автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Моделирование разделения непрерывных смесей на примере первичной переработки нефти

Могковский ордена Ленина к ордена Трудового Красного Знамени химико-технологический институт имени Д. И. Менделеева

На правах рукописи

ЗУБ МАРИЯ КИМОВНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ СМЕСЕЙ НА ПРИМЕРЕ ПЕРВИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ

НЕФТИ

05.17.08 — Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 1992

Работа выполнена в Московском ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени химико-технологическом институте им. Д. И. Менделеева.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор ¡Ветохин В. Н.|

Научный консультант — кандидат технических наук Гареев Р. Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Серафимов Л, А.; кандидат технических наук Теляшев Г. Г.

Ведущая организация — Всесоюзный научно-исследовательский проектный институт нефти (г. Москва).

Защита состоится _199 года

в ауд. ____в_ час. на заседании специализированного совета Д 053.34.08 в МХТИ им. Д. И. Менделеева по адресу: 125190, Москва, А-190, Миусская пд., 9.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-информационном центре МХТИ им. Д. И. Менделеева.

Автореферат разослан __._ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Д. А. БОБРОВ

ВИБЛИСЛЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Получение высококачественных продуктов нефтепереработки, в частности бензинов с высокими остановили числами требует повшиения эффективности технологических процессов. Поиск путей повышения связан с широким использованием вычислительной технике. При решении задач моделирования процесса первичной переработки нефти и прогнозирования ¡сачес-гва продуктов разделения наиболее широкое применение получило управление по качественным показателям продукции, в частности связываемых с интервалом кипения фракции, контроль которого осуществляется в товарном парке, а промежуточные расчеты свойств базируются на эмпирически полученных зависимостях. • Однако решение проблем управления и прогнозирования на этом принципе имеет ряд недостатков. Длительность цикла анализа качества продукции и времени подготовки пробы не позволяют оперативно, воздействовать на процесс, полученные же регрессионные зависимости для расчета физико-химическич свойств яе дают возможности экстра!, элкро ват ь их на другие условия ведения процесса. Кроме того, воздействие неконтролируемых возмущений в виде флуктуации состава сырья, несовершенство систем аналогового регулирования, обуславливает напичне неиден-тифицируемой погрешности при прогнозировании качества продукции. Систематическое определение состава сырья требует проведение сложного и длительного эксперимента.

В этой связи актуальное значение имеет задача разработки математической модели с высокой прогнозирующей способностью для установления зависимости качественных характеристик от режимных параметров процесса с целые опгнмшацги технологического процесса и создания системы прогнознровагия результатов реетифшппии. Работа Ешаднялась в рамках "0( ттнг нал-

равлений развития естественных и общественных наук на 19861990гг и на период до £000 года" (раздел теоретических основ химической Технологии), утвержденных Президиумом АН СССР 25. 06.86.

Цель работы. Целью настоящей работы является применение методов термодинамики непрерывных смесей для расчета процесса разделения , создание прогнозирующих моделей фазового равновесия \ ассоциатов неременного состава. Вывод уравнений пригодных для, компьютерного моделирования процесса. Решение задачи выбора Технологического режима для получения прдуктов требуемого качества путем разработки и реализации в виде пакета прикладных программ соответствуй®!* алгоритмов. Разработка рекомендации по энергосбережению в технологической схеме.

Научная новизна. Доказана возможность применения вероятностно- статистического подхода для ассоциатов с переменным составом в широком диапазоне изменения температур с для расчета физико-химических свойств с учетом возможности структу-рообразования в нефтяных системах. Разработана методика расчета фазового равновесия и физико-химических свойств дискретно - непрерывных смесей и математическая модель для прогнозирования экспериментальных результатов. Создан оригинальный алгоритм расчета схемы с рециклическими потоками, отличаюший-сй тем, что позволяет выполнить все этапы работы начиная от обработки экспериментальных данных ( или их. приближенного расчета), до конечной стадии - прогнозирования качества продуктов по составу сырья с помощь» единого комплекса Предложен проблемно-ориентированный язык для интенсивного решения задач химической технологии и работы программ в интерактивном режиме, особенности которого состоят в том, что возможно непосредственно технологическую схему для отработки режима. Научные положения, а также выводы и рекомендации, сформулированные автором диссертации, теоретически обоснованы и подтверждены расчетами и экспериментами.

