автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Оптимизация процессов разделения на установке каталитического риформинга в производстве бензола

005013285

Смирнова Дарья Александровна

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ НА УСТАНОВКЕ КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА В ПРОИЗВОДСТВЕ БЕНЗОЛА

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2012

2 2 УД? НК2

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

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Лисицын Николай Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, проректор по научной работе

Санкт-Петербургского государственного лесотехнического

университета имени С.М. Кирова, профессор Уткин Лев Владимирович

кандидат технических наук, доцента по кафедре информационных систем и программного обеспечения РГПУ им. А.И. Герцена

Сикулер Денис Валерьевич

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс», г.Орел.

Защита диссертации состоится « 05 » апреля 2012г. в 13-30 час, в ауд. № 6J_ на заседании диссертационного совета Д 212.230.03 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (техническом университете)» по адресу: 198013, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО СПбГТИ(ТУ).

Отзывы и замечания в двух экземплярах, 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) 712-77-91; эл. почта: dissovet@technolog.edu.ru

Автореферат разослан « 02 » марта 2012г. Ученый секретарь

диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В. И. Халимон

Актуальность проблемы

При анализе и оптимизации сложных технических комплексов, таких как объекты нефтеперерабатывающей промышленности, основополагающим методологическим приемом является системный подход, который позволяет оценивать влияние различных факторов на эффективность функционирования химико-технологической системы (ХТС). Задача оптимизации может решаться как для системы в целом, так и для ее отдельных элементов с учетом внутренних связей между отдельными составляющими ХТС.

Одной из важнейших составляющих технологического цикла современных химических и нефтехимических производств являются процессы разделения. Примером может служить комплекс выделения бензола на установке каталитического риформинга, включающий блоки стабилизации катализата, экстракции ароматических углеводородов и вторичной ректификации индивидуальных компонентов. Оптимизации отдельных процессов разделения в промышленности, в том числе при выделении бензола, посвящено большое количество работ таких авторов, как В.В.Кафаров, С.С. Хачатрян, А.А.Гайле. Однако комплексного анализа взаимосвязанных технологических блоков промышленной установки не производилось.

Ввиду постоянно растущего спроса на бензол на мировом рынке углеводородов (200-3ООтыс.т/год), одной из важных задач, которая может быть решена методами системного анализа при исследовании ХТС производства бензола, является повышение производительности действующих установок.

Целью диссертации является оптимизация ХТС выделения бензола на установке каталитического бензольного риформинга ЛГ-35-8-300/Б, направленная на увеличение выработки товарной продукции с учетом возможности использования различных видов углеводородного сырья.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать математическую модель ХТС выделения бензола из катализата риформинга;

- выполнить анализ работы ХТС выделения бензола для выявления узлов, накладывающих ограничения на выработку продукта;

- произвести структурно-параметрическую оптимизацию блока стабилизации

и определить оптимальные параметры ведения технологического процесса на блоке вторичной ректификации установки каталитического риформинга;

-разработать методы и алгоритмы поддержки принятия решения, предназначенные для выбора оптимальных режимов работы ХТС с учетом возможности работы установки на различных видах углеводородного сырья.

Объект исследования представляет собой промышленную ХТС выделения бензола, входящую в состав технологической установки каталитического бензольного риформинга ЛГ-35-8-300/Б и состоящую из трех подсистем -блока стабилизации катализата риформинга, блока экстракции ароматических углеводородов и блока вторичной ректификации многокомпонентной смеси. Научная новизна заключается в разработке

• математической модели ХТС выделения бензола на установке каталитического бензольного риформинга, включающей подсистемы стабилизации катализата, экстракции и вторичной ректификации;

• алгоритмов прогноза качества бензола и оптимизации технологических режимов ХТС для программного комплекса поддержки принятия решения;

• методики определения оптимального местоположения датчика контроля температуры в колонне выделения бензола на основании величины допустимого температурного интервала на контрольной тарелке при управлении процессом вторичной ректификации.

Практическая значимость

Получено решение задачи структурной и параметрической оптимизации промышленной установки каталитического риформинга ЛГ-35-8-300/Б 000«ГЮ«Киришинефтеоргсинтез», обеспечивающее увеличение выработки бензола до 15% при соблюдении действующих норм на качество продуктов и условия эксплуатации оборудования. Основные результаты внедрения:

- изменена структура технологической схемы подсистемы стабилизации катализата - из ХТС исключен адсорбционно-десорбционный блок, выделение газов стабилизации полностью производится в колонне стабилизации;

- произведена оптимизация режимов работы колонны выделения бензола -значение расхода орошения и температуры на контрольной тарелке

рассчитываются по найденным экспериментальным зависимостям; - изменено расположение контрольной термопары для колонны выделения бензола К-103 блока вторичной ректификации, контрольный датчик перенесен на 17-ю тарелку.

Экономический эффект составил около 20 млн.руб/год.

Достоверность основных сформулированных научных положений и выводов подтверждена корректным использованием методов математического моделирования, анализа и оптимизации ХТС и положительными результатами внедрения основных выработанных рекомендаций на действующем промышленном объекте.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных научных конференциях: научная конференция «ММТТ-20» (2007г., г.Ярославль), «ММТТ-21» (2008г., г.Саратов), «ММТТ-22» (2009г., г.Смоленск), «ММТТ-24» (2011г., г.Киев), конференция Российского химического общества им. Д.И. Менделеева «Ресурсосберегающие и энергоэффективные технологии в химической и нефтехимической промышленности» (2009г., 2011г., г.Москва), молодежная научно-техническая конференция «Современные проблемы катализа и нефтепереработки» (2010г., г.Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных печатных работ. Из них в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 статьи.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, приложений. Работа изложена на 142 стр., список использованной литературы содержит 92 наименования.

