автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Анализ и оптимизация химико-технологической системы производства ксилолов

005010891

МАНУЙЛОВА ЕЛЕНА ВИКТОРОВНА

АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА КСИЛОЛОВ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 МАР Ш

005010891

На правах рукописи

МАНУЙЛОВА ЕЛЕНА ВИКТОРОВНА

АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА КСИЛОЛОВ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Лисицын Николай Васильевич Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дозорцев Виктор Михайлович кандидат технических наук Васильев Николай Павлович

Ведущее предприятие: ООО «Ленгипронефтехим», Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится » UutyTa, 2012г. в /3 ^ас. в ауд. № £jL на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.230.03 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Отзывы и замечания в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 190013, г. Санкт-Петербург, Московский пр. 26, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Ученый совет. Тел. (812) 494-93-75; факс (812) 71277-91; dissovet@technolog.edu.ru.

Автореферат разослан « 3 » <ре£ралЛ юЫг. Ученый секретарь

диссертационного совета В.И.Халимон

доктор технических наук, профессор ( //

Актуальность проблемы

Промышленный комплекс по получению индивидуальных ксилолов представляет собой химико-технологическую систему (ХТС), состоящую из взаимосвязанных промышленных установок суммарных ксилолов, каталитического риформинга фракции 105-127°С и получения орто- и параксилола.

Ежегодно в мире 77% суммарных ксилолов перерабатывается в параксилол, 13 - в ортоксилол, 7 - используется в качестве растворителя, 3% применяются для прочих целей. Выделение индивидуальных изомеров и последующая химическая переработка параксилола в терефталевую кислоту и диметилтерефталат составляет сырьевую базу пластмасс и синтетических волокон. Переработка ортоксилола во фталевый ангидрид обеспечивает сырьем производство пластификаторов и алкидных смол.

Спрос на ксилолы в мире вырос с 24млн.т в 2005 году до 32млн.т к 2010 году. Выпуск ксилолов в России стабилен и составил в 2010 году 514тыс.т, причем производство индивидуальных ксилолов является растущим сегментом рынка. Орто- и параксилол производятся тремя нефтеперерабатывающими заводами: Омским, «Уфанефтехимом» и Киришским, однако, мощности отечественных производителей не покрывают растущего спроса.

Увеличение выпуска ксилолов на существующем оборудовании может быть достигнуто путем повышения его производительности, рационального использования имеющихся ресурсов и оптимизации ХТС производства.

Целью диссертации является анализ и структурно-параметрическая оптимизация технологического комплекса производства ксилолов для определения путей более рационального использования сырьевых и энергетических ресурсов и увеличения выработки товарной продукции.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать модель ХТС промышленного комплекса производства

• исследовать основные закономерности функционирования блока установок по выделению суммарных ксилолов и по производству орто- и параксилола;

• осуществить поиск оптимальных параметров работы комплекса производства ксилолов для увеличения выпуска товарных продуктов;

ксилолов;

• оценить возможность снижения удельных энергозатрат.

Объект исследования. ХТС производства ксилолов, представляющая собой совокупность взаимосвязанных промышленных установок суммарных ксилолов, каталитического риформинга фракции 105-127°С и получения орто- и параксилола.

Научная новизна заключается в

• разработке расчетной модели сложной ХТС производства ксилолов, предназначенной для проведения параметрических исследований и оптимизационных расчетов;

• разработке алгоритма поддержки принятия решений по ведению технологического процесса производства ксилолов, функционально решающего две задачи: виртуального анализа и оптимизации;

• создании программного комплекса, позволяющего прогнозировать качество риформированной целевой фракции 105-127°С и рассчитывать оптимальные режимные параметры технологического процесса получения ксилолов.

Практическая значимость

• разработан многофункциональный программный комплекс, позволяющий прогнозировать содержание ароматических углеводородов С8 в катализате риформинга и определять оптимальные параметры ведения процесса получения товарных ксилолов;

• по результатам математического моделирования установлена и в ходе опытно-промышленных проверок подтверждена возможность увеличения выработки индивидуальных ксилолов на 8% за счет согласованного изменения режимов работы установок суммарных ксилолов и производства орто- и параксилола;

• предложены и верифицированы на действующем предприятии мероприятия по структурному изменению схемы ХТС производства ксилолов, позволяющие снизить энергозатраты на 19,ЗГДж/ч.

Достоверность основных сформулированных научных положений и выводов подтверждена корректным использованием методов математического моделирования и оптимизации ХТС, методов обработки экспериментальных данных и верификацией результатов расчета на действующих промышленных установках.

Апробация

Основные результаты докладывались на международных научных конференциях: Математические методы в технике и технологиях (г.Саратов,

2008, г.Иваново, 2009, г.Саратов, 2010, г.Пенза, 2011), Менделеевской конференции (Москва, 2009), Современные проблемы катализа и нефтепереработки (Москва, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, приложений. Работа изложена на 131 странице, список литературы включает 99 наименований.

Содержание работы

В первой главе дано описание объекта исследования и рассмотрены основные принципы и подходы к анализу, моделированию и оптимизации химико-технологических систем производства ксилолов.

Рассмотрены основные особенности анализа и оптимизации химико-технологических систем; принципы построения математических моделей основного технологического оборудования.

Выполнен обзор численных методов параметрической оптимизации элементов ХТС. Рассмотрены функциональные возможности известных компьютерных программ моделирования и оптимизации ХТС.

Вторая глава посвящена исследованию установки суммарных ксилолов как объекта оптимизации (рис. 1).

