 |
Минобрнауки России. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение. Высшего профессионального образования
|
|
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Нижневартовский государственный университет»
Кафедра «Нефтегазовое дело»
С. П. Шатило, Н. Н. Родионцев, А. Ю. Ковалев
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ
«Ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии при эксплуатации нефтегазопроводов»
для направления подготовки бакалавров
131000. 62 «Нефтегазовое дело»
Нижневартовск, 2020
Содержание
Введение............................................................................................................................................. 4
1 Понятие ресурсов и эффективность их использования.............................................................. 7
1. 1 Общая характеристика сырьевых ресурсов........................................................................... 7
1. 2 Общая характеристика топливо-энергетических ресурсов................................................ 10
1. 3 Показатели эффективности использования энерго- и сырьевых ресурсов....................... 15
2 Сырьевая и энергетическая база химической промышленности............................................. 21
2. 1 Сырьевая база.......................................................................................................................... 21
2. 2 Рациональное и комплексное использование сырьевых ресурсов.................................... 24
2. 3 Вода и воздух.......................................................................................................................... 27
3 Методы анализа совершенства химико-технологических систем.......................................... 32
3. 1 Общие методы термодинамического анализа ХТС............................................................ 32
3. 2 Принципы энергетического анализа..................................................................................... 33
|
|
|
3. 3 Принципы энтропийного анализа......................................................................................... 34
3. 4 Принципы эксэргетического анализа................................................................................... 38
3. 5 Эксэргетический метод термодинамического анализа ХТС.............................................. 39
3. 6 Степень термодинамического совершенства технических процессов.............................. 43
3. 7 Расчет эксэргетического к. п. д. .............................................................................................. 46
4 Основные направления энерго- и ресурсосбережения в химической технологии................. 54
4. 1 Принципы создания ресурсосберегающих технологий...................................................... 54
4. 2 Принципы создания энергосберегающих технологий........................................................ 57
4. 3 Основные направления повышения эффективности использования ресурсов................ 62
5 Интеграция процессов и производств......................................................................................... 65
5. 1 Общая характеристика............................................................................................................ 65
5. 2 Интеграция процессов............................................................................................................ 69
5. 2. 1 Основные способы интеграции процессов..................................................................... 69
5. 2. 2 Сопряженные процессы .................................................................................................. 72
5. 2. 3 Массообменные сопряженные процессы....................................................................... 75
5. 3 Совмещенные процессы......................................................................................................... 79
5. 3. 1 Принцип совмещения........................................................................................................ 79
5. 3. 2 Классификация совмещенных процессов ....................................................................... 80
5. 3. 3 Реакционно-массообменные процессы........................................................................... 82
5. 3. 4. Другие совмещенные процессы ...................................................................................... 95
|
|
|
Литература........................................................................................................................................ 98
Введение
Нефтегазовая отрасль по своей трудоемкости, материалоемкости и тяжести техногенного воздействия на природу занимает одно из первых мест в топливно-энергетическом комплексе (ТЭК) России. Особенно большой объем работ, материально-технических и топливно-энергетических ресурсов (МТР и ТЭР) приходится на строительство и эксплуатацию нефтегазопроводов, скважин, которое к тому же оказывает доминирующее воздействие на окружающую среду.
В настоящее время затраты на МТР и ТЭР составляют 35-45% от общей стоимости строительства нефтегазопроводов и скважин, а доля затрат на природоохранные мероприятие уже составляет 3-7% и имеет тенденцию к дальнейшему росту в связи с повышенным вниманием к охране окружающей среды.
Вместе с тем проведенный анализ природоохранных мероприятий при бурении скважин по данным показал, что эколого-экономические затраты находятся в прямой зависимости от объемов потребляемых МТР и ТЭР, от длительности и качества строительства скважин. Сокращение материальных затрат и длительности работ на 1-2% равнозначно снижению в 2-3 раза затрат на природоохранные мероприятия.