Содержание работы

Первая глава посвящена описанию объекта исследования - ХТС выделения бензола, входящую в состав технологической установки каталитического бензольного риформинга ЛГ-35-8/300Б (рис. 1), обзору методов моделирования, анализа и оптимизации ХТС.

Комплексы производства бензола включают в себя разнообразные и разнородные технологические процессы: каталитические процессы

гидроочистки и риформинга с последующей стабилизацией полученных продуктов, процессы экстракции с последующей регенерацией селективных растворителей, четкую ректификацию продуктов и т.д., причем отдельные блоки взаимосвязаны между собой, в том числе, рециркуляционными потоками.

УСТАНОВКА БЕНЗОЛЬНОГО РИФОРМИНГА

Блок гидроочистки и блок риформинга

ХТС ВЫДЕЛЕНИЯ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ

?

1. Блок стабилизации катализата

Ч4-

2. Блок экстракции

3. Блок

вторичной ректификации

Газы Головка стабилизации

РАФИНАТ БЕНЗОЛ V

ТОЛУОЛI

I_________________________________________________________________1

Рисунок 1 - Схема ХТС выделения бензола Кроме того, каждый из перечисленных процессов характеризуется сложностью аппаратурного оформления, а в качестве сырья используется многокомпонентная смесь углеводородов. Все это определяет значительную размерность задач оптимизации процесса, поэтому для поиска оптимального решения представляется целесообразным разделение ХТС на ряд более простых подсистем для поиска оптимума общей задачи. ХТС выделения бензола рассматривается как совокупность трех блоков в соответствии с технологической схемой процесса - блока стабилизации катализата, блока экстракции ароматических углеводородов и блока выделения товарного бензола методом четкой ректификации. Каждый из них представляет собой соответствующую подсистему, а задача оптимизации сводится к поиску таких параметров ХТС, которые соответствуют максимуму выработки бензола в системе, состоящей из трех последовательных технологических блоков, при соблюдении регламентных ограничений по качеству продукции и работе технологического оборудования. Математическая формулировка задачи оптимизации ХТС может быть представлена следующим образом:

гаХг-ЛСУз).

(1)

р1{х„у1,и1,к1) = 0, ( = 1,2,3; ^•+1 = Дй);

(2)

(3)

(4)

(5)

ЗД ал

(6)

где 1 - номер блока (1=1,2,3); векторы входных (состав, расход,

температуры сырья), выходных (составы, расходы, температуры продуктов), управляющих (для ректификационных колонн - расходы орошения, расход теплоносителя в рибойлер колонны) и конструктивных (для ректификационной колонны - количество и тип тарелок) параметров ¡-блока; Р] - загрузка блока стабилизации по бензолу, кг; Р4 - выработка бензола на блоке вторичной ректификации, кг; ^(х^у^й^к,) - математические модели элементов ХТС;

Ч/1 > У ~11> к/) - характеристики качества продуктов и работы оборудования. Для проведения анализа системы и оптимизационных расчетов разработан набор моделей элементов ХТС на базе известных фундаментальных зависимостей и фактических данных, полученных на промышленном объекте.

Во второй главе описаны разработанные в среде АзрепНузуэ компьютерные модели блоков ХТС. Подтверждена адекватность моделей путем сравнения расчетных и фактических показателей, полученных с промышленного объекта. Режим работы установки, параметры которого использованы в качестве исходных данных для моделирования, назван базовым.

Произведен анализ данных по составу технологических потоков и режимных показателей ХТС с технологической установки. В качестве сырья каталитического риформинга ЛГ-35-8-300/Б помимо предусмотренной по проекту прямогонной бензиновой фракции 62-105°С дополнительно могут использоваться потоки фракций полупродуктов с комплекса суммарных ксилолов - бензолсодержащая и доксилольная фракции. Кроме того, исследование входных и выходных параметров показало, что ХТС функционирует в условиях превышения загрузки сырья сверх проектных значений на 30%, в результате чего частично нарушаются условия (3) - в 4 раза превышена норма содержании тяжелых углеводородов в головке стабилизации,

периодически нарушаются нормы по содержанию примесей в товарных бензоле и толуоле. Перед решением задачи оптимизации необходимо обеспечить выполнение норм по качеству продукции для существующего состояния системы.

С использованием расчетных моделей выполнен комплексный анализ функционирования ХТС, и выявлены узлы, накладывающие ограничения на выработку бензола по условиям (3). Установлено, что увеличить производительность процесса по бензолу можно за счет оптимизации только на двух блоках - стабилизации и вторичной ректификации. Поскольку увеличение выработки бензола на блоке вторичной ректификации определяется повышением производительности блока стабилизации (6), оптимизация элементов системы производится последовательно, а задача оптимизации распадается на две задачи с технологическими критериями эффективности:

- структурно-параметрическая оптимизация блока стабилизации (рис. 2);

- параметрическая оптимизация блока вторичной ректификации (рис.3).

