CC BY
81
УДК665.64,442. ,
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕАКТОРНОГО БЛОКА УСТАНОВКИ РИФОРМИНГА С ПРИМЕНЕНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА
A.B. Кравцов, Э.Д. Иванчина, С.А. Галушин, Д.С. Полубоярцев, E.H. Воропаева, Д.И. Мельник
Томский политехнический университет E-mail; ¡[email protected]'
Рассмотрена проблема разработки математического описания реакторного блока установок риформинга с учетом направления газосырьевого потока. Излагается опыт прикладного использования интеллектуальной компьютерной системы. Исследовано влияние конфигурации реакторного блока на профиль активности катализатора и скорость его дезактивации. Показано, что наличие гидродинамических неравномерностей диффузии газосырьевого потока через слой катализатора приводит к различной интенсивности массообмённых процессов в периферийной и центральной областях реактора, что снижает потенциал активности катализатора и эффективность процесса. Предложен способ частичного устранения неравномерности распределения полей концентраций и температур изменением направления сырьевого потока от центра к периферии.
Экспериментальные исследования на промышленных реакторах с неподвижным слоем катализатора и на стендах [1-4] показал, наличие областей с существенно различающимися скоростями газосырьевых потоков, приводящих к гидродинамическим неравно-мерностям [5].
Гидродинамические неравномерности в течении реагентов в промышленных реакторах с неподвижным зернистым слоем приводят к тому, что различные слои газо-сырьевош потока имеют различное время пребывания в реакционной зоне. Это отрицательно сказывается на показателях работы аппаратов, особенно для многокомпонентных смесей в' аппаратах с изменяющейся активностью катализатора. Необходимо учитывать, что в радиальном реакторе линейная скорость при движении по радиусу изменяется. Изменение линейной скорости приводит к изменению интенсивности тепло- и массообмена между зерном потока и ядром катализатора и, в конечном итоге, изменяются скорости реакций и активность катализатора. Степень влияния этих факторов усиливается для процессов, которые протекают с увеличением числа молей. Вследствие этого в эндотермических реакторах конверсия сырья при учете изменения скорости газосырьевого потока по радиусу от периферии к центру оказывается выше, чем без ее учета.
Гетерогенно-каталитические процессы нефтепереработки осуществляются, как правило, в условиях изменяющейся активности катализатора, одной из причин дезактивации которых, является отложение кокса на катализаторе, которое также является неравномерным по слоям из-за существенного различия объемных скоростей газового потока при движении в радиальном направлении и температуры вследствие неизотермичности процессов.
Неравномерность отложения кокса, как следствие, усиливает неравномерность поля концентраций и температур по ширине слоя реактора с радиальным вводом сырья (рис. 1, а и б).
Другим видом гидродинамической неравномерности, которая является следствием первого вида, может являться неоднородность слоя катализатора по высоте аппарата. . ,,
Как видно из рис! 2 [2], в слое имеются значительные неравномерности в поле температур, что связано
с неравномерностью скоростей целевых реакций, и как следствие, образования кокса по высоте реактора. Наблюдается тенденция уменьшения перепада температур по мере увеличения высоты слоя. И этот эффект объясняется неравномерностью газового потока, т.к. в противном случае потребовалось бы допустить изменение расхода сырья или активности катализатора более чем в'два раза, что. маловероятно.
Линейная скорость потока при движении от периферии к центру должна существенно возрастать
jS
6) в)
Рис. 1. Схема движения газового потока в радиальном реакторе: корпус аппарата, 2) катализаторная корзина, 3) катализатор, 4) коллектор: I ~ гидрогенизат; ' II - катализат ' '
s
и Н
500 490 ,
480
470 ■
460 •
450 ' \\ I
440 • Ч 0
Высота реактора, м
Рис. 2. Распределение температуры по высоте реакторов риформинга радиального типа реактор Я-1/7: А - сентябрь; Д - февраль. реактор Р-1/2: • - сентябрь; О. - февраль
за счет уменьшения площади поперечного сечения по конусу движения газосырьевой смеси, Это приводит к различной интенсивности массообменных процессов в периферийной и центральной областях. При движении газосырьевой смеси от центра к периферии наблюдается обратная картина.
Для сравнительной характеристики режимов работы ректоров используют критерий жесткости:
f
Т ■U'
ср
0,06
где: Тср - среднеинтегральная температура; U -объемная скорость подачи сырья.
При изменении объемной скорости от периферии к центру в 4 раза, фактор жесткости при сред-неинтегральной температуре Т^-500 °С изменяется от,502 до 550 °С. При этом в реальных условиях эксплуатации промышленных установок фактор жесткости изменяется в интервале 450<Д/<510 "С, что можно объяснить изменением активности катализатора. В результате происходит неравномерное отложение кокса, й дезактивация катализатора по радиусу слоя изменяется, что снижает потенциал активности катализатора и эффективность процесса риформинга.
