CC BY
31УДК 66.011
Н.С. Белинская, Э.Д. Иванчина, Е.Н. Ивашкина, Г.Ю. Силко, Е.В. Францина
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА УСТАНОВКИ ГИДРОДЕПАРАФИНИ-ЗАЦИИ ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
(Национальный исследовательский Томский политехнический университет) e-mil: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Представлена методика построения математической модели процесса гидроде-парафинизации дизельных топлив, которая заключается в последовательном выполнении следующих этапов: термодинамический анализ реакций процесса, составление схемы превращений углеводородов в ходе процесса, разработка кинетической модели, оценка кинетических параметров модели. С применением разработанной модели проведено исследование влияния температуры и расхода ВСГ (водородсодержащего газа) на состав целевого продукта в интервале 345-405°С и 5000-53000 м3/ч соответственно.
Ключевые слова: гидродепарафинизация, математическая модель, оптимизация, термодинамика
ВВЕДЕНИЕ
Наряду с проблемами увеличения глубины переработки нефти, производства высококачественных моторных топлив и обеспечение растущего спроса на топлива, в настоящее время на отечественных нефтеперерабатывающих предприятиях наблюдается тенденция повышения эффективности использования ресурсов [1]. Учитывая многофакторность проблемы повышения ресурсоэф-фективности, а именно зависимость результатов процесса от состава сырья, технологических условий и других факторов, необходимо применять стратегию системного анализа к решению поставленной проблемы. Метод математического моделирования, как основной метод стратегии системного анализа, хорошо зарекомендовал себя в качестве инструмента решения сложных многофакторных задач нефтепереработкии нефтехимии [2].
Целью работы является повышение ресур-соэффективности установки каталитической депа-рафинизации, предназначенной для производства высококачественных компонентов низкозасты-вающих дизельных топлив, путем оптимизации технологического режима с применением метода математического моделирования.
Схема превращений углеводородов в процессе депарафинизации
Для составления списка реакций процесса гидродепарафинизации был проведен термодинамический анализ с применением квантово-химических методов, который показал, что в процессе гидродепарафинизации наиболее вероятно протекание реакций гидрокрекинга н-парафинов С1о-С27, изомеризации н-парафинов С5-С9, гидрирование ПАУ (полиароматических углеводородов), МАУ (моноароматических углеводородов),
олефинов и нафтенов, образования КГС (коксо-генных структур). Изменение энергии Гиббса в ходе данных реакций находится в диапазоне от -4,98 до -85,16 кДж/моль.
Таким образом, на основании выявленных теоретических и экспериментальных закономерностей, термодинамического анализа, с учетом агрегирования реагирующих веществ по химическим принципам составлена схема превращений углеводородов в ходе процесса гидродепарафинизации.
Пплнароматнчсскне угводороды
А/| f А./
к*
КГС
Мпноарочатнчсскнс угводороды
Идлпярафиттм
Н-парафины
Си-Си
и к, + -Н-парафины
с,-с»
Ai
it
А.
Нафтен ы
к,
At
ti
k.¡
Олсфины
Рис. 1. Формализованная схема превращений углеводородов в ходе процесса гидродепарафинизации: kj - константа скорости прямой химической реакции; k-j - константа скорости обратной химической реакции Fig. 1. Formalized hydrocarbons conversion scheme of the hydrodeparaffinization process: k is rate constant of direct reaction; k-i is rate constant of reverse reaction
Кинетическая модель процесса гидродепарафинизации
Согласно разработанной схеме превращений углеводородов кинетическая модель процесса гидродепарафинизации запишется в виде системы дифференциальных уравнений изменения концентраций групп реагирующих веществ (С,, моль/л) по времени контакта (т, ч-1). В общем виде уравнения кинетической модели имеют следующий вид:
dx ^U,j Vj ,
где - стехиометрический коэффициент в уравнении соответствующей реакции, Wj - скорость ]-ой реакции (= к_^ ■ Си ).