По данным с установки для первой задачи в условиях действующего производства наблюдалось несоответствие качества побочных продуктов нормативно-технической документации: при расходе орошения в колонне стабилизации 6-7м3/ч обеспечивался необходимый запас по качеству для целевого продукта - стабильного катализата, однако для головки стабилизации четкость деления являлась неудовлетворительной (содержание углеводородов С6+ превышало 20%мас. при норме не более 5%мас.). Это приводило к потерям углеводородов, входящих в состав бензинов, в объеме около 3000т в год.

Абсорбер К-2 Десорбср К-3 Колонна стабилизации К-4

Рисунок 2 - Принципиальная схема блока стабилизации катализата риформинга

установки ЛГ-35-8-300/Б

Кроме того, исходя из структуры блока выявлена нерациональность разделения газов стабилизации на сухой (углеводороды С1-С2) и жирный (углеводороды С3-С4), поскольку в дальнейшем их потоки объединяются. Следовательно, существует необходимость оценки целесообразности изменения структуры блока.

Таким образом, решение задачи оптимизации подсистемы должно обеспечивать минимум потерь углеводородов Сб+ с головкой стабилизации при фиксированных тепловых ресурсах и соблюдении норм по качеству стабильного катализата.

При оптимизации блока вторичной ректификации параметры сырья определяются исходя из результатов, полученных для блока стабилизации. Проведенный анализ технологических режимов и качества продуктов блока вторичной ректификации для различных составов сырья выявил узел, ограничивающий выработку бензола в рамках системы вторичного разделения - колонну выделения бензола. Здесь наблюдались периодические нарушения четкости ректификации, в результате чего не соблюдалось качество товарного бензола (превышение нормы по содержанию толуола более 0,1% мае.), снижался объем выпуска кондиционной продукции.

Колонна выделения Колонна выделения бензола К-103 толуола К-104

Рисунок 3 - Принципиальная технологическая схема блока вторичной

ректификации

Отсюда можно сделать вывод, задача параметрической оптимизации блока вторичной ректификации формулируется как обеспечение максимизации выработки товарного бензола за счет повышения загрузки блока стабилизации при соблюдении норм по качеству продукции.

Третья глава посвящена решению задачи структурно-параметрической оптимизации блока стабилизации катализата. Исследования ХТС на модели

показали:

- для обеспечения требуемой четкости деления в колонне стабилизации К-4 необходимо увеличить расход орошения, а, следовательно, и подачу тепла в куб колонны;

- в существующей технологической схеме суммарный расход теплоносителя на блок стабилизации фиксирован, поэтому увеличение потока тепла в колонны стабилизации может быть достигнуто только за счет перераспределения тепловых ресурсов внутри указанного блока;

- в связи с нерациональностью выделения сухого газа в абсорбционно-десорбционном узле, последний может быть исключен из технологической схемы, а высвободившиеся тепловые ресурсы использованы для подогрева низа колонны стабилизации К-4;

- для подтверждения возможности внесения изменений в схему процесса необходимо провести дополнительные расчеты для количественной оценки тепловых ресурсов, режимов работы блока, показателей качества продуктов и возможностей использования существующего оборудования.

В результате последующих исследований установлено, что требуемая четкость деления обеспечивается при поддержании расхода орошения на уровне 10-12м3/ч при производительности по стабильному катализату 48т/ч. Общие тепловые потребности колонны при увеличении потока орошения составят около 2 МВт/ч. Подвод требуемого дополнительного количества тепловой энергии в размере 0,ЗМВт/ч полностью обеспечивается потоком тепла, высвобождающимся при исключении из схемы абсорбционно-десорбционного узла. Однако при этом вся газовая фаза должна выделяться в колонне стабилизации, что приведет к изменению парожидкостных нагрузок аппарата и может создать трудности из-за присутствия в сухом газе стабилизации значительных количеств водорода. Поэтому на модели была проведена проверка допустимых парожидкостных нагрузок, которая показала наличие запаса устойчивости работы колонны при разделении в ней всего потока сырья и поддержании необходимого уровня расхода орошения.

В то же время, при переходе на технологическую схему с использованием только одной колонны возрастает нагрузка подогревателя низа колонны. Расчетным путем проверена и подтверждена способность подогревателя низа колонны обеспечить передачу необходимого количества тепла с учетом повышения загрузки стабилизатора при исключении из схемы абсорбционно-

десорбционного комплекса.

Результаты исследований подтверждены в ходе промышленного испытания на действующем производстве. В ходе эксперимента физически была имитирована работа блока стабилизации по одноколонной схеме путем прекращения подвода энергии в подогреватель низа десорбера, отключения рециркулирующего потока газов из десорбера в адсорбер, приостановлении отбора сухого газа в адсорбере (рис.2). Таким образом, поток теплоносителя блока был полностью направлен в подогреватель низа колонны стабилизации. По итогам опытного пробега показана возможность работы блока стабилизации с одной колонной, а также установлено, что коррекция режимных параметров позволяет соблюсти нормы по качеству продуктов (рис. 4).

На модели определено, что суммарные резервы тепла на блоке стабилизации составляют 2,3-2,4МВт/ч. Последующие расчеты показали, что с учетом ограничений по парожидкостным нагрузкам и поверхности теплопередачи подогревателя низа колонны К-4 имеется возможность повышения загрузки стабилизатора на 10-15% от существующей, что позволит перерабатывать дополнительное количество сырья со смежных установок («бензолсодержащая» и «доксилольная» фракции).