Фр. 85-105°С Фр- Ю5-120 С__Доксилольная фр

Фр. 120-127°С

Прямогонная бензиновая фр. 85-180°С

К1

К2

КЗ

Целевая фр 105-127°С

Риформинг фр. 105-127°С

•'верам

—* Риформат 1 I Т—фр. 105-127°СТ Фр. 127-180°С ^-

К5

Кб

Суммарные ксилолы

Высшая

Тар оматикз С 9+

Рисунок 1 - Принципиальная схема установки суммарных ксилолов

Согласно результатам анализа экспериментальных данных, полученных на промышленной установке, при неизменной загрузке и фиксированной выработке целевой фракции 105-127°С вариации содержания ароматических углеводородов С8 в катализате риформинга достигают +5-6%масс. (что эквивалентно изменению выработки суммарных ксилолов на ±1,5т/ч, рис. 2). При условии стабильной работы установки каталитического риформинга

основная причина этого явления - колебание количества ксилолообразующих компонентов в целевой фракции 105-127°С.

60 ---------

В

40 45 50 55 60 65 70 75

Расход целевой фракции, т/ч О загрузка 190-255мЗ/ч ♦ загрузка 256-270мЗ/ч Д загрузка 271-ЗЮмЗ/ч

Рисунок 2 - Содержание С8 аром в стабильном катализате риформинга

Для выявления закономерностей ведения технологического процесса разработана модель блоков ректификационных колонн (рис. 1). Потарелочный расчет проводился на основании уравнений материального и теплового балансов, условий фазового равновесия для каждой тарелки с учетом неидеальности контактных устройств:

+ У]+1уи]+1 + - {Ц + и,)хи - [у} + Щ)уи = 0,

т т

У и = ЧКцХц + (1 - фУи-1. ^-1=0, (1)

г=1 ¡=1

4-1^1,-г + ^+1Ну.+1 + р}нр^ - + и,)нч - (V; + Щ)Ну, ±(^¡ = 0

где ] - номер стадии; { - номер компонента; т - число компонентов; ]/]+г, V; и Ь/ - потоки пара и жидкости на входе и выходе из ;'-й стадии; ^ - поток питания, поступающий на ;-ю стадию; V] - потоки пара и жидкости, которые выводятся с ;'-й стадии ректификационной колонны; Ну.+1, Я£;_1 и Ну., НЬ) - энтальпии пара и жидкости на входе и выходе из ;'-й стадии; у£ ;Ч1, и Уи> хи ~ концентрации ¿-го компонента в паре и в жидкости на входе и выходе из ;'-й стадии; гц - концентрации 1-го компонента в потоке питания, поступающем в ;-ю стадию; - поток теплообмена на ;'-й стадии; К^-константы фазового равновесия; г] - КПД тарелки.

Система уравнений (1) для каждой из колонн решалась с помощью программного продукта Aspen Hysys. Параметрическая настройка модели проводилась путем подбора КПД контактных устройств таким образом, чтобы обеспечить наилучшую сходимость расчетных и фактических данных. Результаты проверки адекватности модели представлены в таблице 1 на примере данных о групповом составе нижнего продукта колонны КЗ. В работе показано, что модель блока ректификационных колонн К1-К6 обеспечивает расчет составов продуктовых потоков с погрешностью, не превышающей 0,5%масс.

Таблица 1 - Углеводородный состав фракции 127-180°С, % масс.

Параметр Значение Расхождение

Фактическое Расчетное

Нафтеновые углеводороды Се 6,32 5,94 0,38

Парафиновые углеводороды 3,26 3,15 0,11

Ароматические углеводороды Се 5,73 5,45 0,28

Нафтеновые углеводороды Сд+ 18,10 18,22 0,12

Парафиновые углеводороды С9+ 54,49 54,66 0,17

Ароматические углеводороды Сд+ 12,10 12,19 0,09

Сумма 100 100

Согласно данным лабораторного контроля в кубовом продукте колонны КЗ в момент исследования содержалось 0,7-1,5%масс. нафтенов С? и 1,5-3%масс. н-октана, что при расходе этого потока, равного 80т/ч, составило достаточный потенциал для увеличения содержания ксилолообразующих компонентов в целевой фракции на 1,8-3,6т/ч.

Корреляция лабораторных данных по содержанию ароматических углеводородов Сй и толуола в стабильном катализате риформинга (коэффициент корреляции 0,91) подтвердила гипотезу о необходимости утяжеления состава целевой фракции 105-127°С. В этом случае толуолобразующие компоненты С7 попадают во фракцию 85-180°С без 105127°С, которая используется для приготовления высокооктанового бензина марок АИ-92,95. Это является дополнительным преимуществом, поскольку в штатном режиме работы ароматические углеводороды С7, содержащиеся в стабильном катализате риформинга, в качестве дистиллята колонны К5 идут на приготовление низкооктанового бензина марки АИ-80.

Модельные расчеты показали, что для такого изменения состава целевой

фракции 105-127°С (минимальное вовлечение толуола и толуолобразующих компонентов С7 и максимальный отбор нафтенов С8 и н-октана) необходимо изменить следующие параметры работы блока колонн К1-КЗ:

• увеличить отбор дистиллята колонны К1 на 2-Зм3/ч;

• орошение в колонне К2 поддерживать на уровне не ниже 190м3/ч;

• орошение в колонне КЗ поддерживать на уровне не ниже 170м3/ч.

Увеличение расхода орошений в колоннах К2, КЗ необходимо для

обеспечения четкого деления между углеводородами С8 (нафтеновые и н-октан) и этилциклогексаном во избежание роста расхода рецикла на установке по выделению орто- и параксилола.