Начальные условия: т=0, Сг=Сг0. Граничные условия определяются величиной времени контакта:
V
' V ПГУ)
Сс + С ВСГ
где Vкат - объем катализатора,ОС - расход сырья, СВСГ - расход ВСГ.
Кинетические параметры модели определены путем решения обратной кинетической задачи с применением экспериментальных данных с установки гидродепарафинизации (табл. 1).
Таблица
Кинетические параметры модели
Реакция k к.,
Гидрирование ПАУ 1,3-10-3 7,3-10-9
Гидрирование олефинов 3,0-10-4 1,8-10-8
Гидрирование МАУ 1,3-10-3 3,1-10-6
Гидрокрекинг н-парафинов С10 С27 1,19 -
Изомеризация н-парафинов С5 С9 1,02 3, 5-10-6
Циклизация и-парафинов 1,5-10-4 4,8-10-4
Образование КГС 1,2-10-3 -
2 s зо I к
24
а ■ I
18
345
355
365
375
385
395
4(15
Теми ера iypa,°C
Рис. 2. Влияние температуры на содержание н-парафинов
С10-С27 (1) и и-парафинов (2) в продукте Fig. 2. The influence of temperature on the concentration of n-paraffins С10-С27 (1) and i-paraffins (2) in product
Как видно из рис. 2, при увеличении температуры в реакторе гидродепарафинизации на 60 °С содержание н-парафинов С10-С27 снижается на 4 % масс. с 10,7 % масс. до 6,7 % масс. (на 37 %), что обусловлено ростом скорости реакции гидрокрекинга. При увеличении температуры в реакторе гидродепарафинизации на 60 °С концентрация и-парафинов увеличивается на 3,0 % масс. с 29,5 % масс. до 32,5 % масс. (на 10 %) за счет увеличения скорости реакции изомеризации.
Проведено исследование влияния расхода ВСГ в реактор гидродепарафинизации на состав продукта в пределах 5000-53000 м3/ч.
Примечание: kj - константа скорости прямой реакции; k.j - константа скорости обратной реакции Note: kj is the rate constant of direct reaction, k.j is rate constant of reverse reaction
Исследование влияния технологических параметров процесса гидродепарафинизации на состав продукта
На рис. 2, 3 показано влияние технологических параметровна выход компонентов, содержание которых в наибольшей степени определяет низкотемпературные свойства получаемых дизельных топлив.
36
•¡Г г* Расход ВСГ, м'/ч
Рис. 3. Влияние расхода ВСГ на содержание н-парафинов С10-С27 (1) и и-парафинов (2) в продукте Fig. 3. The influence of hydrogen containing gas on concentration of n-paraffins С10-С27 (1) and i-paraffins (2) in product
Расход ВСГ в реактор гидродепарафинизации с 5000 м3/ч до 37000 м3/ч способствует усилению реакции гидрокрекинга, вследствие чего степень конверсии н-парафинов С10-С27 увеличивается с 18 % до 42 %. При этом содержание и-парафинов в продукте увеличивается на 3,3 % масс. с 26,9 % масс. до 30,2 % масс. (на 12 %). Избыток водорода (расход ВСГ>37000 м3/ч) приводит к торможению реакций гидрокрекинга и изомеризации, а также снижению содержания и-парафинов в продукте.
Таким образом, увеличение температуры в реакторе гидродепарафинизации способствует гидрокрекингу тяжелой части сырья с последующей изомеризацией более низкомолекулярных соединений, поэтому процесс гидродепарафини-зации целесообразно проводить при наибольшей температуре, не приводящей к значительному коксообразованию на катализаторе. Недостаток водорода в процессе гидродепарафинизации не позволяет получать продукт заданного качества, так как при этом реакции гидрокрекинга и изомеризации протекают с медленной скоростью и степень конверсии сырья низкая. Увеличение расхода ВСГ до 37000 м3/ч приводит к повышению степени конверсии сырья за счет усиления целевых реакций гидрокрекинга и изомеризации. Дальней-
шее повышение расхода ВСГ не целесообразно, так как приводит к снижению степени конверсии высокомолекулярных н-парафинов, снижению содержания и-парафинов в продуктовой смеси.