Практическая ценность работы. На основе применения вс-роит-ностно-статистического подхода.система уравнений большой размерности по каждому из компонентов заменяется на одно уравнение, что значительно уменьшает время счета. Проанализирована действующая схема, на основе анализа выявлены недостатки и

предложена новая модификация, позволяющая существенно улучшить качество разделения.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы оформлены в виде пакета прикладных программ и переданы в НПО"Реактиа" г.Москва и НУНПЗ г.Уфа. Экономический эффект от внедрения работы составляет 155,123 тыс. рублей.

Аппробация работы . Основные результаты работы были доложены на следующих научно-технических конференциях: IX Всесоюзная конференция по теории и практике ректификации в Северодо-неике в 1991 году, на двух конференциях молодых ученых ЮТИ им. Д. И. Менделеева в 1990-91 годах.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 5 печатных работах.

Струстура и обтам работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав,заключения, перечня используемой литературы

и приложений. Она изложена на _стр. машинописного текста,

содержит_рисунков и _таблиц. Список литературы включает в себя_наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении отмечена актуальность темы, сформулирована цель и основные задачи исследования, научная новизна и Практическая ценность полученных результатов, приведено краткое содержание по главам.

Первая глава лосвещена обзору существующих методов расчета процессов перегонки и ректификации непрерывных смесей. Приведено описание типовой технологической схемы для первичной переработки нефти. Показано, что расчет технологических схем разделения Многокомпонентных смесей является весьма сложной задачей, что обусловлено самой природой таких процессов: взаимосвязанный многоступенчатый тепло- и массообмен при сложной физико-химической природе разделяемой смеси. Из рассмотренной литературы видно, что важнейшей и наиболее достоверной характеристикой нефтяной смеси является кривая истинных температур кипения (НТК), однако вадачз строгого и точного математического описания кривых итк нефтей и нефтяных фракций не решена полностью в силу недостаточной изученности физико-химических особенностей чти* систем.

Предложенные ранее корреляции громоздки и среди них трудно найти достаточно близко отражающие действительную картину изучаемого явления. Причем представление состава традиционно рассматривается как отдельная проблема, а не одна из подзадач при описании физико-химической природы непрерывных смесей, что приводит к противоречиям при попытке совместить вероятностный подход и представление о многокомпонентных смесях.

Собственно расчет технологической схемы разделения как процесс распадается на два главных этапа: подготовка и обра-бопса всей необходимой информации и собственно расчет технологической схемы, включающий составление общей математической модели и её решение. Математическую модель для технологической схемы разделения, вгслгачает разделить на две. приблизительно одинаковые по сложности части: часть описывающая балансовые соотношения, и часть , описывающая взаимодействие различных фаз. Вопрос описания фазового равновесия и физико-химических свойств имеет важнейшее значение для технологических расчетов, а также для математического моделирования процесса ректификации непрерывных смесей типа нефтяных фракций.

Замена покомпонентного состава функциями распределения, при наличии зависимости для списания фазового равновесия, требует разработки оригинальных методов решения полученных уравнений, обладающих точностью и быстрой сходимостью.

Среди многообразия методов расчета ректификации матричные методы представляются наиболее гибкими при изменении состава. Поскольку установка АВГ-5 содержит рециклические потоки, то в работе рассмотрены методы решения систем в случае разреженной матрицы.

Глава завершается содержательной постановкой задачи диссертационной работы, которая сводится к разработке методов расчетного исследования установки первичной переработки нефти с использовани вероятностной интерпретации состава и модификации матричного метода.

