CC BY
23Анализ современного состояния научных исследований в области процессов моделирования
Левченко Людмила Олеговна
студент, кафедра химии и технологии природных энергоносителей и углеродных материалов, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа, lyudmila.levchenko.99@mail.ru
Кузнецова Илона Григорьевна
студент, кафедра технологических машин и оборудования нефтегазового комплекса, Институт нефти и газа, Сибирский федеральный университет, ilonaluna9@icloud.com
Шарапкова Анна Сергеевна
студент, кафедра технологических машин и оборудования нефтегазового комплекса, Институт нефти и газа, Сибирский федеральный университет, ansharap@mail.ru
Федотов Андрей Сергеевич
студент, кафедра технологических машин и оборудования нефтегазового комплекса, Институт нефти и газа, Сибирский федеральный университет, fedotandrey99@mail.ru
Качаева Вера Александровна
студент, кафедра технологических машин и оборудования нефтегазового комплекса, Институт нефти и газа, Сибирский федеральный университет, verromm@list.ru
В работе рассмотрен анализ этапов развития компьютерного моделирования с обработкой входных и выходных данных. Помимо основной задачи моделирования химико-технологических процессов программы позволяют осуществлять расчет приблизительных экономических затрат, себестоимости произведенной продукции и чистой прибыли предприятия от внедрения моделируемого процесса. Но все пакеты программ являются универсальными, и не учитывают всех существующих нюансов, касающихся уникальности свойств перерабатываемого сырья, обилия технологического и аппаратурного оформления производственных процессов, приводя тем самым к неизбежным отклонениям моделируемого процесса от реального. Для решения данной проблемы и моделирования более конкретных процессов (крекинг, риформинг, коксование, дегидрирование, гидрогенизационные процессы, алкилирование, изомеризация и т.д.) в настоящее время разрабатываются индивидуальные программы, математическая модель которых учитывает как можно больший массив известных представлений о данном процессе, описывая его наиболее адекватно. В данной работе представлены данные по использованию моделирования в химико-технологических процессах нефтепереработки и нефтехимии на примере каталитического риформинга нефтяного сырья.
Ключевые слова: модель, система, химико-технологический процесс, каталитический рифоминг, моделирование.
Совершенствование теории компьютерного моделирования отдельных физико-химических, а также тепло-и массообменных процессов с каждым годом позволяет находить новые пути решения задачи построения достаточно точных компьютерных моделей полноценных нефтеперерабатывающих и нефтехимических установок и производств [3-6].
На сегодняшний день в рамках современных промышленных разработок и научных исследований активно используются пакеты моделирующих программ, включающих в себя обширные базы данных химических компонентов, методов расчета термодинамических свойств, материальных и тепловых балансов, фазовых равновесий, а также типовых конструкционных и проектных решений существующих химико-технологических процессов.
При этом, высокая эффективность и надежность таких пакетов моделирующих программ достигается благодаря машинным алгоритмам анализа и проверки ошибок, а также обработки входных и выходных данных.
Началом первого этапа становления компьютерного моделирования химико-технологических процессов (продлившегося вплоть до второй половины 1980-х годов) считается 1958 год, знаменуемый разработкой и написанием первой моделирующей программы под названием FlexibleFlowsheet, а позднее, созданием более сложных, но в то же время функционально ограниченных моделирующих программ, к числу которых относятся CHEOPS, CHEVRON, SPEED-UP, MACSIM, NETWORK 67, CHESS, PACER 245, FLOWTRAN, FLOWPAC^ др.
Расцвет второго этапа развития методов компьютерного моделирования напрямую связан с повсеместным появлением портативных персональных компьютеров и значительным увеличением их производительности и вычислительной мощности. К этому времени в процессе повышенной конкуренции на рынке, из общего числа выделились несколько наиболее эффективных и универсальных моделирующих программ (представленных в таблице 1), занимающих лидирующее положение в мире и по сей день [7].