Оптимальный режим процесса гидродепа-рафинизации
Исходя из проведенных исследований определены оптимальные условия проведения процесса гидродепарафинизации на установке Л-24-10/2000, а именно: температура 405 °С, расход ВСГ 37000 м3/ч. При оптимальном режиме проведения процесса гидродепарафинизации степень конверсии н-парафинов С10-С27 составит 70 %, н-парафинов С5-С9 76 %, содержание и-парафи-нов в продукте увеличится на 9,32 % масс. (на 38 %) по сравнению с содержанием в сырье.
Работа выполнена при финансовой поддержке Гранта Президента РФ НШ-422.2014.8
ЛИТЕРАТУРА
1. Фалеев С. А., Белинская Н.С., Иванчина Э.Д., Ивашкина Е.Н., Францина Е.В., Силко Г.Ю. // Нефтепереработка и нефтехимии. 2013. № 10. С. 14-18;
Faleev S.A., Belinskaya N.S., Ivanchina E.D., Ivashkina E.N., Frantsina E.V., Silko G. Yu. // Neftepererabotka i neftekhimiya. 2013. N 10. С. 14-18 (in Russian).
2. Кравцов А.В., Иванчина Э.Д. Компьютерное прогнозирование и оптимизация производства бензинов. Физико-химические и технологические основы. Томск: STT. 2000. 192 с.;
Kravtsov A.V., Ivanchina E.D. Computer forecasting and optimization of fuel production. Physical-chemical and technological bases. Tomsk: STT. 2000. 192 p. (in Russian).
Кафедра химической технологии топлива и химической кибернетики
УДК 66.011
Э.Д. Иванчина, Н.В. Чеканцев, В.А. Чузлов, В.И. Продан
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗОМЕРИЗАЦИИ ПЕНТАН-ГЕКСАНОВОЙ ФРАКЦИИ ПРЯМОГОННЫХ БЕНЗИНОВ
(Национальный исследовательский Томский политехнический университет)
e-mail: [email protected]
Изложена методика построения математической модели процесса каталитической изомеризации легких бензиновых фракций, которая заключается в последовательном выполнении следующих этапов: термодинамический анализ реакций процесса, составление схемы превращений углеводородов, разработка кинетической модели, оценка кинетических параметров модели, построение модели реактора. Программная реализация полученной модели произведена с использованием среды Delphi. С применением экспериментальных данных с промышленной установки изомеризации показана адекватность математической модели реальному процессу.
Ключевые слова: изомеризация, математическая модель, кинетика, термодинамика
ВВЕДЕНИЕ Математическое моделирование промышленных каталитических процессов нефтепереработки является важным направлением в совершенствовании технологий, а также для подготовки высококвалифицированных специалистов.
Решение проблемы агрегирования при кинетическом описании многокомпонентных каталитических реакций изложены в научной литературе [1-5]. Эти исследования внесли большой вклад в совершенствование метода математического моделирования каталитического риформин-га прямогонных бензинов, как одного из наиболее распространенного и наукоемкого промышленного процесса.
Однако, метод математического моделирования должен не только базироваться на глубоких знаниях, но и одновременно внедряться в промышленность. При этом возникает обратная связь между промышленной эксплуатацией и научной разработкой. Математическая модель разрабатывается на основе сочетания вычислительного и промышленного эксперимента [6,7], а использование на производстве математической модели приводит к постановке новых научных и прикладных задач. Несмотря на то, что наиболее известные из этих моделей (системы PIMS, ASPEN REFSYS) широко используются на производствах, они не способны прогнозировать производственные ситуации (изменение состава пере-
