CC BY
143. Gyngazova M.S., Kravtsov A.V., Ivanchina E.D., Korolenko M.V., Chekantsev N.V. // Chem. Eng. J. 2011. V. 176-177. P. 134-143.
4. Sharova E.S., Poluboyartsev D.S., Chekantsev N.V., Kravtsov A.V., Ivanchina E.D. // Catalysis in industry.
2009. V. 1. N 2. Р. 128-133.
5. Gyngazova M.S., Kravtsov A.V., Ivanchina E.D., Korolenko M.V., Uvarkina D.D. // Catalysis in industry.
2010. V. 2. N 4. P. 374-380.
6. Слинько М.Г. // Катализ в промышленности. 2006. № 4. С. 13-15;
Slinko M.G. // Kataliz v Promyshlennosti. 2006. N 4. P. 1315 (in Russian).
7. Костенко А.В. Совершенствование конструкции и повышение эффективности работы реакторного блока процесса каталитического риформинга углеводородного сырья. Дис.... к.т.н. Томск: ТПУ. 2006. 122 с.;
Kostenko A.V. Improvement of construction and efficiency increase in operate of reactor block of process of catalytic
reforming of hydrocarbon row. Candidate dissertation on technical science. Tomsk: TPU. 2006. 122 p. (in Russian).
8. Костенко А.В., Кравцов А.В., Иванчина Э.Д. // Нефтепереработка и нефтехимия. 2005. № 12. С. 26-31; Kostenko A.V., Kravtsov A.V., Ivanchina E.D. // Neftepererabotka i neftekhimiya. 2005. N 12. С. 26-31 (in Russian).
9. Кравцов А.В., Иванчина Э.Д., Галушин С.А., Полубо-ярцев Д.С. // Нефтепереработка и нефтехимия. 2004. № 10. С. 8-9;
Kravtsov A.V., Ivanchina E.D., Galushin S.A., Polu-
boyartsev D.S. // Neftepererabotka i neftekhimiya. 2004. N 10. С. 8-9 (In Russian).
10. 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 c. (In Russian).
УДК 665.63.001.(075.8) М.А. Самборская*,**, Е.А. Лактионова**, А.В. Вольф*, В.В. Машина*
УЧЕТ ДЕЗАКТИВАЦИИ КАТАЛИЗАТОРА ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ
ПРОДУКТОВ ОБЛАГОРАЖИВАНИЯ БЕНЗИНОВ
(*Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
**ООО НПЦ «Ноосфера») e-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Предложен подход к формированию целевой функции, учитывающей изменение качественного и количественного состава продуктов реакции по мере дезактивации катализатора, и ограничения, обусловленные требованиями к качеству продуктов и техническими характеристики оборудования. Сформулированы эвристики для всех аппаратов технологической схемы. Поиск оптимальных условий выполнен на примере сепаратора продуктов облагораживания бензинов на цеолитном катализаторе.
Ключевые слова: оптимизация, целевая функция, облагораживание бензинов, активность катализатора
Для малотоннажных производств высокооктановых бензинов и их компонентов перспективна безводородная технология облагораживания бензиновых фракций на цеолитсодержащих катализаторах, благодаря одностадийности процесса и низкой чувствительности катализатора к сере [1-3].
Типовая промышленная установка процесса состоит из реакторного узла; узла фракционирования и узла подготовки газов для регенерации катализатора (рисунок).
По мере снижения активности катализатора изменяется состав продуктов каталитического превращения (катализата), поступающих на разделение, что требует корректировки параметров работы узла фракционирования в процессе эксплуатации.
Оптимизацию производственного процесса в условиях временного дрейфа оптимальной рабочей точки можно выполнить эволюционными методами с ограничениями на параметры, обу-
словленными физическими, конструктивными или экономическими соображениями [4]. В литературе описаны примеры прикладного использования эволюционной оптимизации в химической технологии для построения моделей и идентификации параметров [5,6], для оптимального управления химико-технологическими процессами [7,8]. Эволюционные методы целесообразно использовать для случаев, когда точно известны верхняя и нижняя границы независимых переменных. В случае снижения активности катализатора точные ограничения на количественный и качественный составы продуктов, как правило, неизвестны, что ограничивает возможность применения данных методов.