В этой связи проблема разработки научно обоснованных, выбора и внедрения экономичных, ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий весьма актуальна для нефтегазодобывающей отрасли ТЭК и, в первую очередь, для строительства и эксплуатации нефтегазопроводов и скважин.
Глава 1. Понятие ресурсов и эффективность их использования
1. 1 Общая характеристика сырьевых ресурсов
Различают следующие виды сырья для химической промышленности:
- углеводородное;
- минеральное;
- сельскохозяйственное.
Рассмотрим вышеуказанные группы сырьевых источников более подробно. В группу углеводородного сырья входят:
- нефть и газоконденсаты;
- природные, попутные и искусственные газы;
- каменный уголь;
- горючие сланцы;
- торф.
Нефть представляет собой жидкую природную смесь углеводородов. Включает так-же в небольших количествах металлы, смолы, асфальтовые соединения, соли, кислоты, серу, кислород, механические примеси, воду, сероводород. По внешнему виду нефть – маслянистая жидкость. Цвет нефти зависит от содержания и строения смолистых веществ и изменяется от черного и до светлого и бесцветного. По химическому составу углеводороды относятся к следующим классам: парафиновые, нафтеновые и ароматические. Углеводороды с числом атомов С1-С4 – газы, входят в состав нефти в растворенном состоянии (до 4%). Угле- водороды С5-С15 – при нормальных условиях находятся в жидком состоянии, С16 и выше – в твердом. Твердые углеводороды носят название парафинов и церезинов. Их количество в нефтях доходит до 5 – 12 %.
|
|
|
По элементарному составу в нефтях содержится (% масс):
- углерода 82 – 87
- водорода 11-15
- кислорода ≤ 0, 9
- серы ≤ 3, 5 (иногда выше)
- азота ≤ 0, 4.
Газоконденсаты – состоят из тех же, но более легких углеводородов. Их цвет изменя- ется от слегка бурого до бесцветного.
Природные газы – газы, добывающие на газовых месторождениях. Представляют собой смесь углеводородов С1-С5; включают в небольших количествах более тяжелые углеводороды, СО2, N2, He, H2 и др.
Попутные газы – добывают на нефтяных месторождениях.
Искусственные газы – получают в процессе переработки нефти, угля, сланцев, путем синтеза (С+Н).
Уголь – используется непосредственно в качестве сырья (процессы гидрогенизации). Применяются также и газообразные продукты коксохимического производства.
Сланцы – используются аналогично.
Торф – рассматривается в качестве альтернативного источника сырья. Технология переработки в настоящее время пока экономически нецелесообразна.
Нефть и газ — это основные источники энергии и углеводородного сырья в современном мире. На топливах, полученных из них, работают двигатели сухопутного, воздушного и водного транспорта, тепловые электростанции. Нефть и газ перерабатывают в химическое сырье для производства пластических масс, синтетических каучуков, искусственных волокон, минеральных удобрений и др. В настоящее время насчитывается свыше 100 различных процессов первичной и вторичной переработки нефти, реализованных в промышленности Намечается внедрение новых, весьма перспективных разработок, направленных на улучшение качества продукции и совершенствование технологии.
|
|
|
В группу минерального сырья входят:
- серосодержащее сырье;
- фосфорсодержащее сырье;
- калийсодержащее сырье;
- сырье для производства содопродуктов и других неорганических соединений;
- вода, воздух и другие газы.
Одним из самых распространенных видов сырья для получения серной кислоты являются сульфидные руды. Создание отечественной сырьевой базы для сернокислотного производства происходило параллельно с развитием цветной металлургии. В процессе флотационного обогащения сульфидных руд цветных металлов (меди, цинка) в качестве отхода получался флотационный колчедан, содержащий до 4% серы.
Другими источниками серы являются уголь, нефть, природные и попутные, горючие и топочные газы, отходящие газы металлургических печей, сероводород, образующийся при коксовании угля, переработке сланцев, генераторный газ, газы нефтепереработки и т. п. Од- ним из мощных источников серосодержащего сырья является Астраханское газоконденсатное месторождение.