Предложения по изменению режимов работы были проверены и подтверждены в ходе опытно-промышленного пробега; при этом содержание ароматических углеводородов С8 выросло с 46-47 до 51-52%масс. (рис. 3). Результаты опытной проверки подтвердили целесообразность выдвинутого предположения о необходимости утяжеления фракционного состава целевой фракции 105-127°С.

Рисунок 3 - Содержание С8 аром в стабильном катализате риформинга

Далее для выработки рекомендаций по оптимальному ведению технологического процесса были решены следующие задачи:

• разработана статистическая модель, позволяющая рассчитывать содержание ароматических углеводородов С8 в стабильном катализате риформинга в зависимости от основных режимных параметров при различных плановых показателях;

• разработан программный комплекс, позволяющий прогнозировать

временной интервал - 1 месяц

содержание компонентов С8аром. в катализате; • рассчитаны оптимальные режимные параметры блока ректификационных колонн К1-КЗ для различных вариантов работы ХТС производства ксилолов. Разработка статистической модели. Для прогноза содержания ароматических углеводородов С8 в катализате риформинга использовалась нелинейная регрессионная модель вида

т

С8 =F(x,a) = £ а, (,(*), (2)

j=i

где х - вектор режимных параметров работы колонн К1-КЗ (факторы); а -вектор констант модели; т - число базисных функций; - базисные функции. Для различных наборов базисных функций {(,•} соответствующий вектор

констант модели а определялся по методу наименьших квадратов:

п

а = тт^Шх,а) - FfKCn]2, (3)

i=l

где п - число точек выборки, использованной для построения модели (п = 180; в ходе предварительной обработки данные АСУТП усреднялись за сутки на часовом тренде); F™0" - данные лабораторного контроля по содержанию ароматических углеводородов С8 в стабильном катализате риформинга.

Итоговая модель содержит 11 регрессионных коэффициентов ELj, значимость которых проверена по критерию Стьюдента. Коэффициент корреляции расчетных и экспериментальных данных составил 0,97, стандартное отклонение - 0,72%масс., относительная погрешность - 1,6% (рис. 4).

Рисунок 4 - Содержание углеводородов Cg аром в катализате риформинга

Оптимизационные расчеты. Задача оптимизации сформулирована

где линейные функции (р^х) формируются согласно ограничениям по ведению технологического процесса (расходы дистиллятов, орошений, паровые нагрузки ректификационных колонн К1-КЗ), а линейное ограничение {,(*) > 0 задает область применимости статистической модели с учетом наблюдаемых корреляций первичных факторов (загрузка, отбор целевой фракции и т.д.).

Для всех точек выборки задача условной оптимизации численно решалась методом проекции градиента. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что для большей части рассмотренных точек выборки имелся резерв для увеличения содержания ароматики С8 в катализате риформинга (рис. 4).

На основе статистической модели и оптимизационных расчетов разработан алгоритм поддержки принятия решений при ведении технологического процесса производства ксилолов (рис. 5).

Описание алгоритма. Основными исходными данными являются плановые показатели С, С, которые должны лежать в изученной области Мх. На их основе формируется множество М2 допустимых режимных параметров, в пределах которого рассчитываются оптимальные значения. Прогноз содержания ароматических углеводородов С8 осуществляется как для текущих режимных параметров, так и для оптимальных. Разработанный алгоритм функционально решает две задачи: виртуального анализа и оптимизации.

Разработка программного комплекса. Статистическая модель и алгоритм поддержки принятия решений программно реализованы и позволяют решать следующие задачи:

• выдавать прогнозную оценку содержания ароматических углеводородов С8, а также толуола и высшей ароматики С9+ в стабильном катализате риформинга по режимным показателям работы колонн К1-КЗ;

• проводить расчет оптимальных режимных параметров работы К1-КЗ, позволяющих повысить содержание ароматики С8 в стабильном катализате риформинга при заданных плановых показателях.

следующим образом:

(4)

г

(^Начало ^ _

ввод значений плановых показателей в, с

7-а:

загрузка установки; расход целевой фракции.

нет Вывод сообщения

«Плановые показатели

находятся вне

изученной области»

Конец ^

Формирование множества №(0,0)

Оптимизация режимных параметров (^,01, Я?, Ра)« М2

Вывод режимных параметров и С» для оптимального режима

С Конец^ Оптимизатор

I - расход орошения в колонках К,-К»; расход дистиллята в колоннах «1 и Кз

Ввод значений плановых показателей Яг, Р3, СЬ

7

Прогноз текущего содержания ароматических углеводородов С| в катализате риформинга

г

нет

Вывод сообщения «Режимные показатели находятся вне изученной области»

Вывод С, для текущего режима

Конец ^

I ^ Конец ^

Виртуальный анализатор

Рисунок 5 - Алгоритм поддержки принятия решений при ведении технологического процесса производства ксилолов

Корректность работы программного комплекса была подтверждена в ходе опытно-промышленной проверки на действующей установке в течение 2 месяцев. Содержание ароматики Се в риформате увеличилось с 44 до 48,6%масс., а выработка фракции суммарных ксилолов при неизменных плановых показателях выросла на 1,2т/ч (на 8%).

Третья глава посвящена оптимизации процесса получения орто- и параксилола.

Выполнена оценка возможности увеличения производительности ХТС получения ксилолов с учетом выявленного резерва фракции суммарных ксилолов. Согласно укрупненной блок-схеме материальных потоков в состав установки входят блоки фракционирования, кристаллизации и изомеризации (рис. 6), а загрузка установки лимитируется производительностью центрифуг

секции кристаллизации. Соответственно, возможность увеличения выпуска товарной продукции может быть оценена по этому показателю.