\
\ \
\
♦ • Ч i
Возрастание объемной скорости газового потока в одной части аппарата, и снижение ее в другой части аппарата приводит к изменению времени и соответствующему изменению конверсии в этих частях аппарата. Так-, в промышленном реакторе дегидрирования этилбензола (диаметр равен 4 м) было определено изменение конверсии по радиусу и проведено сравнение с данными математического моделирования [4]. Наблюдаемому различию конверсии по радиусу соответствует разница во времени контакта в 1,7 раза, то есть скорость реагентов в центральной части аппарата в 1,7 раза ниже, чем на расстоянии 0,5 м от стенки реактора.
Одним из возможных путей частичного устранения неравномерности распределения полей концентраций и температур является изменение направления сырьевого потока от центра к периферии.
В этом случае неравномерность поля температур, а следовательно, конверсии углеводородов при движении от центра к периферии будет существенно ниже, так как уменьшение объемной скорости подачи сырья будет в некоторой степени компенсироваться падением температуры вследствие преобладания эндотермических реакций на поверхности катализатора.
При построении математической модели реакторного блока процесса катритического, риформинга бензинов принята многозонная система с радиальным движением потока в пределах каждой зоны. Нами предварительно была выполнена количественная оценка степени неоднородности полей концентраций и температур, ведущих к неравномерности отложений кокса.
Начальные и граничные условия изменение концентрации компонентов при движении газового потока в неподвижном слое, катализатора в пределах каждой зоны определяются как:
„ да
О 0,5 1 1,5 2 2.5 3 3,5 4 4,5 U, ч'
Рис. 3. Распределение концентрации кокса на катализаторе
8Z
- + G,
cdv ¿Л.
Рис. 4. Схема движения газового потока от центра к периферии: / - гидрогенизат; II - катализат
начальное условие: 2=0, С,=0, граничное условие: У= 0, С,=СЮ (на входе в реактор), ' . , .
гдеу- номер реакции (V, согласно схеме превращения сырья в продукт;
2- приведенное время или общий обтаем переработанного сырья; вс -тазовый расход; V- объем катализатора; С, - концентрация веществ. В приведенной модели зоны могут образовываться сечением коаксиальными цилиндрами для учета радиального изменения объемной и линейной скорости газосырьевого потока. Расчёт выполняется при задании функции распределения относитель-ных'значений скоростей.
При движении газосырьевого потока'через неподвижный зернистый слой катализатора входными значениями концентраций и температур каждой последующей зоны являются выходные значения
Таблица. Влияние направления газосырьевого потока на выход ароматических углеводородов
Номер ' зоны : Направление движения потока
Прямое Обратное
Объемная скорость движения потока U, я'1 ■Темпера-. . тура, °С Ароматика, т/ч Объемная скорость движения потока U, ч-1 Температура, °С Ароматика, т/ч
1 0,6 481 16,00 0,6 430 15,06
2 0,8 465 14,90 0,8 450 14,95
3 1,0 450 12,69 1,0 460 14,60
6 1,6 445 11,70 1,6 471 13,72
7 2,5 440 8,89 2,5 481 12,98
Среднее значение 12,83 Среднее значение 14,20
этих параметров потока на выходе из предыдущей зоны. . , ;
Изменение каталитической активности происходит за счет изменения числа активных центров катализатора. Для количественного определения активности катализатора вводится параметр a(t), который определяется из соотношения константы скорости на отработанном катализаторе к свежему на конкретное значения времени t или объема переработанного сырья Z
a{Z)
""еду
где7- объем переработанного сырья, =0; К}(7) - константа скорости реакции на катализаторе;
Z0) - константа скорости реакции на свежем катализаторе.
Кокс образуется преимущественно за счет поликонденсации ненасыщенных моноциклических углеводородов:
da{Z) dCr
-ОД
м
с 5Л , с ег ^ •Л . где: \¥к - скорости реакций коксообразования; Цх) - константа скорости блокировки активных центров /-ой реакции из С,(х) компонента; С,{х) -концентрация компонента /-ой гомологической группы; Ск- концентрация кокса на катализаторе; х - количество атомов углерода в углеродной цепи.
Интегрирование последнего уравнения дает зависимость изменения активности катализатора в реакциях от общего содержания кокса на катализаторе.' ,
. Тогда скорость ;'-ой реакции г'-ого компонента с учетом дезактивации катализатора представляется через а-:
Изменение технологических параметров влияет на дезактивацию активных центров катализатора коксом, что главным образом связано с изменением температуры и объемной скорости подачи сырья.
На рис. 3 приведены зависимости концентрации кокса на катализаторе от объемной скорости при движении потока в двух возможных направлениях.
Следует отметить, что неравномерность отложения кокса в случае направления газового потока от центра к периферии существенно ниже, чем в случае противоположного направления. Расчеты на модели показали также, что сумма выхода ароматических углеводородов в случае направления потока от центра к периферии на 2...4 % выше, что объясняется более равномерным снижением активности катализатора. '
Неравномерность коксовых отложений в слое катализатора является важным, но не единственным фактором, который снижает степень превращения углеводородов при движении газосырьевого потока от периферии к центру.
