Методы регулирования содержания серы на промежуточных стадиях и в продуктах переработки нефтяного сырья Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 51-7:546.22.06:665.6/7

Р. Р. Сафин

МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СОДЕРЖАНИЯ СЕРЫ НА ПРОМЕЖУТОЧНЫХ СТАДИЯХ И В ПРОДУКТАХ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТЯНОГО СЫРЬЯ

Особая роль нефтегазовой промышленности в экономике и экологической безопасности многих производств предопределяет организацию высокого уровня защиты окружающей среды и на объектах переработки нефтяного сырья, на которых к качеству выпускаемой продукции предъявляются определенные требования [1]. Например, количество серы в различных товарных продуктах не должно превышать некоторую заданную техническими условиями величину. Однако товарный продукт формируется в товарных парках нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ), и, следовательно, имеется возможность динамической вариации содержания серы на выходе из установок. В течение определенного времени содержание серы в продукте может варьироваться в сторону увеличения или уменьшения на одной или нескольких установках или же в одном или нескольких потоках, поступающих в товарный парк на компаундирование товарного продукта. Вариация содержания серы во входящих и исходящих потоках для сложной технологической схемы переработки нефтяного сырья и композиций возможна технологическим режимом проведения процесса - главным образом регулированием потоков и температуры. Возможность такой вариации обеспечивается еще на стадии проектирования заводской схемы комплексной переработки сырья. Мощность заводской схемы по сырью, например, может варьироваться от 30 до 150 % от номинального уровня. Указанная возможность позволяет без изменения планируемого объема переработки нефтяного сырья осуществлять в течение короткого времени динамическое регулирование содержания серы в продуктах нефтепереработки.

Следовательно, возникает необходимость в разработке математической модели, позволяющей проводить расчеты по содержанию серы во входящих и исходящих потоках на каждой из установок НПЗ, в каждом из промежуточных и конечных продуктов в зависимости от содержания серы в исходном сырье и распределения потоков по установкам.

Задача актуальна по двум аспектам.

Первый аспект - перераспределение содержания серы в различных товарных продуктах (например, в дизельных топливах различных марок и мазутах различных марок). Это позволит уменьшить удельные затраты на сероочистку.

Другой аспект - экологический. Решение задачи позволит значительно сократить вредные выбросы серосодержащего газа. Это особенно актуально в экологически неблагоприятных условиях. Например, по выбросам газов - это образование смога; «роза ветров», неблагоприятная для близлежащих населенных пунктов.

В зависимости от мощности НПЗ, перечень и количество технологических установок, перечень промежуточных и товарных продуктов для каждого конкретного завода варьируются.

По характеру переработки сырья можно выделить следующие технологические установки:

- подготовка нефти, первичная переработка - ЭЛОУ, АТ-ВБ, АВТ-3, АВТ-6 и др.;

- вторичные процессы - 22-4, 35-11/1000, 35-11/300, 24/5, 24-2000, ГФУ, каталитический риформинг - Л-35-11/300 и ЛЧ-35-11/1000; гидроочистка дизельного топлива - 24-5, ЛЧ-24-2000; битумное производство;

- глубокая переработка - каталитический крекинг вакуумного газойля Г-43-107;

- приготовление и отгрузка товарной продукции.

Технологическую схему НПЗ можно представить в виде сложного графа, вершинами которого являются технологические установки, а ребрами - сырьевые потоки или промежуточные продукты. Из одной вершины могут исходить несколько ребер и, соответственно, входить также несколько ребер.

Сырьевые потоки, качество и количество конечных и промежуточных продуктов возможно регулировать, варьируя как технологические параметры проведения процессов, так и направления потоков. Содержание серы в продуктах также будет меняться. Методами математического моделирования можно регулировать содержание серы на промежуточных стадиях и в продуктах переработки высокосернистых нефтей [2].

Формализация технологической цепочки достигается заданием самого графа, заданием соотношений материальных балансов на каждой отдельной установке и общего материального баланса всего завода [3].

Пусть заводская схема переработки нефтяного сырья состоит из М различных установок. Обозначим сырьевые потоки через хіт, промежуточные потоки - через уіт, а потоки, идущие в товарный парк - через ^кт.. Таким образом:

— хіт - количество і-го вида сырья (или промежуточного продукта), поступающего на т-ю установку, і = 1, ..., іт; т = 1, ..., М;

— У]ш - количество 7-го промежуточного продукта, выходящего из т-й установки,

— zkm - количество к-го продукта, выходящего из т-й установки в товарный парк, к = 1, ..., кт; т = 1, ...,М;

— Бгт - доля серы, содержащейся в г-м потоке т-й установки.