Рисунок 4 - Изменение содержания углеводородов Сб+ в головке стабилизации

Таким образом, была показана возможность извлечения из катализата риформинга дополнительного количества углеводородов Сб+, а также способность существующего оборудования обеспечить увеличение загрузки блока на 7т/ч, что приводет к повышению выработки товарной продукции, в частности бензола, а значит отвечает критерию оптимизации (1), и обеспечивает ожидаемое повышение прибыли, которое составляет около 20 млн.руб./г.

На модели подтверждено соблюдение норм по качеству продукции на блоке

экстракции после внесения изменений в процесс стабилизации. Это дает возможность использовать полученное решение, удовлетворяющее ограничениям (3), для выработки входных параметров для задачи оптимизации блока вторичной ректификации.

Четвертая глава посвящена оптимизации блока вторичной ректификации (рис. 3). В ходе анализа процесса ректификации при помощи модели определены факторы, влияющие на качество продукции, которые делятся на две группы - параметры технологического режима колонны выделения бензола (или управления) (расход орошения, расход теплоносителя в куб колонны) и параметры сырья (расход бензола в сырьевом потоке, соотношение бензол/толуол в сырье блока). Установлена основная причина нарушения четкости деления в колонне, а именно перегрузка агрегата по парам в случае увеличения доли бензола в сырье блока (рис. 5).

Анализ парожидкостных нагрузок выявил наиболее нагруженное по парам контактное устройство колонны выделения бензола - тарелку №49. Автором была выдвинута гипотеза о том, что сохранение постоянной паровой нагрузки на тарелке №49 является необходимым условием соблюдений ограничений по содержанию примесей в бензоле при изменении состава сырья.

г £

с

«и

с

и

1,73

1,52

1,31

1,10

1» и п 01 о: « <н о?

месяц

---Бензол в толуоле--Толуол в бензоле Бензол / Толуол

Рисунок 5 - Зависимость четкости ректификации от параметров сырья

ц £

Из условия теплового баланса на данной тарелке выведено соотношение для расчета оптимального значения первого параметра регулирования колонны -расхода орошения - с учетом изменчивости температуры острого орошения (7):

орошение

(7)

1 + 4,65-10~3Д7'-6-10-6-ДГ

.2'

где Рйатпа - расход бензола, т/ч; Рт,р49 -расход парового потока на тарелке 2, определяемый из модели, т/ч, дг -Т4ГТрфюкс, °С, причем Т49 соответствует температуре фазового перехода жидкость-пар для смеси компонентов на тарелке 49 при заданном давлении; в базовом режиме Т49 = 86°С, Трефлюкс температура в рефлюксной емкости Т-103.

Установлено, что стабильная работа колонны К-4 гарантирована при под держании паровой нагрузки на уровне штатного режима.

Как было сказано ранее, второе управляющее воздействие колонны выделения бензола - расход потока горячей струи на нижнюю тарелку колонны. В результате его воздействия изменяется температурный профиль колонного аппарата. После обработки результатов расчета по модели для набора известных составов сырья была получена экспериментальная зависимость оптимального значения температуры на контрольной тарелке 22 от загрузки, качества сырья с учетом поправок на давление (8):

где 2 - общая загрузка блока вторичной ректификации, т/ч; В - загрузка по бензолу, т/ч.

Произведен анализ эффективности ведения технологического процесса выделения бензола. Помимо существующего положения термопары на контрольной тарелке 22 колонны К-103 имеется техническая возможность использовать в качестве контрольной тарелки номер 17 и 27. Для выбора наиболее эффективного положения датчика введено понятие «ширина рабочей области», под которым понимается диапазон значений регулируемого параметра (в данном случае, температуры), при которых выполняются ограничения на качество получаемой продукции. На рис. 6 показала рабочая область для базового режима колонны. На качество продукции, в свою очередь, наложен запас, равный 10%.

Для одних и тех же составов сырья определены размеры рабочей области для тарелки 17, 22 (рис.7) и 27. Было показано, что наиболее широкую область изменений допустимых значений температур обеспечивает схема регулирования с использованием термопары, расположенной на тарелке номер

Т22а„ти„ = 105,33+0,47-(г-17)-1.55-(В-10) ,

(В)

17, что соответствует и повышению устойчивости работы колонны относительно других положений датчика температуры. Соответственно, для тарелки номер 17 получена расчетная зависимость оптимального значения температуры от загрузки, качества сырья с учетом поправок на давление:

Тпоптим = 113,42+0,47-(1-17)-1.36-(В-10) (9)

1 - бензол в толуоле; 2 - толуол в бензоле; 3 - регламентное ограничение ГОСТ 14710 и ГОСТ 9572 по содержанию бензола в толуоле и толуола в бензоле; 4 -регламентное ограничение ГОСТ 14710 ГОСТ 9572 по содержанию бензола в толуоле и толуола в бензоле с учетом запаса 10%; 5 - рабочая область Рисунок 6 - Изменение качества продукции в зависимости от температуры

Суммарный расход бензола и толуола, т/ч Суммарный расход бензола и толуола, т/ч

Рисунок 7 - Ширина рабочей области для тарелок 22 и 17 Подтвержденная расчетным путем возможность повышения качества продуктовых потоков испытана на действующем промышленном объекте. Для возможности оценки переходных процессов при изменении параметров сырья была разработана компьютерная модель колонны выделения бензола в

динамическом режиме, позволившая оценить время переходных процессов. Эксперимент по применению предложенной схемы регулирования продолжался 10 дней, в которых параметры сырья установки изменялись в достаточно широких пределах (соотношение бензол/толуол изменялось от 1,0 до 1,6). Качество продукции на протяжении всего эксперимента совпадало с результатами, которые ожидались по итогам расчетов: содержание толуола в товарном бензоле снизилось с величины 0,06 - 0,09% мае. до уровня 0,03% мае. При этом качество толуола сохранилось в пределах регламентных ограничений (содержание примеси бензола не более 0,10% мае.).