При расчете все компоненты условно разделены на две группы: целевые, к которым относятся ароматические углеводороды С8 (за исключением этилбензола, поскольку он преимущественно конвертируется в компоненты легкой и тяжелой ароматики), и нецелевые, включающие все остальные компоненты потоков.

Фракция суммарных ксилолов а!*а,

1*1«а(а,+0,238)+(аг+0,233)+(а3+0,548)

а,+0,238, а2+0,238, аз+0,548

1 - ортоксилол

2 -параксилол

3 - метахсилол

х,+х3

х,=0,238 х2«0,238 Хз=0,543

а

(1-а)(а,+0,238)

0,238,0,235,0,548

Кристаллизация

(1-3)(а2+0,238) -►

а(а,+0,238), |3(а2+0,238), а>+0,548

8=а(а,+0,233) + Р(а2+0,238) + (а3+0,543) ^_______

0,0155

Изомеризация

(вЛАР.ТАР?

8=0,9855

Рисунок 6 - Укрупненная блок-схема материальных потоков процесса получения орто- и

параксилола

При рассмотрении схемы производства по целевым компонентам (рис. 6) считали, что:

• распределение ксилолов в стабильном изомеризате постоянно: ортоксилола 0,23, параксилола 0,23 и метаксилола 0,54, что соответствует их равновесному соотношению;

• незначительная часть ксилолов (порядка 1,5% масс, в расчете на расход рециркулирующих ксилолов) теряется в процессе изомеризации за счет побочных реакций.

Условие материального баланса по целевым компонентам (рис. 6) выражается соотношением:

5 = к^а^ + 0,235) + /?(а2 + 0,235) + (а3 + 0,545)) (5)

где а1(а2,аз ~ расходы целевых компонентов в потоке сырья установки (ортоксилол, параксилол и метаксилол соответственно); х1,х2,х3 - расходы

целевых компонентов в потоке изомеризата; (1 - а) - степень извлечения ортоксилола; (1-/3) - степень извлечения параксилола; 5 - расход целевых компонентов, поступающих на изомеризацию; 5 - расход изомеризата; к0 = 0,985 - коэффициент, учитывающий потери компонентов в процессе изомеризации.

Загрузку блока кристаллизации по целевым компонентам можно рассчитать

как:

_ (сш! + /?а2 + аз)(0,23а + 0,77) Ні--0,475 — 0,23 (а + /?)-+ аЯі + °2 + йз' (6)

Аналогично рассчитана загрузка блока кристаллизации по нецелевым компонентам:

а4 + 0,5у

где а4 - расход нецелевых компонентов в сырье установки; у - коэффициент.

Суммарная загрузка секции кристаллизации составляет:

Скр-ш = «1 + «2. (8)

Выход товарных ортоксилола и параксилола определяется по зависимостям:

Сок = (!-«)(% + 0,235), (9)

Спк = (!-/?)( а2 + 0,235), (10)

Полученные соотношения позволяют рассчитать расход рецикла и выход товарных продуктов при изменении основных технологических показателей работы установки по производству орто- и параксилола.

Таким образом, снижение загрузки блока кристаллизации может быть достигнуто за счет:

1. увеличения степени извлечения ортоксилола (1-а) в ректификационной колонне Т-101,102 блока фракционирования;

2. увеличения степени извлечения параксилола (1 - /?) на блоке 1 кристаллизации;

3. снижения содержания этилбензола в сырье установки за счет более полного его извлечения в ректификационной колонне К5 установки суммарных ксилолов.

Выполненные расчеты по каждому из приведенных пунктов показали, что наиболее перспективным способом снижения загрузки блока кристаллизации является увеличение степени извлечения ортоксилола (1-а) в колонне Т101,102. Согласно зависимостям (5)-(10), для переработки резервного

количества фракции суммарных ксилолов коэффициент (1 - а) должен быть увеличен с 0,55 для штатного режима до значения 0,65 за счет увеличения отбора кубового продукта колонны Т101,102.

Для оценки влияния изменения параметра (1 — а) на качество получаемого ортоксилола и на работу основного технологического оборудования секции фракционирования разработана модель ректификационных колонн Т101,102 и ТЮЗ в соответствии с методикой, описанной в главе 2. Выполненные по модели расчеты показали, что для переработки дополнительного количества фракции суммарных ксилолов за счет увеличения коэффициента (1 - а) при сохранении запаса по качеству получаемого ортоксилола достаточно поддерживать расход орошения на уровне не ниже 200т/ч, что удовлетворяет технологическим ограничениям (рис. 7).

о о а

® I

« £

§ Я § 2

1а

о Й и о к к

3 §

* а &|

Ц

5 \ \ 1

\ V \ \

\ \ \ \ \

8,2 8,4 8,6 8,8 Нижний отбор Т101,102, т/ч

180 185 190 195 -«—200 —©—205 -ч!1-210 —215 -Ф-220

9,2

Рисунок 7 - Содержание ортоксилола в дистилляте колонны ТЮЗ

При реализации оптимального режима работы колонны Т101,102 загрузка блока кристаллизации снизится на 4,5т/ч по сравнению со штатным режимом работы. Это позволит переработать дополнительное количество фракции суммарных ксилолов. Расход товарных ксилолов по сравнению со штатным режимом работы увеличится на 1,1 т/ч.

В четвертой главе исследована возможность снижения энергозатрат в ХТС производства ксилолов.

Основным недостатком реализации рассмотренных решений является увеличение энергопотребления схемы производства ксилолов на 21-25ГДж/ч, поскольку вводимые изменения параметров работы ректификационного

оборудования сопровождаются увеличением флегмовых чисел.