Помимо основной задачи моделирования химико-технологических процессов данные пакеты программ позволили осуществлять расчет приблизительных экономических затрат, себестоимости произведенной продукции и чистой прибыли предприятия от внедрения моделируемого процесса. При этом, стоит сказать, что все вышеприведенные пакеты программ являются универсальными, и не учитывают всех существующих нюансов, касающихся уникальности свойств перерабатываемого сырья (нефти различных месторождений с индивидуальными показателями качества по ГОСТ Р 518582002), обилия технологического и аппаратурного оформления производственных процессов, приводя тем самым к неизбежным и, зачастую, довольно значительным отклонениям моделируемого процесса от реального.
X X
о
го А с.
X
го m
о
2 О
м о
о
CS
0
CS cd
01
О Ш
m
X
<
m
о
X X
Для решения данной проблемы и моделирования более конкретных процессов (крекинг, риформинг, коксование, дегидрирование, гидрогенизационные процессы, алкилирование, изомеризация и т.д.) в настоящее время разрабатываются индивидуальные программы, математическая модель которых учитывает как можно больший массив известных представлений о данном процессе, описывая его наиболее адекватно (перечень индивидуальных пакетов моделирующих программ представлен в таблице 2) [8].
Таблица 1
Комплексные моделирующие системы
Моделирующая программа
ProVision
Hysys
Aspen Plus
CHEMCAD
Prosim
Design II
GIBBS
Операционная система (платформа)
DOS/Windows/AIX/Solaris
DOS/Windows
Windows/Solaris
DOS/Windows
DOS/Windows
Windows
DOS/Windows
Моделируемые процессы
Системы сбора и транспорта нефти и газа, отстаивание, сепарация, теплообмен, расчет реакторов со стационарным слоем катализатора, компаундирование, фильтрация -высокоточное моделирование.
Термические процессы переработки нефти и газа, ректификация (тарельчатая, насадочная) - моделирование с наблюдаемыми отклонениями
Таблица 2
Моделируемый процесс Моделирующие программы
Риформинг Riform III, Activ II, Reniform+
Каталитический крекинг Pro II, KatalCrec
Алкилирование Alkylation II
Дегидрирование Pacol, Dehydrogen, Deh-II
Гидрирование Define Hydrogen
Изомеризация Iso-X, CHEMCAD
Разработка программ под конкретное предприятие с использованием в качестве исходных параметров данные с реально существующих производств, полученные в ходе лабораторных испытаний, позволяет добиться максимально возможной точности результата моделирования, но, с другой стороны, значительно снизить гибкость программного пакета.
Вместе с тем, моделирование химико-технологических процессов при помощи описанных выше программ, в большинстве своем, выполняется по статическим законам, применимым лишь в случаях стационарного ведения промышленного процесса. В действительности же, подавляющее большинство промышленных процессов нефтепереработки и нефтехимии нестационарны [1, 2].
Ввиду этого, к непостоянству состава перерабатываемого углеводородного сырья добавляется сложность
прогнозирования поведения вновь используемых катализаторов, а также постоянное изменение их активности вследствие отравления, закоксовывания, повышенных влажности и температуры. Следует сказать, что данные параметры, в настоящее время, не поддаются точному вычислению при помощи компьютерного моделирования, что придает особую актуальность методам моделирования на портативных каталитических установках путем непосредственного лабораторного эксперимента. Тем не менее, попытки в этой области для ряда промышленных процессов нефтепереработки и нефтехимии все же предпринимаются. К числу таких программных пакетов относятся:
- каталитический риформинг бензинов («система контроля работы Pt-катализаторов риформинга», «компьютерное моделирование каталитического рифор-минга - программа AKTIV+C»);
- изомеризация пентан-гексановой фракции углеводородов (программа «Isomer»);
- дегидрирование высших алканов («программа расчета процесса дегидрирования высших парафинов с визуализацией концентраций компонентов»);
- гидрирование высших алкадиенов («программа расчета технологических показателей и оптимального режима подачи серы в процессе гидрирования высших алкадиенов»);
- алкилирование бензола алкенами с получением линейных алкилбензолов («компьютерный тренажер для обучения инженерно-технического персонала действиям при аварийных ситуациях на производстве ал-килбензолов»).