Бо второй главе дано математическое описание кривых ИТК нефтей и нефтепродуктов и рассмотрена его применение к расчет у процесса ректификации. Нефть и нефтяные фракцих представляют собой непрерывные и полунепрерывные смеси. 1

- Б -

таблицах 1а, б и в таблице 2 приведены основные нефтяные фрак-

Таблица 1а

Результаты разгонки Ухтинской нефти

Выход, % масс

N ' Температура отбора фракции отд. фракции суммарный 'С

1. НК(ЗО) - 6Б 2. Б 2.5

2. 65 - 96 2.1 4.6

3. 95 - 11Б 2.7 7.3

4. 116 - 134 3.1 10.4

5. 134 - 158 .3.1 13. Б

6. 168 - 181 3.2 16? 7

7. 181 - 198 3.1 19.8

8. 198 - 21Б 2.9 22. 7

9. 215 - 230 2.9 25.6

10. 230 - 243 3.1 29.0

И. 243 - 280 3.3 32.3

12. 280 - 303 3. 3 35. 6

13,' 303 - 320 3.3 ■ 38.9

14. 320 - 336 3.5 42. 4

15. 336 - 356 3. 4 46.8

16. 356 - 356 3.4 49.2

17. 366 - 397 3. 5 52.7

18. ' , ' 397 - 419 ° 3.9 . 56. 6

19. . 419 - 442 3.6 . 60. 2

20. о 442 - 450 0.5 60.7

21. остаток. за з 100

- б -

Таблица 16

Результаты разгоню! Карачаганакекого конденсата.

\_^__________________

Выход, X масс

N Температура отбора фракции отд. фракции суммарный

1. - 161.5 0.01 0.01

о «С. - 83.6 0.05 0.05

3. - 42.1 0.42 0. 48

4. - 11.7 0.40 0.83

Б. - 0.5 1. 12 ' 2.00

6. 27.7 3.00 5.00

7. 36.0 4.00 9.00

8. 36-85 8.73 17.73

9. 85 - 105 ' 7. 12 24.95

10. 105 - 130 . 7. 58 32. 53

И. 130 - 150 5.94 39.47

12. • 150-170 б. 46 45. 93

13. 170: - 190 5.22 51.15

14. 190 - 210 4.21 55.36

15. 210 - 230 4. 24 59. 60

16. 230 - 250 4.26 63.86

17. .250 - 270 4.74 68.60

18. 270 - 290 . 5.57 74. 27

19. 290 - 310 3.19 77. 46

20. 310 - з?о 2.54 30.00

21. 330 - 350 3. 37 83. 37

22. 350 - 500 16.73 100

Таблица 2

Основные нефтяные фракции л их характеристики.

N Фракция Температурный интервал Выход

"О X пасс

1. газ до С

2. бензин

3. лигроин

4. керосин Б. £ ДТ

6. мазут

ции и их характеристики и результаты разгонки сырой нефти на установке периодической ректификации.

Проведено исследование закономерностей распределения состава нефгей различных месторождений и нефтяных фракций. Использование непрерывного распределения носит назва-ние"термодинаыика непрерывных систем". Этот метод особенно удобен в случае предварительного расчета процесса разгоню! нефти, так как свойства отдельных компонентов нефггяных фракций лежат в столь близких интервалах, что практически не поддаются разделению по химическому анализу.

Принимаем, что каждый ьый химический компонент может быть полностью охарактеризован значением одной переменной Ь . Эта переменная будет истинная температура кипения компонента. Случайная величина полностью определена, если известна функция распределения или платность вероятности, то введение плотности распределения значительно упрощает расчеты термодинамических свойств и идентификацию непрерывной смеси. Кривая истинных температур кипения является непрерывной, её можно рассматривать как функции распределения (интегральную), где каждая точка на кривой определяет количество тех химических компонентов исследуемой смеси, температура кипения которых уг-ньше ч-зМ в точке I.