При переработке одного вида сырья (на входе в граф т = 0) индекс і0 = 1. Тогда х10 -исходное сырье, поступающее на переработку, и 810 - содержание серы в исходном сырье, поступающем на переработку.

При переработке нескольких видов сырья возможно их смешение. Тогда входные данные остаются, как и в предыдущем случае, такими же. Однако состав серы необходимо пересчитывать с учетом массовой доли потоков. В случае нескольких самостоятельных потоков в схеме первичной переработки индекс п0 > 1. Тогда меняется исходный граф, и материальные балансы выписываются с учетом ветвления.

Материальный баланс по сере для т-й установки запишется в виде

В данном уравнении пренебрегаем потерями ввиду их малости по сравнению с объемами переработки.

Часть продуктов т-й установки являются промежуточными и направляются на вторичную переработку, поэтому балансовые уравнения (1) должны быть дополнены уравнением вида

которое означает, что і-й продукт на входе п-й установки поступил из т-й установки и является его 7-м выходом с долей поступления 0/т.

Предлагаются следующие математические модели.

1. Минимизация суммарного содержания серы в товарных продуктах при одновременном увеличении выпуска товарной серы с учетом ограничений на суммарную прибыль.

Математическая модель такой задачи представляется в виде соотношений (1)-(3).

где г7 - количество 7-го продукта, поступающего в товарный парк; Б - доля серы, содержащейся

7 = 1, ..., 7 т; т = 1, ..., М;

(1)

і=1

7 =1

к=1

хіп а ]т ' у]т ,

(2)

і=1

8 ^ тах,

(3)

і=1

*

в 7-м продукте; Б - предельные ограничения по сере для отдельных продуктов; Я - планируе мая выручка; С7 - стоимость 7-го вида продукции.

Первое соотношение в (3) представляет собой критерий целевой функции - суммарное содержание серы во всех товарных продуктах минимизируется. Очевидно: это условие достижимо лишь при увеличении выхода серы, на что указывает второй критерий в (3).

Третье неравенство в (3) лимитирует содержание серы в продукте. Ограничение снизу (четвертое соотношение в (3)) означает выполнение плана производства по каждому из продуктов, а ограничение сверху есть ограничение по спросу на 7-й продукт.

Последнее соотношение устанавливает ограничение в виде равенства на выполнение финансового плана по выпуску продукции на все предприятие.

Экологический эффект при такой постановке задачи достигается, если, например, большую долю потоков направить на каталитическое производство, совмещенное с блоком гидроочистки серы. Однако при этом происходит удорожание единицы продукции.

2. Минимизация содержания серы в отдельных товарных продуктах при установленных ограничениях по содержанию серы для остальных продуктов. Математическая модель такой задачи представляется в виде соотношений (1), (2) и (4).

П

2 Я7 • 77 ^

7=1

Я • 7 < я*,

* **

7 < 7 < 7 ,

ЕС • = Я , (4)

7 = 1

*

где п - количество товарных продуктов, по которым установлены дополнительные ограничения на уменьшение содержания серы; 77 - количество 7-го продукта, поступающего в товарный

парк; Я7 - доля серы, содержащейся в 7-м продукте; Я* - предельные ограничения по сере для отдельных продуктов; Я - планируемая выручка; С7 - стоимость 7-го вида продукции.

Первое соотношение в (4) выражает критерий оптимизации - минимизацию суммарного содержания серы в группе отдельных продуктов.

Второе неравенство в (4) лимитирует содержание серы в продукте. Ограничение снизу (третье соотношение в (4)) означает выполнение плана производства по каждому из продуктов, а ограничение сверху есть ограничение по спросу на 7-й продукт.

Четвертое соотношение в (4) означает выполнение финансового плана.

Приведенная выше постановка задачи является актуальной по двум аспектам.

Первый аспект - технологический. Это уменьшение содержания серы в отдельных компонентах, поступающих на компаундирование в товарный парк с целью удовлетворения нормативных требований по содержанию серы в товарном продукте.

Второй аспект - экологический. Он состоит в перераспределении содержания серы в товарных продуктах таким образом, чтобы обеспечить экологически более опасные установки переработки менее жесткими требованиями по содержанию серы в выходящих потоках.

3. Минимизация содержания серы в отдельных потоках, поступающих на установки с наибольшей экологической нагрузкой. Математическая модель такой задачи представляется в виде соотношений (1), (2) и (5).