Использование и утилизация серосодержащих отходящих газов имеет важное социально-экономическое и природоохранное значение с точки зрения ликвидации загрязнения воздушного пространства в районах расположения заводов.
Наиболее экономичным видом сырья для сернокислотного производства является самородная сера. Природная сера добывается подземным способом,
поднимается на поверхность, где обогащается и плавится. Достаточно широко применяется способ подземной выплавки серы (метод Фраша). При этом сера расплавляется в недрах земли паром или горячей водой и под давлением подаваемого воздуха через скважины поднимается на поверхность (как при добыче нефти). Таким образом, исключается необходимость поднимать всю руду и вести ее обогащение. Однако возможность применения метода Фраша зависит от горно- геологических условий месторождения.
Удельный вес применения элементарной среды в производстве серной кислоты постоянно повышается. Установлено, что удельные капитальные вложения в строительство сернокислотных цехов, работающих на сере, почти в два раза ниже, чем при работе на колчедане. Поэтому доля колчедана в общем балансе серосодержащего сырья уменьшается.
|
|
|
Важным источником серосодержащего сырья является фосфогипс (CaSO4 2H2O) – отход производства фосфорной кислоты экстракционным методом. Реализация разработок технологического процесса получения серной кислоты на базе использования фосфогипса – важная народнохозяйственная задача.
В химической промышленности используется два вида фосфатного сырья – апатиты и фосфориты. Их месторождение в России находятся на Кольском полуострове (Хибины), в центральной области (Смоленский, Подольский, Верхнекамский рудники), в Сибири (Иркутская область, район Байкало-Амурской магистрали). Фосфаты добывают подземным (шахты) и открытым (карьеры) способами, измельчают, обогащают. Используют в качестве минеральных удобрений в виде муки. Наиболее перспективным является производство сложных минеральных удобрений экстракционным способом из фосфатного сырья. При этом, однако, имеются две проблемы: значительное количество в виде фосфогипса и значительная величина транспортных расходов на доставку сырья к месту переработки.
Основным сырьем для производства калийных удобрений являются природные калийные соли. Калий – один из основных элементов питания культурных растений. Его соединения широко распространены в природе. Природные калийные соли используются в качестве минеральных удобрений, исходного сырья для производства едкого калия, бертолетовой соли, перекиси калия, нитрата калия и других соединений. Наиболее крупные месторождения калийных солей расположены на Северном Урале (Соликамский и Березовский комбинаты), в Приуралье, Сибири. Известные месторождения калийных солей подразделяются на два основных типа: хлоридные (92%) и сульфатные ( 8%).
Наша страна располагает значительными запасами минерального сырья для производства содопродуктов и различных неорганических соединений. Сюда относятся хлористые соли натрия, калия, магния, сульфаты натрия и кальция. Каменная поваренная соль широко применяется для производства каустической и кальцинированной соды, хлорметаллического натрия, других продуктов.
Наиболее мощные месторождения поваренной соли находятся на Верхней Каме (Соликамск), в Башкирии (Стерлитамак), в Поволжье, Тульской и Иркутской областях. На многих месторождениях соль добывают наиболее экономичным способом – путем подземного выщелачивания и перекачки рассола на поверхность для подачи заводским потребителям. Хлористый натрий добывается также совместно с калийными солями и сульфатом натрия и извлекается попутно с ними.
В группу сельскохозяйственного сырья входят: зерно, картофель, сахарная свекла, растительные масла, животные жиры, древесина и т. д. Основным направлением сырьевой технической политики в химической промышленности является максимальная замена сельсхозсырья другими его видами, замена пищевых продуктов отходами сельскохозяйственного и лесотехнического производства (кочерыжки злаковых, кожура семечковых и косточковых, солома, опилки и стружки и т. п. ) Исключение составляют эфиромасличные (розы, травы и др. ) культуры, выращиваемые целенаправленно для медицинской и парфюмерно- косметической промышленности.