После завершения эксперимента принято решение о коррекции режимов работы технологического блока, а также переводе контрольного датчика температуры на тарелку 17. Температура по всему профилю колонны была снижена на 4^7°С, в частности значение температуры на контрольной тарелке 17 поддерживается в пределах 115-Н 19°С вместо 111^116 °С до проведения эксперимента. При этом качество выпускаемой продукции неизменно остается в рамках норм, стабильное среднее содержание толуола в бензоле достигает значения менее 0,03% мае. (рис. 8).

и ! Регламентное ограничение не более 0,1 %мас. толуола в бензоле

О 2008 2009 2010 2011

Рисунок 8 - Изменение качества бензола после оптимизации блока

Поскольку блоки установки взаимодействуют друг с другом по жестким связям, есть возможность достаточно точно прогнозировать входные параметры блока по выходным параметрам на предыдущих стадиях переработки (4), а значит, своевременно корректировать задания на регуляторы в соответствии с изменениями, произошедшими на предыдущих стадиях. Таким образом, решена задача поддержания стабильной работы колонны выделения бензола при повышенной загрузке предшествующих технологических блоков. Помимо повышения производительности блока с выработкой повышенного количества бензола оценена и подтверждена возможность выпуска продукции

более высокого качества.

Разработан алгоритм оптимизации технологических режимов блока, а также прогнозирующий алгоритм, позволяющий по изменению расхода стабильного катализата рассчитать состав сырья подсистемы вторичной ректификации и выработать соответствующие параметры технологического режима (рис. 9,10).

Рисунок 9 - Алгоритм программного комплекса принятия решений для ХТС выделения бензола установки ЛГ-35-8-300/Б

( НАЧАЛО)

( КОНЕЦ )

Рисунок 10 - Прогнозирующий алгоритм для выработки режимов работы блока вторичной ректификации установки ЛГ-35-8-300/Б

Рассмотренная ХТС выделения бензола характеризуется значительным количеством параметров, описывающих ее состояние, поэтому для анализа и оптимизации комплекса был применен принцип декомпозиции, в данном случае имеет место двухуровневая задача поиска оптимального решения. Для согласования в рамках всей системы частных оптимальных решений, полученных на нижнем уровне, фиксируются выходные параметры ¡-го блока,

для которого уже найдено оптимальное решение, в результате его параметры не будут варьироваться и влиять на режим работы остальных блоков продукции.

Оптимальность ХТС в целом может быть гарантирована в том случае, если оптимальные решения для отдельных блоков нижнего уровня лежат на границе ограничений, что и наблюдается в случае рассмотренной системы. Ограничение на выработку бензола в рамках блока стабилизации катализата накладывает условие работы оборудования, в рамках блока вторичной ректификации -норма по качеству целевой фракции (рис. 11). Кроме того, имеет место монотонность изменения конечного значения критерия оптимальности для всех последовательно расположенных блоков (выход бензола на последнем блоке прямо пропорционален количеству бензола, поданному на первый блок, и не может его превосходить).

9ПП

Показатель качества продукции, % Сп го г о о о о о ОС о о о о о о о с Область допустимых значений паоадлеточв Еачества пдодукщш Ограничений то работе оборудования

6 7 8 9 50 П

до оптимизации огатнгзащш

:

Рисунок 11 - Увеличение выработки бензола в результате последовательного решения задач оптимизации подсистем ХТС выделения бензола

Основные результаты работы

1. Разработана математическая модель ХТС промышленной установки каталитического риформинга ЛГ-35-8-300/Б, адекватно отражающая изменение параметров системы для видов углеводородного сырья в производстве бензола.

2. В результате исследования установки, решения задач декомпозиции и оптимизации ХТС доказана возможность увеличения выработки бензола до 15%, что подтверждено в ходе промышленного эксперимента.

3. Разработаны алгоритмы поддержки принятия решения для прогноза качества бензола по показателям расходов стабильного катализата и определения оптимальных режимов работы подсистемы вторичной ректификации в диапазоне изменения состава сырья в пределах 30%.

4. Разработана математическая модель оценки состава сырья, поступающего в

подсистему вторичной ректификации, для определения оптимальных значений расхода орошения и температуры на контрольной тарелке колонны выделения бензола К-103;

5. На основании анализа величин отклонения расхода стабильного катализата от его оптимального значения разработана процедура прогноза возникновения нестационарных состояний ХТС и выработаны рекомендации по коррекции расхода орошения колонны выделения бензола, что позволяет сохранять качество продукции в рамках регламентных норм при увеличении расхода сырья в пределах до10%.

6. Разработана методика определения оптимального местоположения датчика контроля температуры в колонне выделения бензола на основании величины допустимого температурного интервала на контрольной тарелке при управлении процессом вторичной ректификации.

7. Полученные результаты по увеличению выработки бензола, оптимизации режимов подсистемы вторичной ректификации, оптимизации структуры подсистемы стабилизации катализата, внедрены на установке каталитического риформинга ООО «ПО «Киришинефтеогрсинтез».