п*

Я7т ' 77т * т1П,

7 =1

* **

7- < 7- < 7-

7т 7т 7т

ЕС-т • 7т = Я , (5)

7 =1

где n - количество установок с наибольшей экологической нагрузкой; xim - количество i-го вида сырья (или промежуточного продукта), поступающего на m-ю установку, i = 1, ..., im;

Л * „ m = 1, ..., n ; zim - количество i-го продукта, поступающего в товарный парк с m-й установки; Sim - доля серы, содержащейся в i-м продукте m-й установки; R - планируемая выручка; Cim -стоимость i-го вида продукции m-й установки. Второе и третье соотношения в (5) аналогичны по смыслу ограничениям в соотношении (4).

Экологический эффект при такой постановке задачи достигается по первому критерию, когда на экологически опасные производства поступает сырье из других установок с меньшим содержанием серы. Этого можно достичь, применяя дополнительные методы подготовки и очистки сырьевых потоков.

4. Задача оптимального распределения потоков между установками по критерию максимизации выпуска дизельного топлива с ограничением концентрации по сере. Широкая дизельная фракция получается на установках АВТ. Далее продукт разделяют на фракции и подвергают гидроочистке. Окончательный продукт формируется в товарном парке, где происходит процесс компаундирования различных фракций.

Запишем материальный баланс для всех установок АВТ, фракционирования и гидроочистки, с учетом переработки N видов нефтей (сырья).

Материальный баланс АВТ с ограничениями на пропускную способность запишется в виде

N

I

m=1

N1 j=1

'ijm

N 2

+ I Xn

l=1

+ X

iml im

N

=i

m =1

Ne„

Dm - П

ABT

100

N

INe- <PABC

/ 11 y^im — * i m=1

(6)

где xij-m - количество дизельного топлива, полученного из m-го сорта нефти, отправленное с i-й установки АВТ на j-ю установку разделения на фракции (РФ) (m = 1, ..., N, i = 1, ..., N0, j = 1, ., Nj); x'imi - количество дизельного топлива, полученного из m-го сорта нефти, отправленное с i-й установки АВТ на l-ю установку гидроочистки (ГО) (l = 1, ., N2); xcim - количество дизельного топлива, полученного из m-го сорта нефти, отправленное с i-й установки АВТ на смешение дизельных топлив с целью получения товарного продукта необходимого качества; Neim -

ABT

количество нефти m-го сорта, отправленное на i-ю установку АВТ; Pi - пропускная способ-

ность i-й установки АВТ; Dm - выход дизельного топлива из m-го сорта нефти, %; Sm - концентра-

ABT

ция серы в дизельном топливе, полученном из m-го сорта нефти, %; П i - потери на i-й уста-

новке АВТ; N - количество нефтей; N0 - количество установок АВТ; N - количество установок разделения дизельного топлива на фракции; N2 - количество установок ГО дизельного топлива.

Материальный баланс установок фракционирования дизельного топлива (разделяют дизельное топливо на две фракции - зимнее и летнее - ДТ1 и ДТ2) с ограничениями на пропускную способность запишется в виде:

N

I

m=1

Г N, 1 N Г N 0 ( ПрФ ^ 1 j 100 D[m D

M m' + jjö m =I M j-i jm

L j=1 J m =1 i=1 V J mJ

N

IN

m =1

Г N2 " N г N 0 ( ПрФ ^ 1 j 100 D2 m D

V vl + VДП / . v2jm + v2jm = I xijm

_j=1 _ m =1 i=1 V J mJ

N 0 N

II xijm < р

i=1 m=1

РФ

(7)

где у1ут , Уут - количество дизельного топлива соответственно фракции 1 и 2 с концентрацией

серы S1m и S2m, полученное на j-й установке РФ и отправленное на l-ю установку ГО дизельного

топлива (m = 1, ..N, j = 1, ..N1, l = 1, ..N2); y(

ДП

jm

У2

ДП

jm

- количество дизельного топлива

фракции 1 и 2 соответственно с концентрацией серы и Б2т, полученное на/-й установке РФ и отправленное на дальнейшую переработку; РуРФ - пропускная способность /-й установки РФ; £>1т , £>2т - выход дизельного топлива фракции 1 и 2 соответственно из т-го сорта нефти на установке фракционирования, %; ПрФ - потери на/-й установке фракционирования.