Для оптимизации процессов без учета ограничений на параметры используют методы многоцелевой оптимизации с различными вариантами интерактивного взаимодействия со специалистом, принимающим решения [9]. Эти методы не требуют задания четких границ изменения параметров, оптимизация выполняется с большим набором конфликтующих целевых функций, что обеспечивает учет всех возможных аспектов процесса. Участие специалиста, принимающего решение «decision maker» [9], делает их использование эффективным для проектирования процессов и разработки оптимальных систем управления; однако необходимость квалифицированного выбора одного из ряда оптимальных решений на нескольких этапах поиска решения ограничивает их применение для готовых проектов или действующих производств.
Необходимость учета структуры технологической схемы и характеристик оборудования при неизвестных границах изменения во времени некоторых независимых переменных является основной особенностью оптимизации выделения целевых продуктов с учетом падающей активности катализатора.
Цель работы состояла в формировании целевой функции и ограничений и выполнении оптимизации с использованием моделей процессов, построенных на фундаментальных принципах.
Для достижения цели авторами выполнено следующее:
- разработана в среде HYSYS строгая математическая модель узла фракционирования в соответствии со схемой (рисунок);
- сформирована целевая функция, учитывающая изменение качественного и количественного состава продуктов по мере дезактивации катализатора;
- сформирован перечень ограничений, куда вошли требования к качеству продуктов и технические характеристики оборудования;
- выполнен поэтапный поиск оптимальных условий в каждом из аппаратов технологической схемы.
—к газ стабилизации
сжижснный ran
газ сепарации
г^Ч » 1Ь
квтализат из реакторного блока
Г
целевой
""" продукт тяжвлый остаток
»
Рис. Принципиальная схема узла фракционирования установки «Цеоформинг»: С1, С2 - сепараторы; Т1, Т2, Т3, Т4, Т5 -теплообменники; К1 - стабилизационная колонна; К2 - ректификационная колонна Fig. Flowsheet of the fractionation unit of «Ceoforming» set up.
C1,C2 - Separators; Т1, Т2, Т3, Т4, Т5 - heat exchangers;
Kl-stabilization column; K2 - rectification column
По мере снижения активности катализатора для поддержания октановых характеристик получаемого бензина на заданном уровне повышают температуру в реакторе, в результате чего изменяется состав и выход катализата, поступающего на разделение в блок фракционирования [10], в частности, увеличивается содержание легких углеводородов (табл. 1).
Таблица1
Концентрации некоторых компонентов в газовой части катализата в зависимости от температуры Table. 1. Concentrations of some gas components of
Концентрация, % мас. Температура реакции, °С
365 405 435 465
Водород 0,004 0,004 0,06 0,024
Метан 0,24 0,76 2,67 2,01
Этан 0,84 2,71 6,96 4,93
Этилен 0,51 0,68 0,91 1,37
Пропан 33,03 56,74 68,1 39,78
Для поддержания максимального выхода и заданного качества целевых продуктов необходима оптимизация технологических параметров работы аппаратов узла фракционирования.
В соответствии со структурой технологической схемы решена задача поэтапной оптимизации, где оптимальные выходные параметры предыдущего аппарата служили входными в последующий.
Для каждого аппарата сформирована целевая функция (1) и набор ограничений в виде:
max Rj (x) (1)
X = fj (n, P)
nj = const
PH < P < PB j - j - j
Rj(x) - целевая функция для j-го аппарата; x - вектор расходов и концентраций компонентов; nj -конструктивные параметры j-го аппарата; Pj -технологические параметры работы j-го аппарата; PjH, PjB - верхний и нижний пределы технологических параметров, обусловленные паспортными характеристиками.
Целевая функция учитывает изменение состава и расхода технологического потока по мере старения катализатора.
Эвристики для каждого из аппаратов технологической схемы, использованные при формировании целевых функций приведены ниже:
- Эвристики для сепаратора С1:
1) Газы сепарации содержат максимально возможное количество С1, С2, Н2
2) жидкость, покидающая С-201, содержит максимальное количество С3, С4 и минимальное количество С1, С2, Н2. Расход жидкости на выходе из С-201 - максимальный.