Одной из наиболее современных и перспективных разрабатываемых технологий в области компьютерного моделирования, программных комплексов, а также интеллектуализации нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств в настоящее время является разработка Web-моделирующих систем на серверах предприятий, содержащих необходимую базу данных и базу знаний по установкам, позволяя оперативно получать рекомендации по оптимизации технологического процесса в реальном масштабе времени, а также прогнозировать все возможные варианты технологических режимов, что обеспечивает значительный экономический эффект.
Так, при помощи данной разработки достигнуты значительные успехи в оптимизации процесса производства линейных бензолов и, в частности, в оптимизации динамики подачи воды, зависящей от состава сырья, технологических условий и степени дезактивации катализатора в режиме online [9, 10]. Разработку и опробование на практике таких программных комплексов для других вышеупомянутых каталитических процессов ещё предстоит произвести.
Повышенная точность таких моделирующих программ обеспечивается благодаря постоянному взаимодействию общезаводской базы данных (располагающей всем необходимым набором качественных и количественных характеристик) и модуля расчета и интерпретации результатов.
Следует отметить, что точность в данном случае обеспечивается благодаря заранее известным характеристикам, полученным в ходе опытно-промышленных испытаний, что невозможно обеспечить в случае закупки нового катализатора, действие которого в условиях существующих технологических регламентов с ис-
пользованием конкретного сырья только предстоит изучить. Именно здесь на помощь приходят лабораторные каталитические установки.
С целью реализации возможности моделирования процессов переработки жидкого углеводородного сырья в лабораторных условиях произведена оптимизация работы и модернизация существующей портативной автоматизированной каталитической установки Vinci Technologies MCB (Micro Catalyst Bed), а также смоделирован процесс риформинга с целью изучения степени дезактивации промышленного катализатора РБ-44У марки Ш, отобранного с различных точек реакторов Р-203 и Р-204.
Литература
1. Гершберг, А. Ф. Автоматизация шаг за шагом / А. Ф. Гершберг, О. А. Безручко // Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой опыт. - 2006. - № 2. - С. 45-48.
2. Долганов, И. М. Моделирование промышленных нефтехимических процессов с использованием объектно-ориентированного языка Delphi / И. М. Долганов, Е. В. Францина, Ю. И. Афанасьева, Э. Д. Иванчина, А. В. Кравцов // Известия Томского политехнического университета. - 2010. - № 5. - С. 53-57.
3. Литовка, Ю. В. Получение оптимальных проектных решений и их анализ с использованием математических моделей / Ю. В. Литовка. - Тамбов : ТГТУ, 2006.
- 98 с.
4. Гартман, Т. Н. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов / Т. Н. Гартман, Д. В. Клушин. - Москва : ИКЦ «Академкнига», 2008.
- 415 с.
5. Кафаров, В. В. Анализ и синтез химико-технологических систем / В. В. Кафаров, В. П. Мешалкин. -Москва : Химия, 1991. - 432 с.
6. Гартман, Т. Н. Разработка компьютерной модели многостадийного производства метанола из природного газа / Т. Н. Гартман, Ф. С. Советин, Д. К. Новикова // Химическая промышленность сегодня. - 2012. - № 3. -С. 45-53.
7. Гартман, Т. Н. Аналитический обзор современных пакетов моделирующих программ для гетерогенного моделирования химико-технологических систем / Т. Н. Гартман, Ф. С. Советин // Успехи химии и химической технологии. - 2012. - № 11. - С. 117-120.
8. Кодирова, Н. Д. Современные каталитические процессы нефтепереработки и нефтехимии / Н. Д. Коди-рова, А. Р. Рустамов // Современные материалы, техника и технология. - 2013. - № 1. - С. 244-247.
9. Кравцов, А. В. Повышение эффективности производства линейных алкилбензолов путем сочетания заводского и вычислительного экспериментов / А. В. Кравцов, В. А. Зуев, И. А. Козлов, А. В. Милишников, Е. Н. Ивашкина, Э. Д. Иванчина, Е. М. Юрьев, В. А. Фетисова, Е. В. Францина, И. О. Шнидорова // Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой опыт. - 2009. - № 10. - С. 24-31.
