Синтез оптимальной системы теплообмена процессов разделения многокомпонентных смесей

Алина Альбертовна Рыжова; Илья Игоревич Емельянов; Надир Низамович Зиятдинов

doi:10.17308/sait.2021.2/3504

Алина Альбертовна Рыжова Казанский национальный исследовательский технологический университет https://orcid.org/0000-0001-5918-8296
Илья Игоревич Емельянов Казанский национальный исследовательский технологический университет https://orcid.org/0000-0003-0257-0739
Надир Низамович Зиятдинов Казанский национальный исследовательский технологический университет https://orcid.org/0000-0002-2314-8935

DOI: https://doi.org/10.17308/sait.2021.2/3504

Ключевые слова: тепловая интеграция, ЭЛОУ АВТ, пинч-анализ, рекуперация тепла, синтез систем, математическая модель

Аннотация

Рассмотрены вопросы оптимальной организации системы теплообмена установки первичной перегонки нефти ЭЛОУ АВТ. Для этого с целью выявления экономической целесообразности функционирующей системы теплообмена проведен пинч-анализ. В результате пинч-анализа были построены композитные кривые горячих и холодных потоков и большая составная кривая, позволившие определить предельно возможное количество рекуперируемой энергии технологическими потоками, тип энергоносителей по энергетическому уровню и значение оптимальной движущей силы, при которой обеспечивается минимум критерия оптимальности — суммарных приведенных и капитальных затрат. Результаты пинч-анализа показали наличие около 30 % полезной энергии для рекуперации технологическими потоками установки. Анализ методов синтеза оптимальных систем теплообмена показал, что одним из наиболее эффективных методов решения крупномасштабных задач является декомпозиционный подход, который подразумевает разбиение задачи синтеза на несколько подзадач меньшей размерности: задачи линейного программирования для минимизации энергетических затрат, задачи дискретно-непрерывного линейного программирования для минимизации числа теплообменного оборудования, задачи нелинейного программирования для определения минимальных суммарных приведённых затрат. В результате использования алгоритма декомпозиционного синтеза, были найдены оптимальные структуры системы теплообмена, режимы работы входящих в их состав теплообменников и даны экономические оценки найденным структурам. Результаты синтеза оптимальных систем теплообмена показали возможность для снижения суммарных приведенных затрат на 40 % при реорганизации функционирующей системы теплообмена. Анализ результатов синтеза схем с возможностью регенерации тепловой энергии показал возможность дополнительной экономии до 6377 тыс. у.е./г, что стало возможным вследствие использования излишков энергии для подогрева технологических потоков близлежащих установок.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Алина Альбертовна Рыжова, Казанский национальный исследовательский технологический университет

аспирант кафедры системотехники, Казанский национальный исследовательский технологический университет

Илья Игоревич Емельянов, Казанский национальный исследовательский технологический университет

канд. техн. наук, доц., доцент кафедры системотехники, Казанский национальный исследовательский технологический университет

Надир Низамович Зиятдинов, Казанский национальный исследовательский технологический университет

д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой системотехники, Казанский национальный исследовательский технологический университет

