 Анализ опасных производственных факторов и обоснование
мероприятий по их устранению (производственная санитария) 87
5.1.2 Анализ вредных производственных факторов и обоснование
мероприятий по их устранению (производственная санитария) 91
5.2 Экологическая безопасность (Охрана окружающей среды) 93
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 97
5.4 Правовые и организационные мероприятия по обеспечению безопасности 99
5.4.1 Специальные правовые нормы трудового законодательства 99
5.4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны .... 100
Заключение 101
Список литературы 102
Приложение А 107
Приложение Б 119
Приложение В 123
Цель работы – разработка двух моделей фракционирования нефти:
двухколонная модель без интеграций потоков и с интеграцией (схема
Петлюка); выявление наиболее энергоэффективной схемы посредством
эксергетического анализа и дальнейшая оптимизация ее технологических
параметров.
Моделирование схем проводилось в САПР Aspen HYSYS.
Эксергетический анализ велся с использованием программного пакета Excel.
Технологическая схема с наибольшим значением суммарной эксергии
оптимизирована с применением симплексного метода планирования и
оптимизации.
Магистерская диссертация выполнена в текстовом редакторе
Microsoft Word 2010 шрифтом Tomes New Roman №14, с применением
прикладных программ: «Aspen HYSYS».
Введение
Объем добычи и переработки нефти на рубеже XXI века достиг огромных показателей. Г одовая добыча составляет более 3 млрд. т. нефти, и объемы добычи продолжают только расти. Ныне разведанные запасы составляют 100 млрд. тонн, их же распределение чрезвычайно неравномерно и характеризуется отдаленностью от мест их потребления и, в свою очередь, труднодоступностью. Проблема истощения нефтяных ресурсов является крайне актуальной и влечет за собой ряд рыночных и межгосударственных противоречий между добытчиками и потребителями нефти.
В этих условиях нефтедобыча должна обеспечивать глубокое и рациональное извлечение нефти, а нефтепереработка - глубокую и эффективную переработку нефтяного сырья, высокое качество нефтепродуктов (прежде всего моторных топлив и масел), экологически и технически безопасную технологию, и максимальное снижение энергопотребления на производство продукции [1,2].
Производство товарных нефтепродуктов не обходится без разделения нефти на составляющие фракции, которое в основном и в больших объемах реализуется посредством процесса ректификации, характеризующегося большой энергоёмкостью, сложностью и металлоемкостью конструкций массообменных аппаратов. Так, по данным фирмы « ГАЛФ ОЙЛ » в США на процессы ректификации ежегодно расходуется до 3% национального фонда потребления энергии [3]. Понижение этих расходов на 10% равнозначно дополнительной прибыли в год равной половине миллиарда долларов. Сравнительная доля затрат на схожие процессы в аналогичных отраслях промышленности России по причине отставания в технологичности процессов разделения даже превосходит вышеупомянутые цифры. Техникоэкономические показатели НПЗ данной стадии производства в значительной степени определяют ТЭП нефтепереработки в целом. В связи с этим исследования в области совершенствования технологии процессов
фракционирования нефтепродуктов и их аппаратурного оформления являются одним из важнейших направлений технического прогресса. К примеру, ежегодные затраты нефтяных компаний США на
совершенствование процессов ректификации составляют более 2 млрд. долларов [3].
Глубина переработки нефти, а также технологичность процессов первичной переработки нефти на отечественных НПЗ отстает от уровня зарубежных НПЗ. Перенимание каких-либо отдельных решений, как в области технологии, так и в области аппаратурного оформления процессов не всегда решает задачи снижения энергозатрат на производство и повышения качества продукции. Подобные заимствования, как правило, не носят системный характер и лишь решают задачи частного характера. В значительной степени это также относится к процессу ректификации, представляющего совокупность разных взаимосвязанных задач, решение которых должно осуществляться согласно стратегии системного анализа.
Совершенствование установок ректификации нефти может быть сгруппировано в следующих направлениях:
• Модернизация технологических схем реализации процесса посредством использования систем с тепловой и материальной интеграцией;
• Внедрение высокоэффективных контактных устройств (насадок) ректификационных аппаратов, обладающих высокой массообменной эффективностью и пониженным гидравлическим сопротивлением;
• Создание математических моделей процессов массо - и теплообмена процесса ректификации повышающих точность проектных решений;
• Модернизация тепло- и массообменного оборудования, направленная на интенсификацию процесса и снижение стоимости аппаратов разделения;
Исследование и совершенствование процессов разделения в нефте- и газопереработке предполагает широкое применение последних достижений в теории и практике во всех вышеотмеченных направлениях [4].
двухколонная модель без интеграций потоков и с интеграцией (схема
Петлюка); выявление наиболее энергоэффективной схемы посредством
эксергетического анализа и дальнейшая оптимизация ее технологических
параметров.
Моделирование схем проводилось в САПР Aspen HYSYS.
Эксергетический анализ велся с использованием программного пакета Excel.
Технологическая схема с наибольшим значением суммарной эксергии
оптимизирована с применением симплексного метода планирования и
оптимизации.
Магистерская диссертация выполнена в текстовом редакторе
Microsoft Word 2010 шрифтом Tomes New Roman №14, с применением
прикладных программ: «Aspen HYSYS».