нк - 156

45 - 180

140 - 230

180 - ЗБО 350 +

1.1

6.9 8

9.2 28.4 46. 4

Построение эмпирической зависимости состоит из двух этапов: подборка общего вида формулы и определение наилучших значений содержащихся в них параметров. Общий вид формулы может быть определен из физических соображений. Кроме расчетных примеров с хорошо известными распределениями (нормальное, нормально-логарифмическое, прямоугольное, треугольное, сплайн-функция, полиномы Паде), было введено понятие о фракционном распределении. В этом случае априори принимаются распределения в продуктовых фракциях, в искомая эмпирическая зависимость представляется в виде линейной комбинации базисных функций, а коэффициенты являются мольной долей данной фракция.

Наибольший интерес представляет расчет фазового равновесия на основе представления о фракционном распределении. Рассмотрим случай, когда дифференциальная функция для жидкой фазы будет представлять распределение Гаусса, которое характеризуется абсциссой максимума и стандартным отклонением . Ис-польаул Предположение об идеальности жидкой фазы, получим закон Рауля для непрерывной смеси:

Р Щ. I ) - Р(Ь,Т) ¥( Ь ) (1)

6 ь

где'« (I) (I) - функции распределения-для паровой и жидкой фазы; Р - общее давление; Р(Ь,Т) - давление паров чистого компонента; Т - температура в колонне.

В результате, интегрирования выражения (1) и подстановки получим: ' .

У С 1 ) -17 С/Юес^) ехр( - ( Ь -9& / ¿6 .')) (2)

где В^-^Ч/Т ; •

И • - математическое ожидание' для паровой фавы; - дисперсия для паровой фазы/

В полученном уравнении общую температуру" можно рассматривать как переменную величину. Предположим, чго температур-» по высоте убывает от Т/до Т^п шагом Н.

Следовательно, получается серия кривых распределения , которые достаточно полно характеризуют свойства разделяемой смеся.

Если Ввести поправку на неидеальность, то кривые не будут симметричны относительно математического. ожидания, т. е.

8- * I.

Р Щ Ь ) - к( Ь ) Р (1,1) И { С ) (3)

*

Расчет температурного профиля осуществляется из выраЛэ-ния, полученного в результате следующего преобразования. Из литературы известна зависимость:

Р*(1,Т)- Р*е*р( Я 1 - Ь / Т ) ) .. Н)

где Р - 101.325 КПа; А -А И - 10..4

Интегрируя уравнение (1) в пределах кипейкя данной.фракции, полупи:

|Р*(Ь,Т) \Л Ь ) ¿Ь / Р - 1 (Б).

4

В итоге получим конечное уравнение для расчета температуры.

а '

В работе приведено аналитическое решение ура|Ненйя фазового равновесия с использованием сплайн-функции. Шдель также обладает прогнозирующей способностью. Введение понятия о функции плотности распределения позволяют заменить К уравнений материального баланса по каждому из компонентов одним уравнением относительно функции точности распределения. Разработана группа алгоритмов расчета процесса разделения нефтяных смесей с использованием нормального распределения, через первый и второй моменты. Далее предложено оригинальное решение уравнений материального баланса .Если урарнение справедливо

для всей функции распределения, то оно справедливо и в каждой ее точке.

Шжно использовать известный алгоритм трехдиагональной матрицы (' одновременного решения системы уравнений материаль-ного баланса).

Моделирование статического режима современных химико-технологических процессов часто сводится к решению систем нелинейных уравнений большой размерности, представленных весьма сложными функциями. В настоящее время существует несколько систематических итерационных методов, каждый из которых удовлетворительно работает при определенных ограничениях.

Для расчета, как наиболее эффективный был выбран метод Ньютона-Рафсона. Он сходится квадратично в малой окресности корня (требует хорошего начального приближения), прост в вычислительном отношении, но на каждой итерации требует вычие ления матрицы Якоби ( матрицы частных производных от функций, определяющих систему уравнений) и ее обращения. Однако при моделировании такого сложного процесса, как многокомпонентная ректификация численный расчет производных связан с большим объёмом вычислительной работы (ввиду высокой размерности системы). Применение функций распределения значительна сокращает • размерность задачи.