10. Кравцов, А. В. Разработка компьютерной моделирующей системы как инструмента для повышения эффективности процесса производства линейных ал-килбензолов / А. В. Кравцов, И. О. Шнидорова, Е. Н. Ивашкина, В. А. Фетисов, Э. Д. Иванчина // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. - 2009. - № 9.
- С. 39-45.
Analysis of the current state of scientific research in modelling processes
Levchenko L.O., Kuznetsova I.G., Sharapkova A.S., Fedotov A.S., Kachaeva V.A.
student. Siberian federal University Institute of oil and gas. Department of Technological machines and equipment
In the work the analysis of stages of development of computer modeling with processing of input and output data is considered. In addition to the main task of modeling chemical-technological processes, the programs allow calculating the approximate economic costs, the cost of manufactured products and the company's net profit from the implementation of the modeled process. But all software packages are universal, and do not take into account all the existing nuances concerning the uniqueness of the properties of the processed raw materials, the abundance of technological and hardware design of production processes, thereby leading to inevitable deviations of the modeled process from the real one.
To solve this problem and simulate more specific processes (cracking, reforming, coking, dehydrogenation, hydrogenation processes, alkylation, isomerization, etc.), individual programs are currently being developed, the mathematical model of which takes into account the largest possible array of known ideas about this process describing it most adequately. This research presents data on the use of modeling in chemical-technological processes of oil refining and petrochemicals on the example of catalytic reforming of crude oil.
Keywords: model, system, chemical-technological process, catalytic rifoming, modeling.
References
1. Gershberg, A. F. Automation step by step / AF Gershberg, OA Bezruchko // Oil refining and petrochemistry. Scientific and technical achievements and best practices. - 2006. - No. 2. - P. 45-48.
2. Dolganov, I. M. Modeling of industrial petrochemical processes using the object-oriented language Delphi / I. M. Dolganov, E. V. Frantsina, Yu. I. Afanasyeva, E. D. Ivanchina, A. V. Kravtsov / / Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. - 2010. - No. 5. - P. 53-57.
3. Litovka, Yu. V. Obtaining optimal design solutions and their analysis using mathematical models / Yu. V. Litovka. - Tambov: TSTU, 2006 .-- 98 p.
4. Gartman, T. N. Fundamentals of computer modeling of chemical-technological processes / TN Gartman, DV Klushin. -Moscow: ICC "Akademkniga", 2008. - 415 p.
5. Kafarov, V. V. Analysis and synthesis of chemical-technological systems / V. V. Kafarov, V. P. Meshalkin. - Moscow: Chemistry, 1991 .-- 432 p.
6. Gartman, T. N. Development of a computer model of multistage production of methanol from natural gas / TN Gartman, FS Sovetin, DK Novikova // Chemical industry today. - 2012. - No. 3. - P. 45-53.
7. Gartman, T. N. Analytical review of modern modeling software packages for heterogeneous modeling of chemical-technological systems / TN Gartman, FS Sovein // Advances in chemistry and chemical technology. - 2012. - No. 11. - P. 117-120.
8. Kodirova, N. D. Modern catalytic processes of oil refining and petrochemistry / ND Kodirova, AR Rustamov // Modern materials, equipment and technology. - 2013. - No. 1. - P. 244-247.
9. Kravtsov, A. V. Increasing the efficiency of production of linear alkylbenzenes by combining factory and computational experiments / A. V. Kravtsov, V. A. Zuev, I. A. Kozlov, A. V. Milishnikov, E. N. Ivashkina, E. D. Ivanchina, E. M. Yuriev, V. A. Fetisova, E. V. Frantsina, I. O. Shnidorova // Oil refining and petrochemistry. Scientific and technical achievements and best practices. - 2009. - No. 10. - P. 24-31.
10. Kravtsov, A. V. Development of a computer modeling system as a tool to improve the efficiency of the production process of linear alkylbenzenes / A. V. Kravtsov, I. O. Shnidorova, E. N. Ivashkina, V. A. Fetisov, E. D. Ivanchina // World of oil products. Bulletin of oil companies. - 2009. - No. 9. - P. 39-45.
X X О го А С.
X
го m
о
2 О M
о