Публикации по теме диссертации

1. Смирнова Д.А., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Повышение эффективности работы блока стабилизации установки бензольного риформинга // Сборник трудов XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии». Ярославль: ЯГТУ, 2007. Т.5. С. 100-101.

2. Смирнова Д.А., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Оптимизация режимов работы колонны выделения бензола на установке риформинга // Сборник трудов XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии». Саратов: СГТУ, 2008. Т.6. С. 58-59.

3. Смирнова Д.А., Федоров В.И., Лисицын Н.В., Ерженков A.C. Пути рационального ресурсопотребления на бензольном риформинге // Сборник трудов XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии». Саратов: СГТУ, 2008. Т.6. С. 54-55.

4. Смирнова Д.А., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Повышение производительности колонны выделения бензола на НПЗ // Сборник трудов XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии». Псков: ППИ, 2009. Т.9. С. 38.

5. Смирнова Д.А., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Оптимизация работы колонны

выделения бензола // Автоматизация в промышленности. 2009. №7. С.33-36.

6. Смирнова Д.А., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Повышение производительности колонны выделения бензола на производстве // Сборник научных трудов XIX Менделеевской конференции молодых ученых. М.:РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2009. С.45-47.

7. Смирнова Д.А., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Оптимизация процессов разделения при производстве бензола. // Сборник статей и докладов молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы катализа и нефтепереработки». М.:МИТХТ, 2010. С. 50-51.

8. Смирнова Д.А., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Оптимизация процессов разделения в производстве ароматических углеводородов // Сборник трудов XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии». Саратов: СГУ, 2011. С. 68-70.

9. Смирнова Д.А., Федоров В.П., Лисицын Н.В. Повышение эффективности работы промышленной установки по получению ароматических углеводородов // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2011. №12(38). С. 90-93.

10. Смирнова Д.А., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Реализация ресурсосберегающей технологии в производстве бензола // Сборник научных трудов XXI Менделеевской конференции молодых ученых. М.:РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2011. С.224-226.

Подписано в печать 02.03.12 Формат 60х841/1б Цифровая Печ. л. 1.13 Уч.-изд.л. 1.13 Тираж 100 Заказ 02/03 печать

Отпечатано в типографии «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)

61 12-5/3462

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

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

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ НА УСТАНОВКЕ КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА В ПРОИЗВОДСТВЕ БЕНЗОЛА

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. Особенности задач оптимизации промышленных ХТС.....................................8

1.2. Современные методы анализа и оптимизации ХТС.........................................14

1.3. Современные принципы и средства моделирования ХТС...............................18

1.4. Описание объекта исследования - ХТС выделения бензола...........................25

1.5 Постановка задачи исследования.........................................................................30

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНОЙ ХТС РАЗДЕЛЕНИЯ УСТАНОВКИ

КАТИЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА ЛГ-35-8-300/Б........................................32

2.1. Моделирование блока стабилизации установки ЛГ-35-8-300/Б.....................32

2.2 Моделирование блока экстракции установки ЛГ-35-8-300/Б...........................38

2. 3. Моделирование блока вторичной ректификации установки ЛГ-35-8-300/Б 45 ГЛАВА 3. СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ БЛОКА СТАБИЛИЗАЦИИ УСТАНОВКИ ЛГ-35-8-300/Б...................................................51

3.1. Задача повышения эффективности работы блока стабилизации....................51

3.2. Оптимизация тепловых потоков блока стабилизации......................................56

3.3. Результаты анализа работы оборудования при дополнительных нагрузках .58

3.4. Результаты опытной эксплуатации оптимальной схемы в промышленных условиях на установке каталитического риформинга ЛГ-35-8-300/Б

000«П0«Киришинефте0ргсинтез»..........................................................................62

3.5 Оптимальная ХТС блока стабилизации установки ЛГ-35-8-300/Б..................67

ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ БЛОКА ВТОРИЧНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ УСТАНОВКИ ЛГ-35-8-300/Б.....................................................................................69

4.1. Анализ работы блока вторичной ректификации установки ЛГ-35-8-300/Б...69

4.2. Оптимизация режимов колонны выделения бензола К-103............................72

4.3. Анализ чувствительности температуры на контактных устройствах колонны

К-103 к изменению состава многокомпонентной смеси.........................................78

4.4 Подготовка и проведение промышленных испытаний предложенной схемы работы блока вторичной перегонки...........................................................................91

4.5. Оптимальная ХТС выделения бензола.............................................................102

ВЫВОДЫ...................................................................................................................104

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ................................................................................105

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................................107

ПРИЛОЖЕНИЕ А......................................................................................................115

ПРИЛОЖЕНИЕ Б......................................................................................................122

ПРИЛОЖЕНИЕ В......................................................................................................132

ВВЕДЕНИЕ

При анализе и оптимизации сложных технических комплексов, таких как объекты нефтеперерабатывающей промышленности, основополагающим методологическим приемом является системный подход, который позволяет оценивать влияние различных факторов на эффективность функционирования химико-технологической системы (ХТС). Задача оптимизации может решаться как для системы в целом, так и для ее отдельных элементов с учетом внутренних связей между отдельными составляющими ХТС.

Среди операций, протекающих в рамках современных химических и нефтехимических производств, процессы разделения являются одной из важнейших составляющих, поэтому их оптимизация занимает особое место при решении задач повышения эффективности промышленных ХТС. Примером подобной системы может служить комплекс выделения бензола на установке каталитического риформинга, включающий блоки стабилизации катализата, экстракции ароматических углеводородов и вторичной ректификации индивидуальных компонентов.

