Затраты энергии на производство продукции в химической и нефтехимической промышленности России на 30-60% выше, чем в аналогичных зарубежных производствах. Энергозатраты в основных производствах азотной промышленности выше зарубежных на ~ 35%.

Хотя теории и практике химической энерготехнологии с детальным анализом отдельных производств и процессов в последнее время уделяется большое внимание, методы энергосбережения медленно внедряются в практику промышленных предприятий.

Вместе с тем, проблемы энергосбережения и пути их решения имеют достаточно общий характер для предприятий со схожей структурой производств.

На предприятиях азотной промышленности, как правило, имеется избыточный пар низких параметров, образующийся в технологических процессах, отработанный низкопотенциальный пар с турбоприводов, потоки конденсата и органических продуктов, имеющих высокую температуру, утилизация тепла которых затруднена из-за невозможности его использования напрямую в технологии.

Значительное количество тепла теряется с отходящими дымовыми газами печей риформинга природного газа, при дросселировании пара до технологически необходимых параметров и так далее.

В связи с этим представляет интерес рассмотрение некоторых общих подходов при решении проб-лем энергосбережения, не требующих существенного изменения в технологии и больших капитальных вложений.

На основании опыта многолетней совместной работы Гродненского ПО"Азот" с ОАО ГИАП (г. Москва), лабораторией термодинамики органических веществ НИИ физико-химических проблем Белгосуниверситета (г.Минск), НПО ЦКТИ (г. С.Петербург) можно выделить следующие, наиболее эффективные с точки зрения сроков окупаемости затрат направления:

Наиболее простым и эффективным способом решения проблемы утилизации низкопотенциального пара является повышение его давления до технологически приемлемых параметров с помощью паро-струйных компрессоров, методы расчета ко-торых хорошо разработаны [3].

В результате процесса инжекции за счет энергии пара более высоких параметров повышается давление инжектируемого пара и, кроме того, есть возможность повысить его температуру до необходимого значения, что очень важно в случае, если утилизируемый пар является насыщенным. Этот метод утилизации низкопотенциального пара имеет преимущества перед другими способами ввиду низких капитальных вложений и исключительной простоты конструкции применяемого оборудования, которое может быть изготовлено силами ремонтно-механических цехов предприятий.

Нами с применением паро-струйных компрессоров решены проблемы утилизации низко-потенциального пара с турбоприводов компрессоров в аммиачных производствах, избыточного технологического пара в производствах карбамида, реализуются схемы использования тепла горячего конденсата с предварительным получением пара вторичного вскипания, его последующим компремированием и выдачей в заводскую сеть, а также насыщенного низкопотенциального пара от теплоутилизационных установок [4].

Комбинированная выработка электроэнергии и теплоты на теплоэнергетическом оборудовании 

 В энергоемких химических производствах, потребляющих в больших количествах пар, су¬ществует, как правило, развитая система редукционно-охладительных установок (РОУ), редуцирующих пар высокого давления до технологически необходимых параметров, а также для собственных нужд котельной, отопления и так далее с большими теплопотерями.

Основной резерв экономии энергоресурсов в данном случае заключается в установке паровых турбин с максимально возможной выработкой электроэнергии, при котором питание основных потребителей пара организовано из отборов турбины, в минимальной степени предусматривая работу РОУ [5].

При этом, расход топлива на выработанный 1 кВт/ч, по сравнению с выработкой электроэнергии по чисто конденсационному циклу, снижается в три раза, а ее себестоимость для условий Гродненского ПО"Азот" ниже цены электроэнергии, потребляемой из сети, в 3-7 раз (в зависимости от места установки турбины).

Возможна ситуация, когда с целью максимальной выработки электроэнергии пар низких параметров вырабатывается в большем количестве, чем это необходимо для технологических нужд. В этом случае корректировку баланса необходимых параметров пара возможно осуществлять с помощью паро-струйных компрессоров.

Существенным элементом обоснования энергосберегающих технологий является термодинамический анализ процессов действующих производств с выполнением необходимых эксергетических расчетов.

Возможности такого подхода при решении задач энергосбережения можно проиллюстрировать на примере комплекса работ, выполненных совместно с лабораторией термодинамики НИИ физико-химических проблем Белгосуниверситета (рук. Г.Я. Кабо), в области технологии производства капролактама.