Снижение потребления растительных масел для технических целей, в частности в производстве лакокрасочных материалов, достигается путем коренного изменения их ассортимента за счет широкого использования синтетических пленкообразующих веществ. В производство вовлечены такие эффективные заменители растительных масел, как нефтеполимерные смолы, низкомолекулярные каучуки, побочные продукты переработки капролактама, целлюлозы, синтетические жирные кислоты и др.
Древесина во многих случаях позволяет заменить пищевые продукты. Из нее, в частности получают спирты, сахар, глюкозу, белковые дрожжи, фенол, ацетон и др.
1. 2 Общая характеристика топливо-энергетических ресурсов
Виды энергии . В настоящее время имеется научно обоснованная классификация видов энергии. Их много – около 20. Рассмотрим только те виды энергии, которые сейчас наиболее часто используются как в повседневной жизни, так и в научных исследованиях.
1. Ядерная энергия – энергия связи нейтронов и протонов в ядре, освобождающаяся в различных видах при делении тяжелых и синтезе легких ядер; в последнем случае ее называют термоядерной.
2. Химическая (логичнее – атомная) энергия – энергия системы из двух или более реагирующих между собой веществ. Эта энергия высвобождается в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при химических реакциях. Когда мы говорим – АЭС (атомная электростанция), это не совсем точно. Точнее было бы – ЯЭС (ядерная электростанция).
3. Электростатическая энергия – потенциальная энергия взаимодействия электрических зарядов, то есть запас энергии электрически заряженного тела, накапливаемый в процессе преодоления им сил электрического поля.
4. Магнитостатическая энергия - потенциальная энергия взаимодействия “магнитных зарядов”, или запас энергии, накапливаемый телом, способным преодолеть силы магнитного поля в процессе перемещения против направления действия этих сил. Источником магнитно- го поля может быть постоянный магнит, электрический ток.
5. Упругостная энергия – потенциальная энергия механически упруго измененного тела (сжатая пружина, газ), освобождающаяся при снятии нагрузки чаще всего в виде механической энергии.
6. Тепловая энергия – часть энергии теплового движения частиц тел, которая освобождается при наличии разности температур между данным телом и телами окружающей среды.
7. Механическая энергия – кинетическая энергия свободно движущихся тел и отдельных частиц.
8. Электрическая (электродинамическая) энергия – энергия электрического тока во всех его формах.
9. Электромагнитная (фотонная) энергия – энергия движения фотонов электромагнитного поля.
Часто в особый вид энергии выделяют биологическую. Биологические процессы – это особая группа физико-химических процессов, но в которых участвуют те же виды энергии, что и в других.
Виды энергии, используемой в технике. Из всех известных видов энергии, а также и перечисленных выше, в практике непосредственно используются всего четыре вида: тепловая (около 70-75 %), механическая (около 20-22 %), электрическая (около 3-5 %) и электромагнитная – световая (менее 1 %).
Главным источником непосредственно используемых видов энергии служит пока химическая энергия минеральных органических горючих (уголь, нефть, природный газ и др. ), запасы которой, составляющие доли процента всех запасов энергии на Земле, вряд ли могут быть бесконечными (т. е. возобновляемыми).
В настоящее время в ряде стран все шире используются возобновляемые источники энергии (ветровая, речной воды и др. )
Общие запасы энергии оцениваются ресурсами, которые можно разделить на две большие группы – невозобновляющиеся и возобновляющиеся.
К первой группе следует отнести запасы органического топлива, ядерной энергии деления. К этой группе некоторые специалисты относят также и геотермальную энергию.
Возобновляющаяся энергия:
– падающая на поверхность Земли солнечная энергия;
– геофизическая энергия (ветра, рек, морских приливов и отливов);
– энергия биомассы – это древесина, биологические отходы и др.
Из разведанных и легко добываемых запасов органического топлива на Земле можно назвать следующие объемы (в млрд. т у. т. ): уголь (включая бурый) – 800; нефть – 90; газ –85; торф – 5.
Так что легко добываемые запасы энергоресурсов никак нельзя назвать значительными.