Как известно, тепловой эффект каталитического риформинга определяется как содержанием на-фтенов в сырье, так и глубиной превращения углеводородов. Тепловой эффект реакций наибольший при контакте с периферийными слоями катализатора и затухает по мере передвижения к центру при направлении движения, указанном на рис. 4.
Для выравнивания тепловых нагрузок и температурных перепадов в реакционной зоне объем катализатора должен увеличиваться по ходу газосырьевой смеси. Кроме того, исходя из термодинамики, нарастание объема катализатора по направлению движения газосырьевой смеси создает оптимальные условия для протекания реакции дегидро-циклизации парафинов. Так, при изменении раскладки катализатора по реакторам с возрастающей (1:2:4) на равномерную (1:1:1) селективность превращения парафинов снижается.
В табл. 1 приведены результаты расчета на модели выхода ароматических углеводородов в случае изменения движения сырьевого потока.
С этой целью объем катализатора в реакторах был условно разбит на 7 зон с одинаковым интервалом по радиусу. Объем каждой зоны увеличивается с увеличением площади поперечного сечения, температура снижается вследствие эндотермично-сти процесса. Выход ароматических углеводородов
сохраняется по ходу движения газосырьевой смеси при движении от одной условной зоны к другой. Высокие значения объемных скоростей в начальных зонах и низкий выход ароматики, вследствие этого, компенсируются более высокими температурами. Как видно из таблицы, выход ароматических углеводородов возрастает за счет увеличения степени превращения парафинов и циклопентанов.
Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:
Движение газосырьевого потока от периферии к центру реактора не равномерно и создает в его поперечном сечении градиент температуры и концен-
траций углеводородов, тем самым, вызывая неравномерность отложения кокса на поверхности катализатора.
Активность катализатора изменяется в меньшей степени при движении сырьевого потока от центра к периферии. Выход целевого продукта возрастает на 1...2 % при изменении направления газосырьевого потока от центра к периферии. Снижение кок-сообразования на 1...2 % позволит реличить меж-регенерационный цикл на 20...30 %, ввиду этого данный тип конфигурации реактора, более оптимальный для риформинга.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крестинин А.К., Мельман А.З., Овчинникова Т.Ф., . Абаев Г.Н., ПоповЕ.К. Кириллин ЮА, Веденеев М.В.
Неоднородность течения реагентов в реакторах с радиальным вводом сырья на установках каталитического риформинга // Нефтепереработка и нефтехимия. - 1981. - № 3. - С. 26-28.
2. Луговской А.И., Левинтер М.Е., Исаев Б.Н., ГуревичА.Ф., ЩулеповЮ.П., МинченковВ.Т., Писцов В.Н. Реконструкции блока гидроочистки установки каталитического риформинга ЛЧ-35-11/600 РНПЗ //Нефтепереработкаи нефтехимия. - 1981. -№ 9. - С. 3-5. '
3. Струминский В.В. Аэродинамика в технологических процессах. - М.: Наука, 1981. - 230 с.
4. Боресков Г.К., Матрос Ю.Ш., Кленов О.П., Луговской В.И., Лахмостов B.C. Локальные неоднороднос-
ти в неподвижном слое катализатора // Доклады АН СССР. - 1981. - Т. 258. - № 6. - С. 1418-1420.
5. Пушкарев В.П., Рабинович Г.Б., Сеньков Г.М., Козлов Н.С. Интенсификация процесса каталитического риформинга бензинов за счет изменения распределения газосырьевого потока // Весщ АН БССР. -1985,-№5.-С. 106-108.
6. Варшавский О.М., Кравцов A.B., Иванчина Э.Д. Математическая модель для прогнозирования работы катализаторов риформинга // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2000. - № 1. - С. 42-46.
7. Москвин B.C. Оценка значимости гидродинамчес-кого фактора в реакторах с неподвижным зернистым слоем катализатора // CHEMREACTOR-13. Новосибирск. - 1996. - С. 270-273.
УДК 662.6:536.3
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СЖИГАНИЯ УГЛЕЙ С УЧЕТОМ ИХ МИНЕРАЛЬНОЙ ЧАСТИ: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
A.C. Заворин, Ю.Я. Раков
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Рассматриваются модели, применяемые для численного исследования процессов с участием минеральной составляющей твердого топлива в технологиях энергетического сжигания.
Введение
Численное моделирование условий и процессов с участием минеральной составляющей при сжигании углей в котлах развивается, с одной стороны, как инструмент оперативного расширения научной основы для исследования проблемы шлакования и золового загрязнения поверхностей нагрева. С другой стороны, возможности моделирования для прогноза последствий и корректировки конструкторских и эксплуатационных решений стимулируют разработку экспертных систем и автоматизированных систем контроля
и диагностирования состояния поверхностей нагрева котлов и образования натрубных отложений. Поскольку такие работы невозможны без использования математического аппарата, который описывает эти сложные и многофакторные процессы, то прогресс зависит главным образом от наработок в теории физико-математического описания закономерностей турбулентного переноса в двухфазной среде, химического реагирования и теплообмена, динамики аэродисперсного потока в пучках труб, гетерофазных взаимодействий в проницаемом слое и др. Наличие существен-