В соответствии со схемой производства ксилолов (рис. 8) фракция высшей ароматики С9+ выделяется дважды: в колоннах Кб и ТЮЗ. В обоих случаях содержание компонентов С9+ в верхнем продукте колонн строго регламентировано (доля целевых компонентов С8 должна быть не ниже 99,3 и 99,2%масс. соответственно), поэтому процесс проводится при повышенных флегмовых числах. Одним из вариантов снижения энергозатрат является исключение колонны Кб из ХТС производства ксилолов при условии сохранения работоспособности производства, основного технологического оборудования и надлежащего качества товарной продукции.

Фр. 85-105 С Г

Прямогонная бензиновая фр. 85-180°С

»р. 105:120 С

Фр. 120-127°С

К2

Целевая фр.

105-127°С

Доксилольная фр. I

I Суммарные ^ ксилолы

I

Риформинг фр. 105-127°С

Риформат фр. 105-127°С |фр. 127-180°С

Установка суммарных ксилолов

) | Изомеризация

I

Высшая Хроматика С,

I

Т101 102

Кристаллизация I )

ТЮЗ

Тароматика С*

П-хсилол

Установка по производству о- и п-ксилола

Рисунок 8 - Принципиальная схема ХТС производства ксилолов

Эффективность работы колонн Т101,102, ТЮЗ в условиях увеличенной загрузки оценивалась путем расчета максимально допустимых рабочих скоростей пара для каждой тарелки колонн и определения резервов колонн по парожидкостным нагрузкам. Установлено, что увеличение загрузки не лимитировано парожидкостными нагрузками в колоннах (табл. 2, для ТЮЗ).

Таблица 2 - Рабочая и допустимая скорость пара на тарелках колонны ТЮЗ

№ тарелки Рабочая скорость пара ¿ор, м/с Максимальная скорость пара штахр, м/с Коэффициент запаса

1 0,696 0,944 0,262

2 0,695 0,943 0,263

22 0,673 0,922 0,271

23 0,671 0,921 0,272

59 0,599 0,824 0,274

60 0,588 0,839 0,298

Выполненные по модели расчеты показали, что качество получаемого ортоксилола в основном зависит от количества наиболее легкокипящего компонента С9+ - кумола в питании колонны ТЮЗ. В связи с невозможностью получения информации по составу высшей ароматики С9+ поставлен и проведен активный эксперимент для косвенного определения степени влияния компонентов С9+ на качество товарного продукта. На первом этапе верхний отбор колонны Кб был увеличен для вовлечения наиболее легкокипящих компонентов С9+. Ухудшения качества товарного ортоксилола не наблюдалось, что может быть объяснено незначительным содержанием кумола во фракции высшей ароматики С9+ (рис. 9). На втором этапе эксперимента верхний и нижний продукты колонны Кб смешивались и подавались в качестве питания колонны Т101Д02. Тем самым непосредственно имитировалась работа комплекса производства ксилолов без колонны Кб.

временной период - 2 месяца

Рисунок 9 - Содержание ортоксилола в дистилляте колонны ТЮЗ

Результаты активного эксперимента подтвердили возможность получения ортоксилола, отвечающего стандартам качества, без использования колонны Кб. Сокращение потребления первичных энергоресурсов составит порядка 19,ЗГДж/ч после перехода к работе ХТС производства ксилолов без колонны Кб и практически полностью компенсирует увеличение энергозатрат,

связанных с решениями по увеличению производительности комплекса.

Согласно ценам на товарные ксилолы и автомобильные бензины (ноябрь 2011) совокупный экономический эффект от предложенных мероприятий по увеличению производительности ХТС производства ксилолов составит 60,7млн.руб./год.

ВЫВОДЫ

1. Разработана модель ХТС получения ксилолов, представляющая собой систему детерминированных и статистических моделей элементов ХТС, адекватная действующему промышленному производству.

2. Разработан и программно реализован алгоритм поддержки принятия решений, предназначенный для поиска оптимальных режимных параметров технологического процесса производства ксилолов с целью прогноза и максимизации содержания ароматических углеводородов С« в катализате риформинга. Работоспособность алгоритма подтверждена в ходе его промышленного испытания.

3. На основе анализа ХТС производства ксилолов установлено, что лимитирующей стадией, ограничивающей увеличение производительности установки по производству орто- и параксилола, является блок кристаллизации. Показано, что переработка на установке дополнительного сырья - фракции суммарных ксилолов - может быть обеспечена за счет увеличения степени извлечения ортоксилола в секции фракционирования.

4. Показано, что оптимизация режимов работы установки суммарных ксилолов и установки по производству орто- и параксилола при неизменной загрузке промышленного комплекса позволяет увеличить выработку товарной продукции на 8%.

5. В рамках опытно-промышленной проверки результатов исследований по 1 снижению энергозатрат и материалоемкости процесса подтверждена

целесообразность модификации ХТС производства ксилолов за счет исключения колонны выделения фракции высшей ароматики С9+ из технологического комплекса получения ксилолов. Процесс выработки этой фракции может осуществляться в том же объеме на ректификационной колонне блока фракционирования установки по производству орто- и параксилола. Установлено, что предложенное решение позволяет снизить энергозатраты производства ксилолов на 19,ЗГДж/ч и тем самым полностью компенсировать

необходимый рост потребления энергетических ресурсов, связанный с

предложениями по увеличению выработки товарной продукции на 8%.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мануйлова Е.В., Сладковский ДА., Зибарев В.В., Ерженков A.C. Оптимизация процессов выделения тяжелой ароматики при производстве ксилолов // Сборник трудов XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии». Саратов: СГТУ, 2008. Т. 6. С. 55-57.