Математическое описание технологической схемы по первичной переработке нефти было составлено с учетом реальных условий разделения смеси. Выводы по второй главе:

1. В соответствии с коллоидной структурой нефти и нефтяных фракций предложен вероятностно - статистический подход к описанию физико-химических свойств.

К. преимуществам данного математического описания относятся:

- возможность одновременного описания всего интервала кипения одной функцией распределения.

- возможность прогнозирования состава системы

- возможность использования понятии о фракционном распределении, позволяющем значительно упросить расчет разделения на продустопые фракции.

2. Предложено математическое описание фазового равновесия, отличпив* «?ся тем, что условия фпзеього равновесия- описываются

как непрерывная зависимость от температуры кипения точечного компонента. Выведены уравнения с учетом понятия о фракционном распределении.

3. В соответствии со структурой материальных потоков на кон-тзктном устройстве предложено математическое описание системы разделения. Предложенный подход позволяет заменить К уравнений материального баланса по каждому компоненту одним. В работе учитывается возможность формирования математического описания взаимосвязанной системы разделения.

Третья глава посвящена разработке пакета прикладных программ для оптимизации работы установки первичной переработки нефти.

Система " Дистилляция" - это универсальный пакет программных средств, предназначенный для расчета 1! исследования процесса первичной переработки нефти. Идеей создания системы явилась потребность иметь пакеты программных средств, объединенных одной обпрй методологией, логроляющей выполнить все этапы работы начиная от обработки экспериментальны* данных (или их приближенного расчета), до конечной стадии прогнозирования качества продуктов по составу сырья. Система работает в интерактивном режиме, открыта для подключения дополнительных программных модулей, ориентирована на конечного пользователя. Структура приведена на рисунке 1 .

структура. МБ и ТЕ . фазовое равновесие МОДЕЛЬ' АВТ метод решения системы уравнений н И 18 графических команд IMAGE.' печать результате!

.i } ИНТЕРАКТИВНЫЙ РЕЖИМ "г..... ■ - ■■

проверка результатов эксперимента' ОПЫТНЫЕ нотеяипальное ДАННЫЕ . содержание ввод данных ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА запуск программы

Гпе. 1 Структура пакета прикладных программ " Дистилляция".

Ыодуль " Опытные данные" основан на обработке данных по кривой ЩК. Сначала исходная зависимость аппроксимируется-Вид аппроксимации вибирает пользователь, в зависимости от дальцейией лраграмш работы. Далее проводится проверка акспе-ришнгальаих результатов. Затем интегральная функция плотности распределения переводится в дифференциальную. Бее результаты представляются в графическом виде на цветном экране дисплее. Отдельная программа рассчитывает потенциальное содержание целевых фракций, поскольку нефть различных месторождений аодериит различные проценты целевых фракций на единицу исходного. сырья. Это позволяет заранее рассчитать технологический режим, обеспечивающий максимальную прибыль при достаточном качестве исходного сырья.

Модуль " Топологическая схема " относится к проблем-Нр-Бриентироваиному языку для построения схем в химической технологии. Пользователь вводит на экран дисплея топологическую схему а контрольными точками, которые связаны с функциональными клавишами.

Главной составляющей частью пакета программ является модуль "Модель АВГ". В зависимости от структуры схемы систему уравнений необходимо решать разными методами. Проблемно- ориентированный язык позволяет запускать программу . непосредственно с топологической с хеш. Для схем с. рецикли-ческими потоками реализован оригинальный математический подход и способ коррекции пути решения.