Выполнение эксергетических расчетов и на их базе разработка энергосберегающих технологий особо важно для многостадийных энергоемких производств, каким является производство капролактама, так как проектные решения даже современных производств не всегда базируются на глубоком термодинамическом анализе технологической схемы и при их проектировании больше следуют традициям и требованиям нормативной документации, чем логике энергосбережения.

Так, например, не практикуется использование тепла выходящих потоков ректификационных колонн для нагрева исходных продуктов, поступающих на ректификацию, часто не используется тепло, уносимое с продуктами реакции из химических реакторов, и так далее.

В результате теплообменных процессов большая часть теплоэнергии, поступающей на производство капролактама с паром, отводится оборотной водой и безвозвратно рассеивается в окружающей атмосфере.

Следует отметить, что хотя капролактам и является многотоннажным промышленным продуктом, данные о термодинамических свойствах полупродуктов его синтеза, необходимые для расчетов, немногочислены.

В связи с этим были исследованы термодинамические свойства всех промежуточных (циклогексанол, циклогексанон [6,7], циклогексаноноксим [8,9,10], капролактам [11]) и основных побочных (2-циклогексилциклогексанон, 2-циклогексенилцик-логексанон, 2-циклогексилиденциклогексанон [12], циклогексилацетат [13]) продуктов синтеза капролактама.

Для определения термодинамических свойств использовались методы исследования равновесия реакций, определения энтальпий сгорания, энтальпий фазовых переходов, измерение теплоемкости веществ в интервале 5-500 К, давления насыщенного пара, методы статистической термодинамики и в сочетании с литературными сведениями создана база термодинамических данных для всех ключевых соединений производства [14,15]. С использованием полученных данных выполнен эксергетический анализ отдельных стадий и определены основные направления снижения энергопотребления, часть из них реализована в производстве.

Термодинамический анализ стадии дегидрирования циклогексанола показал, что процесс в промышленных условиях зачастую реализуется в условиях, близких к равновесным. В этом случае целесообразно повышение объемных скоростей подачи исходного сырья, что не оказывает заметного влияния на степень конверсии и, соответственно, эксергетический КПД процесса, но приводит к существенному снижению содержания побочных продуктов в катализате.

С другой стороны, осуществление процесса в термодинамически неблагоприятных условиях снижает эксергетический к.п.д. процесса за счет повышенных энергозатрат на стадии ректификации.

Математическое моделирование тепло- и массообменных процессов, протекающих в трубчатом реакторе дегидрирования циклогексанола [16], показал, что конечная темпера-тура реакционной смеси в противоточном по отношению к теплоносителю режиме работы на 15 К больше, чем для прямоточного режима, что соответствует приросту концентраций циклогексанона на ~ 10% и, соответственно, снижает энергозатраты на стадии выделения целевого продукта. На основании полученных данных на одном из производств капролак-тама завершен перевод реакторов дегидрирования на противоточный режим работы.

Частичная рециркуляция продуктов реакций с промежуточным отделением водорода [7] также повышает эксергетический к.п.д. процесса.

На основе анализа теплообменных процессов, протекающих на стадии ректификации продуктов окисления циклогексана и дегидрирования циклогексанола, внедрены оптимальные с точки зрения эксергетического анализа варианты теплообмена.

Дано термодинамическое обоснование процесса глубокой переработки побочных продуктов -2-циклогексенилциклогексанона, 2-циклогексили-денциклогексанона и сложных эфиров, входящих в состав отходов производства, - "Х-масел" - в целевые продукты. Реализация процесса в промыш¬ленных условиях подтвердила возможность дополнительно выробатывать до 300 кг циклогексанона и циклогексанола из 1 т исходного "Х-масла".

Даны рекомендации по совершенствованию технологии производства [17].

Утилизации тепла газовых выбросов

Проблема утилизации тепла газовых выбросов существует при обезвреживании (сжигании) отходов производства под атмосферным давлением, выбросе отходящих дымовых газов с высокой температурой из технологических установок и так далее.

Сложность решения проблемы состоит в необходимости применения больших теплообменных поверхностей, что требует значительных капитальных вложений.