2. Мануйлова Е.В., Федоров В.И., Лисицын Н.В., Иванов A.M. Оптимизация процесса получения целевой фракции 105-127°С в производстве ксилолов // Сборник трудов XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии». Иваново: ИГХТУ, 2009. Т. 11.С. 63-64.

3.Мануйлова Е.В., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Реализация ресурсосберегающей технологии в производстве ксилолов // Сборник научных трудов XIX Менделеевской конференции молодых ученых. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009. С. 143-144.

4. Мануйлова Е.В., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Оптимизация процесса получения фракции суммарных ксилолов // Автоматизация в промышленности. 2010. № 7. С. 24-26.

5. Мануйлова Е.В., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Оптимизация процесса получения фракции суммарных ксилолов из прямогонной бензиновой фракции на НПЗ // Сборник трудов XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии». Саратов: СГТУ, 2010. Т. 9. С. 79-81.

6. Мануйлова Е.В., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Повышение эффективности потребления сырьевых ресурсов в нефтепереработке на примере производства ксилолов // Сборник статей докладов молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы катализа и нефтепереработки». М.: МИТХТ, 2010. С. 34.

7. Мануйлова Е.В., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Оценка возможности увеличения эффективности потребления сырья в производстве ксилолов // Сборник трудов XXIV Международной научной конференции

«Математические методы в технике и технологии». Пенза: ПГТА, 2011. Т. 8. С. 32-33.

8. Мануйлова Е.В., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Повышение эффективности потребления сырьевых ресурсов в производстве ксилолов // Сборник тезисов научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки - 2011» Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2011. С. 76.

9. Мануйлова Е.В., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Оптимизация процессов разделения в производстве ксилолов // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2011. №10(36). С. 39-42.

Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60x90'/i6 Печ.л. 1,18 .Тираж экз. 71. Зак. № 15

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 ипография издательства СПбГТИ(ТУ), тел. 49-49-365, e-mail: publ@technolog.edu.i

61 12-5/2267

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

На правах рукописи

Мануйлова Елена Викторовна

АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА КСИЛОЛОВ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

(промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Лисицын Н.В.

Санкт-Петербург 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................4

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.......................................................................7

1.1 Принципы и средства моделирования элементов ХТС................................8

1.2 Методы анализа и оптимизации ХТС...........................................................16

1.3 Анализ существующих ХТС производства ксилолов.................................23

1.4 Описание ХТС производства ксилолов........................................................27

1.5 Постановка задачи исследования.................................................................29

ГЛАВА 2 ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ СУММАРНЫХ КСИЛОЛОВ.....................................................................................30

2.1 Разработка моделей ректификационных колонн установки суммарных ксилолов.....................................................................................................................30

2.2 Обоснование и опытно-промышленная проверка возможности увеличения содержания ароматических углеводородов С8 в катализате риформинга.........35

2.3 Моделирование содержания ароматических углеводородов Cg в катализате риформинга...............................................................................................................43

2.4 Поиск оптимальных режимных параметров для установки суммарных ксилолов.....................................................................................................................48

2.5 Разработка алгоритма поддержки принятия решений по ведению технологического процесса получения фракции суммарных ксилолов.............52

ГЛАВА 3 ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ УСТАНОВКИ ПО ПРОИЗВОДСТВУ OPTO- И ПАРАКСИЛОЛА.......................................................56

3.1 Анализ схемы материальных потоков установки и определение возможных путей оптимизации ее работы.................................................................................56

3.2 Оценка эффективности переработки дополнительно количества сырья за счет увеличения степени извлечения ортоксилола...............................................65

3.3 Оценка эффективности переработки дополнительно количества сырья за

счет увеличения степени извлечения параксилола...............................................72

3.4 Оценка эффективности переработки дополнительно количества сырья за счет увеличения степени извлечения этилбензола в колонне К5.......................74

ГЛАВА 4 СТРУКТУРНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ХТС ПРОИЗВОДСТВА КСИЛОЛОВ.................................................................................................................77

4.1 Обоснование возможности структурной оптимизации ХТС производства ксилолов.....................................................................................................................77

4.2 Разработка плана проведения активного эксперимента.................................82

4.3 Учет времени переходного процесса при проведении активного эксперимента.............................................................................................................86

4.4 Поверочный расчет колонны ТЮЗ по паровым нагрузкам...........................89

4.5 Поверочный расчет колонны Кб по парожидкостным нагрузкам...............94

4.6 Результаты активного эксперимента................................................................98

ВЫВОДЫ...................................................................................................................102

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ................................................................................103

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................................105

ПРИЛОЖЕНИЕ А......................................................................................................114

ПРИЛОЖЕНИЕ Б......................................................................................................116

ПРИЛОЖЕНИЕ В......................................................................................................122

ПРИЛОЖЕНИЕ Г......................................................................................................124

ВВЕДЕНИЕ

Для исследования эффективности функционирования сложных химико-технологических процессов широко применяется системный подход, позволяющий учесть большинство факторов, влияющих на работоспособность рассматриваемой химико-технологической системы (ХТС) и отдельных ее элементов, а также взаимосвязи между аппаратами, установками и производствами.

Применение системного подхода к исследованию действующего промышленного производства ксилолов предполагает решение задач анализа и структурно-параметрической оптимизации. В частности, одной из задач является увеличение выпуска товарных орто- и параксилола на существующем оборудовании, поскольку производство индивидуальных ксилолов является растущим сегментом как отечественного, так и мирового рынка.