Следует отметить, что распределение запасов органического топлива на земле очень неравномерно. Более 80 % сосредоточено на территории Северной Америки, бывшего СССР и развивающихся стран. Это уже служит основанием для возникновения всякого рода чрезвычайных ситуаций и кризисов.
В настоящее время мировое потребление невозобновляемых энергоресурсов в год составляет, по разным данным, 12-15 млрд. т у. т. Из них более 50 % составляют нефть и газ.
Из возобновляемых источников энергии наибольшее развитие получила гидроэнергетика, до 9% от общей выработки электроэнергии. Пока возможный технически гидроэнергетический потенциал используется в мировой практике примерно на 0, 1 % из общего мирового потенциала в 7 млрд. т у. т. /год.
Общий вклад в современное энергопроизводство таких источников энергии, как солнечная, ветровая, приливная, очень мал и не превышает 0, 1 %. Оценки, выполненные в Японии, свидетельствуют, что максимальный вклад этих источников при современных методах использования предельно может достичь 3 % от современного уровня энергообеспечения (для Японии). Следует учесть, что не каждая страна может себе позволить необходимые инвестиции в освоение этих видов энергоресурсов.
Достаточно перспективно использование энергии биомассы. Общий энергетический потенциал биомассы оценивается в 5, 5 млрд. т у. т. /год. В ряде стран (Китай, США, Индия) для освоения энергии биомассы широко используются биогазовые установки для получения искусственного горючего газа. Подобные установки имеются и в нашей стране, которые также производят высокоэффективные удобрения.
Считается, что в российском животноводстве и птицеводстве в год образуется около 150 млн. т. органических отходов. При их переработке в биогазовых установках можно еже- годно получать дополнительно 95 млн. т у. т., что эквивалентно 190 млрд. кВтч электроэнергии. Этой энергии достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией весь агрокомплекс России.
Плюс к тому – полученные в биореакторах более 100 млн. т высокоэффективных удобрений (без следов нитритов и нитратов, болезнетворной микрофлоры и даже семян сорняков). Однако темпы освоения возобновляемых источников энергии в нашей стране чрезвычайно низки.
Энергетические ресурсы делятся на первичные и вторичные (табл. 1. l).
Таблица 1. 1 - Классификация энергетических ресурсов
| Первичные | Вторичные |
| Невозобнавляемые: уголь, нефть, сланцы, природный газ, торф, радиоактивные метал- лы. Возобнавляемые: древесина, гидроэнергия, энергия ветра, солнца, геотермальная энер- гия, термоядерная энергия. | Промежуточные продукты обогащения и сортировки углей, гудроны, остаточные продукты переработки нефти, древесины; горючие газы; тепло уходящих газов; отра- ботанный пар силовых промышленных установок; горячая вода из систем охлажде- ния. |
Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) относятся к минеральным ресурсам (полезным ископаемым) – это часть природных ресурсов, скопления минералов в недрах литосферы (земной коры) Земли в промышленных концентрациях. Как и все минеральные ресурсы, ТЭР относятся к категории исчерпаемых и невозобновляемых.
Рациональность их использования определяется полнотой отбора, степенью использования, удельными затратами на производство конечного продукта, окупаемостью использования данного вида полезного ископаемого, степенью сохранения окружающей среды и др., т. е. всем тем, что и определяет политику энергосбережения.
Топливные (энергетические) полезные ископаемые заключены прежде всего в угольных и нефтегазоносных бассейнах, которые имеют осадочное происхождение и обычно сопутствуют чехлу древних платформ и их внутренним и краевым прогибам.
Основная часть мировых угольных ресурсов приходится на Азию, Северную Америку и Европу и залегает в 10 крупнейших угольных бассейнах, находящихся на территории Рос- сии, США и ФРГ. Основные нефтегазоносные ресурсы сосредоточены в Азии, Северной Америке и Африке.
Использование энергетических ресурсов разнообразно.
Во-первых, можно получать тепловую энергию, сжигая ископаемое топливо, и использовать эту энергию.
Во-вторых, можно преобразовать заключенную в топливе тепловую энергию в работу, например, использовать продукты перегонки нефти для приведения в действие различных механизмов.