Материальный баланс установок ГО дизельного топлива с ограничениями на пропускную способность запишется в виде:

N

У

т=1

V 1°° - 8т (

^ 1°° - Ol

1=1 1

1 - pl

го Л

1°°

/ + У 1°° - S\m

üm ^11°° - O,

j=1 l

1 - pl

го Л

1°°

y1 jm +

^ 1°° - Ol

j=1 l

NN

1

Pl

го \

1°°

У 2

jm

= C + z ДП = zl + zl ,

N N ° N N1 Г -1

УУ XHm + У У [y1 jm + y2 jm J £ P[° ,

l , ,.l І/ пГО

m=11=1 m=1 j=1

Sm > Ol, S\m > Ol, S2m > Ol,

(8)

где Zl - количество дизельного топлива с концентрацией серы Оі, полученное на 1-й установке ГО и отправленное на смешение в товарный парк для получения товарного продукта; 2ДП -

количество дизельного топлива с концентрацией серы О1, полученное на 1-й установке ГО

ГО

и отправленное на дальнейшую переработку; Рі - пропускная способность 1-й установки ГО.

Материальный баланс компаундирования в товарном парке дизельного топлива двух видов - ДТ1 и ДТ2 с заданными концентрациями серы 51 и 52 запишется в виде:

N

У У Sm • Хш + У Ol • zlC1 і=1 j =1

S1 • ДТ1 = °,

N° N

y1

1 =1 j =1

l =1

N

yyS • XC2

+ y Ol • zf2 - S2 • ДТ2 = ° 2,

l =1

O.S X II + C 2 x 2 xim

zC im C, = z 1 im + C2 z2 im

(9)

где Zjm - количество дизельного топлива с концентрацией серы Sm, поступившее на смешение с установки АВТ; С и С2 соответственно индексы для обозначения смешения двух видов дизельных топлив - ДТ1 и ДТ2; zC и z^1 - количество дизельного топлива с концентрацией серы Ol, поступившее на смешение с установки ГО для получения двух видов дизельных топлив -ДТ1 и ДТ2.

Таким образом, задача оптимального распределения потоков между установками по критерию максимизации выпуска дизельного топлива с ограничением концентрации по сере формулируется следующим образом:

1°9

Определить такое распределение сырьевых и промежуточных потоков между установками, которое дает max ДТ1 (или max ДТ2, или max одного из видов дизельного топлива при ограничения на объем производства другого) при условиях, заданных уравнениями и неравенствами (6)-(9). Варьируемыми параметрами задачи являются:

— число установок каждого типа;

— пропускная способность установок;

— число сортов нефти (сырья);

— технологические регламенты отдельных установок, определяющих материальные потоки, а также содержание серы в промежуточных продуктах;

— направление потоков по установкам;

— объемы потоков.

Разработанные математические модели представляют собой задачи математического программирования на графах. Решение данных задач на простых модельных примерах свидетельствует об адекватности постановки задач и возможности получения оптимальных решений.

Разработанные модели включают в себя всю совокупность условий работы НПЗ. Действительно, это моделирование конфигурации НПЗ - количество и число установок различного типа применительно к переработке заданного объема и сортов нефти; выбор технологических регламентов проведения процессов; выбор направления и объемов потоков; экологические ограничения на процессы; экономические ограничения на процессы.

В настоящее время сложность реализации задач в такой широкой постановке связана в первую очередь с огромной информативностью замкнутого цикла работы НПЗ. Огромное число варьируемых параметров, в том числе и взаимосвязанных, определяют замкнутый технологический цикл, поэтому данные задачи необходимо рассматривать как составную часть автоматизированной системы управления технологическим процессом для НПЗ.

Решение поставленных задач позволяет уменьшить удельные затраты на сероочистку и дает возможность значительно сократить вредные выбросы серосодержащего газа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кафаров В. В., Мешалкин В. П. Анализ и синтез химико-технологических систем: учеб. для вузов. -М.: Химия, 1991. - 432 с.

2. Кафаров В. В., Перов В. Л., Мешалкин В. П. Принципы математического моделирования химикотехнологических систем. - М.: Химия, 1974. - 344 с.

3. Кафаров В. В., Мешалкин В. П., Перов В. Л. Математические основы автоматизированного проектирования химических производств: Методология проектирования и теория разработки оптимальных технологических схем. - М.: Химия, 1979. - 320 с.

Статья поступила в редакцию 5.05.2010

METHODS OF REGULATION OF SULFUR CONTENTS AT INTERMEDIATE STAGES AND IN PRODUCTS OF OIL STOCK PROCESSING

R. R. Safin

Mathematical models of distribution of charge flows at oil-processing plants, allowing to optimize sulfur contents at intermediate stages and end products, are offered in the paper. The possibility of sulfur contents redistribution in various products by modifying technological parameters of oil products processing and by changing the directions and (or) the volume of the flows, is shown. This allows to cut down the cost of sulfur refinement and reduce the pollution made by sulfur-containing gas.

Key words: mathematical models, design of technological schemes, sulfur refinement.