Современные комплексы производства ксилолов представляют собой многоступенчатые, непрерывно функционирующие системы со сложными внутренними организационными связями материальных потоков. Они включают в себя широкое разнообразие технологических процессов переработки углеводородного сырья: ректификацию многокомпонентных смесей, каталитические процессы гидроочистки, риформинга и изомеризации с последующей стабилизацией целевых продуктов, низкотемпературную кристаллизацию, процессы экстракции с последующей регенерацией селективных растворителей и т.д. Особенностью систем является наличие рециркуляционных потоков. Кроме того, каждый из процессов характеризуется сложностью аппаратурного оформления, а, соответственно, и его математического описания. На функционирование системы накладываются технологические ограничения по выпуску заданного количества товарной продукции, соответствующей установленным стандартам качества, и технические ограничения по устойчивой и надежной работе оборудования.

С точки зрения формализации и решения указанных задач следует отметить их большую размерность; в большинстве случаев зависимости, описывающие функционирование ХТС, нелинейны; они могут представлять собой дифференциальные уравнения в обыкновенных или частных производных. Тем не менее, современный уровень развития специализированных компьютерных систем, в частности баз данных физико-химических свойств и моделей типовых аппаратов химической технологии, разнообразие термодинамических пакетов, позволяет проводить моделирование подобных сложных химико-технологических процессов и осуществлять оптимизационные расчеты.

Развитие новых информационных технологий позволяет использовать виртуальные анализаторы и решать задачи прогнозирования качества выходных продуктов для выбранного (заданного) технологического режима и формирования оптимальных управлений (технологических решений) для заданных критериев качества товарной продукции. Следует отметить, что указанный класс задач «оптимальное управление» не является функциональностью виртуального анализатора, а лишь создает информационную платформу для формирования оптимального управления. Решение этого класса задач осуществляется средствами систем поддержки принятия решений. Отличительной особенностью таких систем является возможность определять действительно необходимые воздействия на процесс для достижения поставленной цели.

Увеличение выпуска товарной продукции ХТС производства ксилолов на существующем оборудовании может быть достигнуто за счет поиска и поддержания оптимальных условий ведения технологического процесса, что требует разработки модели ХТС, проведения параметрической и структурной оптимизации и разработки системы поддержки принятия решений.

На защиту выносятся:

• модель ХТС производства ксилолов, представляющая собой систему детерминированных и статистических моделей, адекватная действующему производству и предназначенная для проведения параметрических исследований и оптимизационных расчетов;

• алгоритм поддержки принятия решений по ведению технологического процесса производства ксилолов, функционально решающий задачи виртуального анализа и оптимизации;

• программный комплекс, позволяющий прогнозировать качество риформированной целевой фракции 105-127°С и рассчитывать оптимальные режимные параметры технологического процесса получения ксилолов;

• комплекс мер, направленных на повышение эффективности использования материальных и энергетических ресурсов ХТС производства ксилолов с целью увеличения выпуска товарной продукции.

Апробация

Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных научных конференциях: Математические методы в технике и технологиях (г.Саратов, 2008, г.Иваново, 2009, г.Саратов, 2010, г.Пенза, 2011), Менделеевской конференции (Москва, 2009), Современные проблемы катализа и нефтепереработки (Москва, 2010).

Публикации по теме диссертации

По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ. Из них 2 статьи размещены в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

В данной главе выполнен анализ научной проблемы моделирования и оптимизации сложных химико-технологических систем производства ксилолов, дано описание объекта исследования и сформулированы цели и задачи настоящей работы.

Рассмотрены основные особенности анализа и оптимизации химико-технологических систем; принципы построения математических моделей технологического оборудования.

Выполнен обзор численных методов параметрической оптимизации элементов ХТС. Рассмотрены компьютерные программы моделирования и оптимизации ХТС.

Производственные процессы в нефтеперерабатывающей промышленности характеризуются большим разнообразием выпускаемой продукции и, как правило, большой сложностью. Общая, характерная черта всех этих процессов состоит в том, что для превращения исходного сырья или полупродукта в целевой конечный продукт необходимо сравнительно большое число функционально различных ступеней переработки. Для целенаправленного протекания этих процессов в отдельных ступенях необходимы различные виды энергии, вспомогательных веществ и информации.

Условия протекания отдельных стадий могут быть весьма различными: от высоких температур в случае пиролиза до низких температур в процессах кристаллизации; и от высоких давлений при гидрокрекинге до низких — в процессах вакуумной перегонки [1-2].

Несмотря на большие качественные и количественные разнообразия отдельных технологических процессов, их различные масштабы, различие продуктов, условий протекания и т. д., все они имеют общие свойства, а именно: являются структурно сложными, состоящими из отдельных частей; перерабатывают вещество, энергию, информацию и, кроме того, связаны с другими, соседними производствами [3].

С точки зрения системного анализа такие технологические комплексы

называют сложными химико-технологическими системами (ХТС) [4-7].

В системном анализе выделяют три главных направления, соответствующие этапам, которые всегда присутствуют в исследовании сложных систем [8]:

1. построение модели исследуемого объекта;

2. постановка задачи исследования;

3. решение поставленной математической задачи.

1.1 Принципы и средства моделирования элементов ХТС

Подход к математическому моделированию элементов ХТС зависит от многих факторов: от цели анализа (расчет балансов, определение главных размеров); от специфики существования ХТС (существующий объект, проектируемый объект); от объема имеющейся информации о системе и т. д.

Согласно источникам [9-12], математическая модель ХТС состоит из двух частей — совокупности математических моделей отдельных блоков и математической модели структуры ХТС.