Введение
Объем добычи и переработки нефти на рубеже XXI века достиг огромных показателей. Г одовая добыча составляет более 3 млрд. т. нефти, и объемы добычи продолжают только расти. Ныне разведанные запасы составляют 100 млрд. тонн, их же распределение чрезвычайно неравномерно и характеризуется отдаленностью от мест их потребления и, в свою очередь, труднодоступностью. Проблема истощения нефтяных ресурсов является крайне актуальной и влечет за собой ряд рыночных и межгосударственных противоречий между добытчиками и потребителями нефти.
В этих условиях нефтедобыча должна обеспечивать глубокое и рациональное извлечение нефти, а нефтепереработка - глубокую и эффективную переработку нефтяного сырья, высокое качество нефтепродуктов (прежде всего моторных топлив и масел), экологически и технически безопасную технологию, и максимальное снижение энергопотребления на производство продукции [1,2].
Производство товарных нефтепродуктов не обходится без разделения нефти на составляющие фракции, которое в основном и в больших объемах реализуется посредством процесса ректификации, характеризующегося большой энергоёмкостью, сложностью и металлоемкостью конструкций массообменных аппаратов. Так, по данным фирмы « ГАЛФ ОЙЛ » в США на процессы ректификации ежегодно расходуется до 3% национального фонда потребления энергии [3]. Понижение этих расходов на 10% равнозначно дополнительной прибыли в год равной половине миллиарда долларов. Сравнительная доля затрат на схожие процессы в аналогичных отраслях промышленности России по причине отставания в технологичности процессов разделения даже превосходит вышеупомянутые цифры. Техникоэкономические показатели НПЗ данной стадии производства в значительной степени определяют ТЭП нефтепереработки в целом. В связи с этим исследования в области совершенствования технологии процессов
фракционирования нефтепродуктов и их аппаратурного оформления являются одним из важнейших направлений технического прогресса. К примеру, ежегодные затраты нефтяных компаний США на
совершенствование процессов ректификации составляют более 2 млрд. долларов [3].
Глубина переработки нефти, а также технологичность процессов первичной переработки нефти на отечественных НПЗ отстает от уровня зарубежных НПЗ. Перенимание каких-либо отдельных решений, как в области технологии, так и в области аппаратурного оформления процессов не всегда решает задачи снижения энергозатрат на производство и повышения качества продукции. Подобные заимствования, как правило, не носят системный характер и лишь решают задачи частного характера. В значительной степени это также относится к процессу ректификации, представляющего совокупность разных взаимосвязанных задач, решение которых должно осуществляться согласно стратегии системного анализа.
Совершенствование установок ректификации нефти может быть сгруппировано в следующих направлениях:
• Модернизация технологических схем реализации процесса посредством использования систем с тепловой и материальной интеграцией;
• Внедрение высокоэффективных контактных устройств (насадок) ректификационных аппаратов, обладающих высокой массообменной эффективностью и пониженным гидравлическим сопротивлением;
• Создание математических моделей процессов массо - и теплообмена процесса ректификации повышающих точность проектных решений;
• Модернизация тепло- и массообменного оборудования, направленная на интенсификацию процесса и снижение стоимости аппаратов разделения;
Исследование и совершенствование процессов разделения в нефте- и газопереработке предполагает широкое применение последних достижений в теории и практике во всех вышеотмеченных направлениях [4].
В выпускной квалификационной работе был проведен литературный обзор методов повышения энергоэффективности схем фракционирования нефти, а также патентных наработок в этой области. Рассмотрены различные варианты организации схем фракционирования. В свою очередь заявлено, что схемы с частичной или полной интеграцией материальных и тепловых потоков являются наиболее энергоэффективными. Осуществлен обзор наиболее популярных систем автоматизированного проектирования (САПР). Описаны различные методы оценки энергоэффективности и оптимизации систем фракционирования нефти.
В САПР HYSYS смоделированы две схемы фракционирования нефти отличающихся наличием интеграции тепловых и материальных потоков. Посредством эксергетического анализа выявлено, что наибольшая энергоэффективность достигается в схеме с тепловой и материальной интеграцией - схеме Петлюка. В дальнейшем были предприняты действия по оптимизации технологических параметров данной схемы. Для оптимизации был использован симплексный метод планирования и оптимизации.
В разделах «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» и «Социальная ответственность» определены возможные потребители результатов исследования и его экономическая состоятельность, обнаружены и проанализированы вредные и опасные факторы, возникающие при работе с объектом исследования, проанализировано влияния исследуемого объекта на окружающую среду.
В САПР HYSYS смоделированы две схемы фракционирования нефти отличающихся наличием интеграции тепловых и материальных потоков. Посредством эксергетического анализа выявлено, что наибольшая энергоэффективность достигается в схеме с тепловой и материальной интеграцией - схеме Петлюка. В дальнейшем были предприняты действия по оптимизации технологических параметров данной схемы. Для оптимизации был использован симплексный метод планирования и оптимизации.
В разделах «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» и «Социальная ответственность» определены возможные потребители результатов исследования и его экономическая состоятельность, обнаружены и проанализированы вредные и опасные факторы, возникающие при работе с объектом исследования, проанализировано влияния исследуемого объекта на окружающую среду.