Литература

1. Boldyryev S., Varbanov P., Nemet A., Klemeš J. & Kapustenko P. (2013) Capital Cost Assessment for Total Site Power Cogeneration. Computer Aided Chemical Engineering. 32, P. 361–366. DOI: 10.1016 / B978-0-444-63234-0.50061-0.
2. Chernysheva E. A. (2011) Problemy i puti razvitiya glubokoy pererabotki nefti v Rossii [Problems and ways of development of deep oil refining in Russia]. Drilling and oil. (5). (in Russian).
3. Lisitsyn N. V. (2002) Optimum control of a crude oil processing Plant. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 36 (3), P. 273-278. DOI: 10.1023/А:1015804122456. (in Russian).
4. Popov A. P., Tikhomirov S. G., Khaustov I. A. et al. (2020) System analysis and synthesis of a predictive control system for the process of thermooxidative destruction of a polymer in a batch reactor. Bulletin of the Voronezh State University. Series: System analysis and information technology. (1). P. 36–50. DOI 10.17308 / sait.2020.1 / 2582. (in Russian).
5. Tikhomirov, S. G.,Avtsinov, I.A, Turovsky Ya. A. et al. (2019) Hardware and software complex for managing biotechnological systems using intelligent information technologies. Bulletin of the Voronezh State University. Series: System Analysis and Information Technology. (3), P. 158–165. (in Russian).
6. Song R., Wang Y., Panu M., El-Halwagi M. & Feng X. (2018) Improved targeting procedure to determine the indirect interplant heat integration with parallel connection pattern among three plants. Ind. Eng. Chem.Res. 57 (5), P. 1569–1580. DOI: 10.1021/acs.iecr. 7b04327.
7. Tovazhnyanskii L. L., Kapustenko P. A., Ul’Ev L. M., Boldyrev S. A., Arsen’Eva O. P. & Tarnovskii M. V. (2009) Thermal process integration in the AVDU A12/2 crude distillation unit during winter operation. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 43 (6), P. 906–917. DOI: 10.1134 / S0040579509060086. (in Russian).
8. Bagajewicz M., Valitinson G. D. & Nguen Thanh (2013) Retrofit of Crude Units Preheating Trains: Mathematical Programming versus Pinch Technology analysis (PA) and mathematical programming (MP). Ind. Eng.Chem.Res. 52 (42), P. 14913–14926. DOI: 10.1021 / ie401675k.
9. Klemeš J. J., Varbanov P. S., Walmsley T. G. & Jia X. (2018) New direction in the implementation of Pinch Methodology. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 98, P. 439–468. DOI: 10.1016/j.rser. 2018.09.030.
10. Linnhoff B. & Flower J. R. (1978) Synthesis of Heat Exchanger Networks. I. Systematic Generation of Energy Optimal Networks. AIChE. 24, P. 633–642. DOI: 10.1002/aic. 690240411.
11. Biegler L. T. (1997) Systematic methods of chemical process design. In: Grossmann I. E., Westerberg A. W. New Jersey : Prentice Hall PTR. 12. Tsirlin A. M., Akhremenkov A. A. & Grigorevskii I. N. (2008) Minimal irreversibility and optimal distributions of heat transfer surface area and heat load in heat transfer systems. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 42 (2), P. 203–210. DOI: 10.1134/S0040579508020139. (in Russian).
13. Biegler L. T. (2010) Nonlinear Programming: Concepts, Algorithms, and Applications to Chemical Processes. Philadelphia: Society for Industrial. Applied Mathematics, and Mathematical Optimization Society. P. 399. DOI: 10.1137 /1.9780898719383.
14. Grossmann I. E., Yeomans H. & Kravanja Z. A. (1998) Rigorous Disjunctive Optimization Model for Simultaneous Flowsheet Optimization and Heat Integration. Comput. Chem. Eng. 22, S157-S164.
15. Yee T. F. & Grossmann I. E. (1990) Simultaneous optimization models for heat integration – II. Synthesis of heat exchanger networks. Comput. Chem. Eng. 14 (10), P. 1165–1184. DOI: 10.1016/0098-1354(90)85010-8.
16. Emelyanov I. I., Ziyatdinov N. N. & Ostrovsky G. M. (2016) Sintez optimal’nykh odnostadiynykh setey teploobmena khimiko-tekhnologicheskikh system [Synthesis of optimal one-stage heat exchange networks of chemical-technological systems]. Bulletin of the Technological University. 19(17), P. 132–137. (in Russian).
17. Lapteva T. V., Ziyatdinov N. N. & Emel’yanov I. I. (2020) Chemical process design taking into account joint chance constraints. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 54(1), P. 145–156. DOI: 10.31857/S0040357120010133. (in Russian).
18. Ziyatdinov N. N., Emelyanov I. I., Baimukhametova G. Z. & Tuen L. K. (2016) System analysis of the ethyl alcohol rectification unit as an object of heat integration. Bulletin of the Technological University. 19 (15), P. 131–136. (in Russian).
19. Ziyatdinov N. N., Emel’yanov I. I., Lapteva T. V., Ryzhova A. A. & Ignat’ev A. N. (2020) Method of Automated Synthesis of Optimal Heat Exchange Network (HEN) Based on the Principle of Fixation of Variables. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 54 (2), P. 258–276. DOI: 10.1134/ S0040579520020189. (in Russian).
20. Ziyatdinov N. N., Emel’yanov I. I., Chen Qi & Grossmann I. E. (2020) Optimal heat exchanger network synthesis by sequential splitting of process streams. Computers & Chemical Engineering. 142 (11), P. 107042–107090.. DOI: 10.1016/j.compchemeng.2020.107042
21. Ostrovskii G. M., Ziyatdinov N. N. & Emel’yanov I. I. (2015) Synthesis of optimal systems of simple distillation columns with heat recovery. Doklady Chemistry. 461 (1). P. 89–92. DOI: 10.7868/S0869565215080149. (in Russian).
22. Basement S. L., Podvalny S. L., Ledeneva T. M., Povalyaev A. D. & Podvalny E. S. (2013) Problems of development of intelligent systems of multichannel modeling. Bulletin of the Voronezh State Technical University. 9 (3-1), P. 19–23. (in Russian).
23. Podvalny S. L. & Vdovin D. A. (2020) Development of special software for solving transport problems with a modified genetic algorithm using multithreading. Bulletin of the Voronezh State Technical University. 16 (4), P. 7–12. DOI 10.25987/VSTU.2020.16.4.001. (in Russian).
24. Cerda J. & Westerberg A. W. (1983b) Synthesizing heat exchanger networks having restricted stream/stream matches using transportation problem formulation. Chem. Eng. Sci. 10 (38), P. 1723–1740. DOI:10.1016/0009-2509(83)85029-5.
25. Cerda J., Westerberg A. W., Mason D. & Linnhoff B. (1983) Minimum Utility Usage in Heat Exchanger Network Synthesis. Chem. Eng. Sci. 3 (38), P. 373–387. DOI: 10.1016/0009-2509(83)80156-0.
26. Papoulias S. A. & Grossmann I. E. (1983) A Structural Optimization Approach in Process Synthesiss II. Heat Recovery Networks. Comput. Chem. Eng. 7 (6). P. 707–721. DOI: 10.1016/0098-1354(83)85023-6.
27. Barabanov V. F., Nuzhny A. M. & Podvalny S. L. (2003) Decomposition of the problem of space-planning design of processing enterprises. Bulletin of the Voronezh State Technical University. (8-3), P. 43–47.