В литературе различают два главных вида математических моделей [13-15]:

1. Детерминированные (аналитические) модели, построенные на основе физико-химической сущности процессов, происходящих в элементе.

2. Статистические (эмпирические) модели, полученные в виде уравнений линейной или нелинейной множественной регрессии на основе обработки экспериментальных данных. Они устанавливают соотношения между входными и выходными параметрами элемента ХТС, но не отражают сущность физико-химических процессов. Основные методы их построения: интерполяция, экстраполяция, регрессионный анализ, методы наименьших квадратов и планирования экспериментов, полиномиальная аппроксимация.

В [16-17] отмечается, что физико-химические детерминированные модели более универсальны Они имеют, как правило, более широкий интервал применимости. Однако вид связей выходов элементов ХТС с входами, параметрами и т.д. относительно сложен, часто нелинеен или представляет собой дифференциальные уравнения в обыкновенных или частных производных.

Физико-химическая модель состоит из трех групп уравнений [18]: балансовые уравнения (для вещества, энергии, иногда - импульса); кинетических уравнений (химическая кинетика, кинетика массо- и теплопереноса и т. д.);

уравнений состояния (фазовые равновесия и т. д.).

Однако в источниках [19-20] отмечается, что строго детерминированных моделей не существует, так как коэффициенты, фигурирующие в физико-химических закономерностях, не могут быть определены теоретически, а могут быть получены только экспериментально, т. е. в результате аппроксимации экспериментальных данных. Другими словами, детерминированные модели чаще всего содержат локальные статистические модели.

Детерминированные модели по построению сравнительно универсальны, но сложны. Статистические модели по построению просты, но применимы в ограниченном диапазоне изменения параметров.

Математическая модель ректификационной колонны Ректификационные колонны предназначены для разделения жидких смесей на чистые компоненты (псевдокомпоненты) или на фракции, как в случае разделения нефти [21-22].

Ректификационные колонны независимо от их конструкции (тарельчатые, насадочные и т. п.) в литературных источниках принято описывать с помощью их разделения на теоретические стадии (ступени) [9, 23-25]. Схема стадии представлена на рисунке 1.1.

При составлении математической модели ректификационной колонны делается допущение, что жидкость и пар на каждой стадии находятся в равновесии. Поэтому состояние температуры и давления на стадиях рассчитывается из термодинамических уравнений.

Кроме термодинамических моделей в литературе описываются модели динамики тепло- и массообмена [9, 21-23]. Однако они не получили широкого практического применения, поскольку существенную трудность при их использовании представляет решение проблемы определения значений

коэффициентов тепло- и массообмена. Теоретически их определить невозможно, а экспериментально — очень сложно, более того, полученные результаты являются весьма приблизительными. Другая причина состоит в том, что по сравнению с термодинамической моделью ее математическое описание сильно усложняется, а его уточнение проблематично из-за определения значений тех же коэффициентов тепло- и массообмена.

Для колонны, состоящей из п стадий и предназначенной для разделения т компонентов, уравнения материального и теплового баланса выглядят следующим образом [9]:

Щ

V; Ц-1

Уи

Щ Щ-1

ь Ь-1

Рн

Стадия у

Ум к

Уи+1 хи

Щ+1 щ

Ь+1 ь

. р>

-* О,

Рисунок 1.1- Схема у'-й стадии и ректификационной колонны Ц-хХц-г + У]+1Уи+1 + - + - (V- + = О

т т

Уц = Чкцхц + С1 - ^ Уи -1 = 0, хц -1 = 0 (1.1)

¿=1 ¿=1

4-1 НЧ-г + ^+1Ну.+1 + ЦНР]+1 - + и})нч - {У} + Щ)Ну. = о где у - номер стадии; I - номер компонента; т - число компонентов; и

Ь] - потоки пара и жидкости на входе и выходе из у'-й стадии; Р] - поток питания, поступающий на у-ю стадию; 14^-, - потоки пара и жидкости, которые выводятся с у-й стадии ректификационной колонны; Ну.+1, Нь._1 и Ну., Нь. -

энтальпии пара и жидкости на входе и выходе из у'-й стадии; и уц,

х^ - концентрации ¿-го компонента в паре и в жидкости на входе и выходе из у-й стадии; г^ - концентрации 1-го компонента в потоке питания, поступающем в у'-ю стадию; - поток теплообмена на у'-й стадии; К^- константы фазового равновесия; г} - КПД тарелки; у = 1 — конденсатор (дефлегматор); Ь0 = О, уг = 0; и ! = Б — поток дистиллята; — тепло, отводимое в конденсаторе; у = п — кипятильник (ребойлер); Ьп = 0; 7п+1 = 0; ип = В — поток кубового остатка; — тепло, подводимое к кипятильнику.

Питание в колонне подается на одну из стадий: у — пр. Константы равновесия К¿у и энтальпии Н^, Нц являются термодинамическими функциями Т,Р,х,у:

% = Ки(Ъ,Р];Х];У])

Ну] = Ну](ТрРрхру# (1.2)

Нь] = Нь](ТрРрхру# где х ¡к уу — векторы концентраций компонентов.

Функции (1.2) могут быть получены с помощью коэффициентов фугитивности и активности по эмпирическим зависимостям или термодинамическим уравнениям состояний. Существует ряд методов определения функций (1.2).

Система уравнений (1.1)-(1.2) представляет собой математическую модель ректификационной колонны. Она содержит п(2т + 3) уравнений с п(3т + 10) + 1 неизвестными. В различных вариантах расчета задают п(т + 7) + 1 избыточных переменных, чтобы число уравнений равнялось числу неизвест