Выводы по третьей главе: Разработано специальное математическое и программное обеспечение задачи моделирование стационарных режимов систем ректификационных колонн с рециклами для первичной переработки неф. ти. Отличительными особенностями созданного программного обеспечения,является:

. - модуль "Опытные данные" построен с учетом прогнозирую: црй способности предложенного вероятностно-статистического ..Подхода;

- 13 -

- прогноз дается по составу исследуемой системы в интервале температур, трудно доступных для лабораторного анализа;

- вероятностно-статистический подход позволяет на основе предварительного анализа потенциального содержания основных продуктовых фракции установить экономически наиболее выгодный технологический режим;

- применяется оригинальная методшса расчета схемы с рециклическими потоками

- пакет прикладных программ работает в интерактивном режиме ; '

В четвертой главе проведен расчетный эксперйментдля установки АВТ. На рис. 2 приведена действующая технологическая схема. Обессоленный конденсат Кдрачаганакского месторождения перед подачей на колонну К-1 разделяется на 3 потока. Первая часть конденсата поступает на установку без дополнительного нагрева, вторая часть нагревается с вторичным теплим в системе теплообменников и поступает с температурой 220 С, третий поток идет с температурой 210-230 С.' С верха колонны отбирается газ и бэнзиовая фракция. Отбенэиненный конденсат идет на дальнейшее разделение. О верха К-2 пары широкой фракции, содержащей в себе лигроин, керосин,дизельное топливо и водяной пар поступают на колонну К-3, тайме с колонны К-2 выводится в жидком виде фракция дизельного топлива и подается в К-3 . В третьей колонне отбирается лигроин, керосиновая фракция ( легкое дизельное топливо), тяжелое дизельное топливо. Колонна К-3 соединена обратными потоками с отпарной колонной К-6, с. низа" которой и отбирается - легкое дизельное топливо.. Для регулирования качества дизельного топлива по содержанию в нем наиболее легких компонентов вниз колонны подается водяной пар.

Заключительным этапом работы явилось проведение численного эксперимент по исследованию стационарного режима работы системы колонн.

Выводы по четвертой главе : Проведенный анализ и моделирование атмосферной части А8Т и разработанные рекомендации позволили определит! перечень мероприятий, которые позволят успешно эксплуатировать производство на той .же ' можности на

- H

о Ы

t4

tri

ff

ft Р!

N Ù

- ¿Г-

£3% снизив энергозатраты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Разработаны методологические основы расчета физико-химических свойств и фазового равновесия непрерывных и дйскрет-но-непрерывных смесей.

2. Проведены экспериментальные и расчетные, исследования процесса ректификации диекретно-непрершых и непрерывных смесей.

3. Предложена математическая модель и метод поверочного расчета установки АВТ-5.

4. Создан пакет прикладных программ для оптимизации режимов работы установки п" первичной переработке нефти.

5. Даны рекомендации по модификации установки с целью повышения эффективности работы.

Экономическая эффективность составляет 155 тыс. руб. в ценах 1991 года.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1.3уб М. 11 ,Ветохш( В. Н. .Орлова И. И. Расчет равновесия яидкооть-лар для процесса ректификации непрерывных смелей '/готогитря к печате в ТОХТе.

2. Зуб М. К. , Ветохин В. Н. Равновесие жидкость-пар для непрерывных смесей: Тез. докл. Всес. конф. по теории и практике ректификации - Северодонецк, 1991, 341с.

3. Зуб С. С. . Поленова 0. Г. ,3уб М. К. Разработка проблемно -ориентированного ягыгеа ¡МАЗЕ 'для расчета химико-тенологиче-ких схем. / Моск. хим. -технол. ин-т. - М., 1992. - с. б - Деп. в ВИНИТИ 11. 02,N 444. '

4. Зуб М. К. . Ретохин В. Н. Методы расчета непрерывных смесей. Сизико-химичеокие основы химической технологии.Труды Московского химико-т- -хнологиччского института им. Д. И. Менделеева. '! руды. Вып. 1 !,!. , 3ООН, 177с.

5. Зуб М К., Ь'тохйн Е Н. , Гареел р. Г. Парожядкостное равновесие нефтяных смесей для ректификационных колонн с рециклами// ЦНИНТЭнефго хин. 1991. с. 90-301.