Оптимизация процесса разделения в рамках производственной системы предусматривает поиск оптимальной технологической схемы процесса, которая помимо выбора наилучшего варианта структуры предполагает обязательное согласование оптимальных режимов отдельных аппаратов. Изучению отдельных стадий разделения в промышленности, в том числе при выделении бензола, посвящено большое количество работ таких авторов, как В.В.Кафаров, С.С. Хачатрян, А.А.Гайле. Достигнуты успехи в оптимизации различных технологических операций - реакционных процессов, экстрагировании, адсорбции, однако комплексного анализа взаимосвязанных технологических блоков промышленной установки не производилось.

Комплексы производства бензола включают в себя разнообразные и разнородные технологические процессы: каталитические процессы гидроочистки и риформинга с последующей стабилизацией полученных продуктов, процессы экстракции с последующей регенерацией селективных

растворителей, четкую ректификацию продуктов и т.д., причем отдельные блоки взаимосвязаны между собой, в том числе, рециркуляционными потоками. Кроме того, каждый из перечисленных процессов характеризуется сложностью аппаратурного оформления, а в качестве сырья используется многокомпонентная смесь углеводородов.

Все эти факторы при формализации описания подобных систем обуславливают значительную размерность математических моделей, которые представляют собой системы дифференциальных уравнений в обыкновенных или частных производных, зачастую нелинейных. Поэтому оптимизации промышленных систем проведение исследований на действующих объектах является затруднительным с практической точки зрения и предполагает обязательное использование специализированных программных продуктов, которые позволяют выполнять моделирование сложных ХТС на основании баз данных физико-химических свойств компонентов и программных модулей стандартных технологических аппаратов.

Ввиду постоянно растущего спроса на бензол на мировом рынке углеводородов (200-300 тыс.т/год), одной из важных задач, которая может быть решена методами системного анализа при исследовании ХТС производства бензола, является повышение производительности действующих установок.

На защиту выносятся:

• математическая модель ХТС выделения бензола установки бензольного риформинга ЛГ-35-8-300/Б, адекватно отражающая поведение системы в широком диапазоне изменчивости параметров сырья, предназначенная для проведения анализа и оптимизации ХТС;

• алгоритм поддержки принятия решений по ведению технологического процесса производства ароматических углеводородов, решающий задачи оптимизации и стабилизации качества продуктовых потоков, бензола и толуола;

• алгоритм программного комплекса поддержки принятия решений позволяющий осуществлять прогноз качества бензола и толуола по показателям расходов стабильного катализата после блока стабилизации и выбор оптимальных режимов работы ХТС в диапазоне изменчивости состава сырья в размере 30%;

• методика выбора оптимального положения контрольной термопары в колонне выделения бензола.

Апробация. Основные результаты докладывались на международных научных конференциях: научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» (2007г., г.Ярославль, 2008г., г.Саратов, 2009г., г.Смоленск, 2011г., г.Киев), конференции Российского химического общества им. Д.И. Менделеева «Ресурсосберегающие и энергоэффективные технологии в химической и нефтехимической промышленности» (2009г., 2011г., г.Москва), молодежная научно-техническая конференция «Современные проблемы катализа и нефтепереработки» (2010г., г.Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных печатных работ. Из них в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 статьи.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

В первой главе, предваряющей диссертационное исследование, рассмотрена проблематика системного подхода к решению инженерных задач, выполнен обзор методов моделирования, анализа и оптимизации сложных технологических схем, дано описание объекта исследования, сформулированы цель и задачи представленной работы, выполнена постановка задачи оптимизации ХТС.

Теория оптимизации находит эффективное применение во всех направлениях инженерной деятельности, и в первую очередь в следующих четырех ее областях:

1. Проектирование систем и их составных систем;

2. Планирование и анализ функционирования существующих систем;

3. Инженерный анализ и обработка информации;

4. Управление динамическими системами.

Важнейшая область применения оптимизационных методов в инженерной практике связана с совершенствованием существующих систем и разработкой производственных планов для многопродуктовых технико-экономических процессов, таких как, например, нефтехимическое производство [1]. Задачи анализа функционирования систем обычно возникают в тех случаях, когда требуется адаптировать существующую систему к новым условиям функционирования, отличным от тех условий, которые были предусмотрены проектом для этой системы. Причины, порождающие требования такого рода, как правило, связаны с необходимостью:

1. увеличения общего объема выпуска продукции;

2. использования других видов сырья и расширения ассортимента изделий;

3.совершенствования технологических операций, отличающихся низким уровнем проектных решений [1-2].

1.1. Особенности задач оптимизации промышленных ХТС

Для того, чтобы использовать математические результаты и численные методы теории оптимизации для решения конкретных инженерных задач, необходимо установить границы подлежащей оптимизации инженерной системы, определить количественный критерий, на основе которого можно произвести анализ вариантов с целью выявления «наилучшего», осуществить выбор внутрисистемных переменных, которые используются для определения характеристик и идентификации вариантов, и, наконец, построить модель, отражающую взаимосвязи этих переменных.

Эта последовательность действий составляет содержание процесса постановки задачи инженерной оптимизации [3].