- Эвристики для колонны стабилизации К1:
1) стабильный катализат, поступающий в Т-207, содержит максимальное количество С4;
2) УВГ и СГ содержат пренебрежимо малое количество С5;
3) Расход стабильного катализата, поступающего в Т-207, максимальный.
- Эвристики для ректификационной колонны К2:
1) Эксплуатационные свойства цеоформа-та - в соответствии с требованиями ГОСТ
2) Расход цеоформата, поступающего в Т6, максимальный.
Целевая функция и набор ограничений для сепаратора:
G
(ж) (ж) (ж)
• с
Ropt =
G(2) • с 42) • с 52)
P = 1,37 GV =154818
ci
( 2 ) Л 2 ) ТТ( 2)
С , с
Н Г)
max (2)
tHK < 30 tKK < 205
-20 < T <+70 р15 = 725 - 780 1479 < GL < 73968 ДНП < 80 где G(ж>, G(г) - нагрузка сепаратора (кг/ч) по жидкости и газу, соответственно; c/ж), c5(г - суммарная концентрация (кг-моль/ч) бутанов, суммарная концентрация пентанов, соответственно, в жидкой фазе катализата; c1(г>, c2(г), H2(г>, c4(г>, c5(г') - концентрация (кг-моль/ч) метана, этана, водорода, суммарная концентрация пентанов, соответственно, компонентов в газовой фазе катализата; P - давление в сепараторе, МПа; T - температура в сепараторе, °С; GV, GL - нагрузка по газу и жидкости
(кг/ч), соответственно; tHK, tKK - температуры (°С) начала и конца кипения бензина, соответственно; р - плотность бензина при 15 °С, кг/м3; ДНП -давление насыщенных паров, кПа.
Изменяющийся по мере снижения каталитической активности состав катализата по-разному распределяется между потоками жидкости и газа в сепараторе при различных температурах и давлениях. Оптимальные условия разделения в сепараторе позволяют получать обогащенный углеводородами С4 и С5 жидкий поток для последующей стабилизации в условиях изменяющейся активности катализатора.
Найденные оптимальные условия разделения продуктов реакции, полученных при 365, 405 и 415 °С 0,15 МПа в С1 различны. Их сравнение с проектными представлено в табл. 2.
Таблица 2
Проектные и оптимальные варианты режимных параметров в сепараторе С1 для катализатов, полученных при различных температурах Table. 2. Design and optimal variants of regime parameters in the C1 separator for catalyzates obtained
Название параметра Проектные Температура получения катализата, °С
365 405 415
Температура, °С 55 50 40 30
Давление, МПа 0,9 0,5 0,80 0,9
Нагрузка по жидкости, кг/час 3197 3248 3362 3524
Нагрузка по газу, кг/час 554 483 369 207
ВЫВОДЫ
Предложен алгоритм поэтапной оптимизации с учетом структуры технологической схемы и ограничений на технологические параметры в условиях изменяющихся составов и материальных расходов потоков
На примере процесса облагораживания бензинов на цеолитсодержащих катализаторах сформулированы эвристики и сформированы целевые функций, учитывающие изменения активности катализатора.
Выполнена оптимизация аппаратов узла фракционирования.
Установлены существенные различия проектных и оптимальных режимных параметров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Степанов В.Г., Ионе К.Г. // Химия и технология топлив и масел. 2000. № 1. С. 8-12;
Stepanov V.G., Ione KG. // Khimiya i tekhnologiya tonliv i masel. 2000. N 1. P. 8-12 (in Russian).
2. Климов О.В., Аксёнов Д.Г., Ечевский Г.В., Мегедь А.А., Корсаков С.Н. Аджиев А.Ю. // Нефтепереработка и нефтехимия. 2004. № 3. С. 19-25;
Klimov O.V, Aksenov D.G., Echevskiy G.V., Meged A.A., Korsakov C.N., Adzhiev A.J. // Neftepererabotka i neftekhimiya. 2004. N 3. P. 19-25 (In Russian).