В-третьих, можно преобразовать тепловую энергию, высвобождающуюся при сгорании топлива или выделяющуюся при делении ядер урана, в электрическую, а потом направить полученную электрическую энергию либо для производства тепла, либо для выполнения механической работы.
Электроэнергию можно получить за счет преобразования других видов энергии (например, за счет энергии падающей воды). Электроэнергия играет роль посредника между источником энергии и ее потребителями на месте.
Практически в любом технологическом процессе используется несколько видов энергии. Топливно-энергетические балансы при этом составляются обычно по видам используемых топлив, видов энергии для каждого технологического цикла отдельно. Это не позволяет провести объективное сравнение различных технологических процессов для производства одного и того же вида продукции. Для энергоемкости какого-либо технологического продукта было предложено все виды энергии классифицировать на три группы:
1. Первичная энергия Э1 – химическая энергия ископаемого первичного топлива, с учетом энергетических затрат на добычу, подготовку (обогащение), транспортировку и т. д.
2. Производная энергия Э2 – энергия преобразованных энергоносителей, например, пара, горячей воды, электроэнергии, сжатого воздуха, кислорода, воды и др., с четом затрат на их преобразование.
3. Скрытая энергия Э3 – энергия, израсходованная в предшествующих технологиях и овеществленная в сырьевых исходных материалах процесса, технологическом, энергетическом и т. п. оборудовании, капитальных сооружениях, инструменте и т. д.; к этой же форме энергии относятся энергозатраты по поддержанию оборудования в работоспособном состоянии (ремонты), энергозатраты внутри- и межзаводских перевозок и других вспомогательных операций.
Для многих массовых видов продукции величина энергетических затрат в виде скрытой энергии, то есть вносимой оборудованием и капитальными сооружениями, является относительно незначительной по сравнению с другими двумя видами энергии, и поэтому в первом приближении может включаться в расчет по примерной оценке.
Полные сквозные энергозатраты на производство единицы какой-либо продукции в этом случае можно записать в виде:
Эсум = Э1 + Э2 + Э3 - Э4 (1)
где Э4 – энергия вторичных энергоресурсов, которая вырабатывается в процессе производства данной продукции, но передается для использования в другой технологический процесс.
Суммарные энергозатраты называют также технологическим топливным числом (ТТЧ) конкретного вида продукции (бензина, кирпича и др. ).
1. 3 Показатели эффективности использования энерго- и сырьевых ресурсов
Уровень развития нефтяной, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности наряду с энергетикой, металлургией, машино- и приборостроением определяет экономический потенциал государства. Россия, обладающая колоссальными запасами сырья минерального и органического происхождения, а также огромными энергоресурсами, создала и многопрофильную химическую индустрию. Но изменение в стране экономической ситуации привело в ряде указанных отраслей к резкому сокращению производства.
Для дальнейшего развития этой позитивной тенденции необходимо было обновление производственных фондов путем создания высокотехнологичных производственных процессов с существенным снижением потребления сырьевых и энергетических ресурсов (Рис 1. 1). Только это позволит российской промышленности стать конкурентоспособной на внутреннем и внешнем рынках.
Анализируя эти показатели, необходимо отметить, что энергопотребление в России превышает зарубежное от 20 % при производстве кальцинированной соды до 60 % при каталитическом крекинге. Аналогичная ситуация имеет место и в потреблении и использовании сырья. Особое внимание обращают на себя коэффициенты выхода бензина при каталитическом крекинге и гидрокрекинге, которые оказываются меньше зарубежных приблизительно на 30-50 %..
Иными словами, энерго- и ресурсоэнергосбережениеможно рассматривать в узком смысле как оптимизацию материальных и энергетических потоков существующих технологических процессов для производства продуктов. В то же время, эту задачу можно рассматривать и более широко как поиск новых путей рационального использования энергии и сырья для получения новых продуктов.
Рисунок 1. 1 - Показатели ресурсосбережения промышленных производств.
|
|
|