Прежде чем приступить к оптимизационному исследованию, важно четко определить границы изучаемой системы. В данном контексте система предстает как некая изолированная часть реального мира. Границы системы задаются пределами, отделяющими систему от внешней среды, и служат для выделения системы из ее окружения. При проведении анализа обычно предполагается, что взаимосвязи между системой и внешней средой зафиксированы на некотором выбранном уровне представления.

При выборе более широких границ системы повышается размерность и сложность многокомпонентной системы, и, следовательно, в значительной мере затрудняется ее анализ. Очевидно, что в инженерной практике следует, насколько возможно, стремиться к разбиению больших сложных систем на относительно небольшие подсистемы, которые можно изучать по отдельности. Однако при этом необходимо иметь уверенность в том, что такая декомпозиция не приведет к излишнему упрощению реальной ситуации [1, 4-5].

Таким образом, несмотря на качественные и количественные многообразия отдельных технологических процессов, их различные мощности, различие продуктов, условий протекания и т.д., все они имеют общие свойства, а именно: являются структурно сложными, состоящими из отдельных взаимосвязанных

частей; перерабатывают вещество и энергию и, кроме того, связаны с другими, смежными, производствами. Используя терминологию общей теории системы, такие технологические комплексы можно назвать сложными системами, в рассматриваемом случае - химико-технологическими системами (ХТС) [6].

Химико-технологические системы представляют собой совокупность физико-химических процессов и средств для их проведения с целью получения продукта заданного качества в требуемом количестве. ХТС состоит из элементов, из отдельных частей, в которых протекают технологические операции, необходимые для достижения цели, поставленной перед ХТС [6-9].

Если бы технологическая схема состояла из не связанных друг с другом аппаратов, то можно было бы легко найти оптимальный режим схемы, определив таковой для отдельных аппаратов. В результате использования этого метода для создания связанной технологической схемы входные и выходные переменные аппаратов оказались бы несогласованными. Именно поэтому при поиске оптимальных параметров сложных ХТС особенно важен системный подход, т.е. способ решения задач, при котором изучаемые явления и процессы рассматриваются комплексно, с учетом их внешних и внутренних связей. По этой же причине к задачам оценки возможных вариантов структуры технологических связей сложных ХТС тесно примыкают задачи, обусловленные выбором таких параметров ХТС, которые обеспечивают согласование элементов между собой по их производительности в процессе функционирования системы [10].

Вообще, системный подход в химической технологии - это важнейшее методологическое направление, основная цель которого состоит в разработке общей стратегии, а также неформализованных, или эвристических, и формализованных методов комплексного исследования и создания сложных ХТП и ХТС разных типов и классов [11].

В литературе [6,9] отмечается, что понятие «система» и «элемент» -относительны, т.е. одна система может быть элементом другой, более крупного масштаба, а элемент системы (как, например, многоступенчатый реактор) может

9

быть разделен на составные части.

Тем не менее, наиболее часто под элементом ХТС подразумевают аппарат, в котором протекает химико-технологический процесс, качественно и (или) количественно преобразующий физические переменные входных материальных и энергетических потоков хь х2, ..., хп в физические переменные выходных материальных и энергетических потоков уь у2, ..., уп [6]. Входные переменные процесса могут быть управляемыми и неуправляемыми. Управляемые переменные - параметры входных потоков, которыми можно управлять, изменяя их значения. Неуправляемые переменные - параметры входных потоков, на которые невозможно оказать влияние (например, химический состав сырья, расход вещества, являющегося продуктом другого процесса, температура и давление греющего пара и т.п.) [12-15].

Кроме входных и выходных переменных элемента различают конструктивные и технологические параметры. Конструктивными являются такие величины, как геометрические характеристики аппарата, объем катализатора в реакторе, число тарелок в ректификационной колонне, площадь поверхности теплообмена и т.п. Технологические параметры - это константы скоростей химических реакций, флегмовое число, номер тарелки питания для ректификационной колонны и т.д. Изменяя конструктивные и технологические параметры можно управлять процессом, поэтому их называют управляющими переменными, или просто управлениями [6, 16].

Кроме того, химико-технологический процесс характеризуется технологической схемой, под которой понимается совокупность аппаратов вместе со способом их соединения друг с другом. Оптимальный режим сложной схемы можно было бы легко найти, определив оптимальные режимы отдельных аппаратов, если бы схема состояла из несвязанных друг с другом аппаратов, однако наличие связи между ними (а только это и делает совокупность аппаратов единой схемой) не позволяет использовать такой путь. Качественно можно сказать, что задача оптимизации сложной схемы сводится к задаче согласования оптимальных режимов отдельных элементов.

Другими словами, химико-технологический процесс представляет собой систему блоков, связанных друг с другом материальными и энергетическими потоками, так что выходные переменные одних блоков оказываются входными переменными других, или, иными словами, является сложной химико-технологической схемой, или просто сложной схемой. В такой схеме, как правило, взаимное влияние отдельных блоков на общий критерий оптимизации оказывается весьма сложным. Тем не менее, для сложной схемы могут быть развиты эффективные методы решения, позволяющие производить декомпозицию оптимальной задачи в соответствии со структурой сложной схемы [17-19].

В задаче оптимизации химико-технологического процесса можно выделить ряд основных этапов [12]. В общем, этапы сводятся к следующему:

1. Общий анализ задачи оптимизации.

2. Определение критерия оптимизации

3. Выбор управляемых переменных и анализ их влияния на критерий оптимизации.

4. Учет и анализ ограничений на переменные процесса.

5. Составление математического описания процесса.

6. Выбор метода расчета про