3. Величкина Л.М., Восмериков А.В., Коробицына Л.Л., Ермаков А.Е. // Нефтепереработка и нефтехимия. 2002. № 11. С. 11-16;
Velichkina L.M., Vosmerikov A.V., Korobitsyna L.L., Ermakov A.E. // Neftepererabotka i neftekhimiya. 2002. N 11. P. 11-16 (In Russian).
4. http://www.ceic.unsw.edu.au/staff/Tuan_Pham/Ts.pdf
5. Pham Q.T., Coulter S. // Proc. Int. Congress of Refrig. 1995. V. 3a. P. 676-683.
6. Moros R., Kalies H., Rex H.G., Schaffarczyk S. // Computers & Chemical Engineering. 1997. V. 20. P. 12571270.
7. Li Y., Haubler A. // Artificial Intelligence in Engineering. 1996. V. 10. P. 143-152.
8. Jones A.H., P.B. De Moura Oliveria // Proc. First IEE/IEEE Internat. Conference GA's in Engineering Systems: Innovations and Applications. Sheffield. UK. 1995. P. 141-145.
9. Miettinen K., Hakanen J., Rangaiah G. // Techniques and Applications in Chemical Engineering. World Scientific. 2009. P. 153-188.
10. Агабалян Л.Г., Хаджиев С.Н., Роговская Н.Х., Голод А.Н., Ионе К.Г., Степанов В.Г. // Химическая технология топлив и масел. 1998. № 5. С. 6-7;
Agabalyan L.G., KhadzhievS.N., Rogovskaya N.Kh. Golod A.N., Ione K.G., Stepanov V.G. // Khimicheskaya tekhnologiya topliv i masel. 1998. N 5. P. 6-7 (In Russian).
Кафедра химической технологии топлива и химической кибернетики
УДК 665.658.4
Э.Д. Иванчина, Е.Н. Ивашкина, И.О. Долганова, В.В. Платонов, Н.С. Белинская
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ СИСТЕМЫ «РЕАКТОР-РЕГЕНЕРАТОР» УСТАНОВКИ АЛКИЛИРОВАНИЯ БЕНЗОЛА ОЛЕФИНАМИ
(Национальный исследовательский Томский политехнический университет) e-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
В статье изложены проблемы производства линейных алкилбензолов, заключающиеся в периодических нарушениях температурного режима работы колонны регенерации катализатора. Описан подход к оптимизации режимов совместной работы системы «рреактор-регенератор» установки алкилирования, основанный на математическом описании процессов, протекающих в сопряженном оборудовании, а также на установлении значений оптимальной активности HF-катализатора в зависимости от состава сырья и режимов работы аппаратов на предшествующих стадиях производства.
Ключевые слова: алкилирование, оптимизация, линейный алкилбензол, реактора алкилирова-ния, регенерация катализатора
ВВЕДЕНИЕ
Оптимизация работы химико-технологической системы в целом возможна лишь при повышении эффективности каждого из сопряженных процессов всех стадий производства с учетом их взаимосвязи. Одним из производств, для которых актуально решение данной многофакторной проблемы, является производство линейных алкилбензолов (ЛАБ) (рис. 1).
Завершающей стадией этого производства является процесс ИР-алкилирования бензола оле-финами. Сложность оптимизации процесса алки-лирования заключается в том, что его показатели зависят от состава сырья, типа катализатора, режимов работы аппаратов на предшествующих стадиях (дегидрирование парафинов, гидрирова-
ние диолефинов) и влияют, в свою очередь, на стабильность и эффективность работы следующей в технологической схеме колонны регенерации ИР-катализатора.
Колонна регенерации ИР-катализатора процесса алкилирования бензола олефинами подвержена периодическим нарушениям режимов работы, которые заключаются в следующем: прекращается кипение ИР; в кубе колонны наблюдается неконтролируемый рост температуры.
Таким образом, оптимизация и прогнозирование режимов работы системы «реактор-регенератор» нефтехимического процесса алкили-рования является актуальной задачей, которую можно решить путем использования метода математического моделирования, то есть, используя