Нами разработана система утилизации тепла дымовых газов печей риформинга крупнотоннажных агрегатов аммиака с применением теплообменных поверхностей из оребренных труб со спиральной навивкой по наружному диаметру, что существенно снижает металлоемкость оборудования.

Теплота утилизируется в виде нагретой до температуры 150-160°С и давлением 0.6-0.7 МПа воды с последующей генерацией пара и его использованием на технологические нужды [5].

При необходимости повышения его температуры и давления это, как отмечалось выше, возможно сделать с помощью паро-струйных компрессоров.

Нами насыщенный пар, полученный с установки утилизации тепла дымовых газов печи риформинга агрегата аммиака мощностью 1360 т/сутки, компремируется паром 2.7 МПа с одновременным повышением температуры и используется на установке ректификации метанола. Избыток полученного пара выдается в общезаводскую сеть. Результаты работы показывают, что срок окупаемости затрат на создание установки составляет около 0.2 года.

Перечисленные направления энергосбережения не исчерпывают, естественно, всех аспектов этой проблемы, однако иллюстрируют возможность экономии энергоресурсов в ряде случаев без существенных капитальных вложений, а также подчеркивают необходимость решения этих задач на стадии проектирования или с целью оптимизации действующих производств, с позиций термодинамики.
 
Библиография
 
1. Саркисов П.Д. // Хим.пром., 2000, №1, с. 20-27.
2. Лейтес И.Л., Сосна М.Х., Семенов В.П. Теория и практика химической энерготехнологии. II М.,Химия, 1988.
3. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. II М., Энергоатомиздат, 1989 г.
4. Патенты РБ № 2131; № 2177. Пол.реш.по заявке РБ № 961129 от 21.02.1999 г., заявка РБ 19980475.
5. Крутиков П.А., Мизюк В.С., Тупицын С.П., Шаповал И.Ф., Юрша И.А. // Тяжелое машиностроение, 1977, №1, с. 20-22.
6. Каbо G.J.,Jursha I.А., Fгепкеl М.L., …, J.Chem.Thermodunamics,1988, v.20, р.429-437.
7. Френкель М.Л., Юрша И.А., Кабо Г.Я., Федосеенко В.И. //ЖПХ, 1989, т. 62, №5, с. 113-1176.
8. Козыро А.А., Марачук Л.И., Красулин А.П., Юрша И.А., Кабо Г.Я. // ЖПХ, 1989, т.62, с. 595-599.
9. Козыро А.А., Шейман М.С., Кабо Г.Я., Юрша И.А., Крук В.С. //ЖПХ, 1991, т.64, №8, с. 1704-1709.
10.Kozuro A.A. ,…, J.Chem.Thermodunamics, 1992, у.24, №8, р. 883-895.
11.Kabo G.J,..., 1992, J.Chem.Thermodunamics, V. 24, №1, р. 1-13.
12.Марачук Л.И., Козыро А.А., Кабо Г.Я., Юрша И.А., Красулин А.П.,Севрук В.М. // ЖПХ, 1992, т. 65, № 4, с. 875-880.
13.  Симирский В.В., Козыро А.А., Кабо Г.Я., Юрша И.А., Марачук Л.И. // ЖПХ, 1992, т. 65, с. 1638-1645.
14.  Юрша И.А. Физико-химические основы совершенствования производства капролактама. II Автореферат дис.докт.хим.наук, Минск, Белгосуниверситет, 1989.
15.  Козыро А.А. Термодинамические свойства продуктов промышленного синтеза карбамида, капролактама, диметилтерефталата и родственных соединений. // Автореферат дис.докт.хим.наук, Белгосуниверситет, Минск, 1997 г.
16.  Френкель М.Л., Юрша И.А., Конторович И.И., Кабо Г.Я. // Хим.пром., 1988, № 12, с. 707-709.
17.  Юрша И.А..Антонова З.А., Симирский В.В., Кабо Г.Я., Козыро А.А., Крук В.С. //Хим.пром., 1997, № 11,
С. 726-733.
Юрша Иосиф Антонович - д.х.н., заместитель главного инженера по новой технике Гродненского ПО «Азот».

C текущей ситуацией и прогнозом развития мирового и российского рынка капролактама можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок капролактама в России».

www.newchemistry.ru