CC BY
36
УДК 681.511
АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ СИСТЕМ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА
Ю.В. Колотилов, Ш.К. Шейхгасанов
Выполнен обзор современных промышленных и опытно-промышленных технологий очистки дизельного топлива от эмульгированной и растворенной воды, а также от твердых нерастворимых загрязнений. Рассмотрены как традиционные способы дестабилизации эмульсий: гравитационные, центробежные, электрические, химические, коалесцентные методы, так и современные комплексные технологии, включающие фильтрование дизельного топлива через пористые полимерные материалы с новыми свойствами. Выполнено описание системы управления на Омском, Уфимском, Киришском нефтеперерабатывающих заводах, которые представляет собой многоступенчатую систему очистки с использованием фильтров тонкой очистки и при необходимости - регенерирующих фильтров.
Ключевые слова: процесс предварительной гидроочистки дизельного топлива, автоматизация, регулирование, реакторный блок, каскадная система регулирования.
Процесс гидроочистки дизельного топлива представляет собой достаточно сложный объект управления. Уровень его автоматизации в настоящее время не соответствует современным требованиям.
В литературе имеется очень мало публикаций о системах управления процессом гидроочистки дизельного топлива. К ним относится описание системы управления на Омском, Уфимском, Киришском нефтеперерабатывающих заводах.
Известные в настоящее время автоматизированные системы управления технологическими процессами гидроочистки на нефтеперерабатывающих предприятиях не учитывают ряд общеизвестных факторов. К ним относится снижение активности катализатора, количество выделившегося газа в зависимости от температуры реактора, изменение выхода сероводорода при варьировании входной температуры реактора, измерение выхода нестабильного дизельного топлива в зависимости от входной температуры [1]. Учет всех этих факторов в реакторном блоке установок гидроочистки дизельного топлива позволяет повысить качество выпускаемой продукции, увеличить срок службы катализатора в реакторе, увеличить выход нестабильного дизельного топлива.
Известна система управления процессом гидроочистки дизельного топлива на Омском нефтеперерабатывающем комбинате [2, 3], в контур которой включена математическая модель процесса гидроочистки. Используемая модель представляет собой уравнение регрессии, составленное на основании активного эксперимента. Система управления позволяет регулировать расходы топливного газа, воздуха, свежего водородосодержащего газа, расход фракции дизельного топлива. Коэффициенты уравнения модели пересчитываются методом стохастической аппроксимации через определенный интервал времени. Система управления не предполагает уравнение расхода фракции дизельного топлива с учетом изменения концентраций водорода в свежем и рециркуляционном водородосодержащем газе, его парциального давления, состава сырьевой фракции дизельного топлива. Кроме того, при адаптации системы для новой установки или при загрузке другого типа катализатора необходимо построение новой регрессионной модели, хотя идея управления в ряде случаев является вполне приемлемой.
В работе [4] также представлена система управления на основе регрессионной модели, помимо регрессионных моделей используются также модели, построенные на физико-химических закономерностях и кинетики реакций процесса гидроочистки дизельного топлива. Приведенные физико-химические зависимости можно применить при разработке тепловых и гидравлических балансов процесса гидроочистки дизельного топлива, а использование полученных по кинетике процесса гидроочистки дизельного топлива несколько осложнено.
Это связано в первую очередь с использованием в описываемых математических моделях свойств катализатора, которые уже не используются на реальных процесса гидроочистки дизельного топлива. Данное обстоятельство является препятствием для развития этих систем. Помимо регрессионных моделей, построенных частично на основе физико-химических зависимостей, которые отражают основные процессы, протекающие в реакторе, существует метод, который основан на описании процессов нефтепереработки с использованием гипотетических соединений. В частности, для гидроочистки дизельного топлива предполагается использовать такие гипотетические соединения как дизельное топливо, сероводород, газ, бензин, аммиак, вода, а не соответствующие им химические соединения.
Этот подход для описания процесса гидроочистки дизельного топлива был использован в работах [5-7]: предложены аналитические зависимости выхода сероводорода, газа, бензина и дизельного топлива, которые были получены на основании тестовых испытаний работы установок гидроочистки дизельного топлива различной мощности. Все виды этих зависимостей можно использовать как основу при моделировании работы реактора гидроочистки дизельного топлива.
Также известен способ автоматического управления процессом гидроочистки [8]: автоматическое управление каталитическими процессами. На рис. 1 представлена схема управления, которая заключается в регулировании температуры газосырьевой смеси на входе в реактор, с изменением подачи рас-
хода топливного газа в печь подогрева в зависимости от температуры дымовых газов над перевалом печи с коррекцией по температуре сырья на входе в печь и составу сырья, поступающего в нее.
ВодоводосодеояащиО газ I _(>___________1
Рис. 1. Схема автоматического управления процессом гидроочистки: 1 - регулятор расхода сырья; 2 - трубчатая печь; 3 - блок управления автоматического анализатора фракционного состава сырья; 4 - регулирующий клапан; 5 - регулятор температуры
дымовых газов над перевалом печи; 6 - регулятор температуры сырья; 7 - реактор
Активность катализатора в реакторе является возмущающим фактором, но степень её влияния на сам процесс гидрообессеривания можно учитывать лишь косвенно по содержанию серы на выходе из реактора гидроочистки [9, 10].
В процессе синтеза систем управления реакторным блоком необходимо реализовать следующие контуры управления:
1) регулирование температуры смеси фракции дизельного топлива и водородосодержащего газа путем изменения расхода топливного газа в печь подогрева;
2) регулирование давления исходной смеси в реакторе;
3) регулирование расхода сырья в реактор;
4) регулирование расхода водородосодержащего газа;
Синтез систем автоматического регулирования сопровождается выбором структуры систем управления. Каскадные системы регулирования наиболее эффективны для сложных объектов с большой инерционностью. На практике часто используют это, применяя для улучшения качества системы не только регулирование по выходу, но и воздействие по промежуточной точке. Преимущества комбинированных и каскадных систем регулирования по сравнению с одноконтурными системами по отклонению известны, в частности систем с косвенным измерением возмущения. Широко распространен метод регулирования технологических аппаратов, использующий для контроля и компенсации возмущений промежуточную точку, что дает возможность строить комбинированную или каскадную систему регулирования [11-13].
При анализе всех вышеперечисленных способов управления реакторным блоком процесса гидроочистки были выявлены следующие минусы:
1) сложное математическое обеспечение системы управления данным процессом;
2) привязка регрессионных моделей к типу катализатора, использующегося в реакторе гидроочистки;
3) привязка модели к типу сырья, подаваемая на установку гидроочистки;
4) большая база экспериментальных данных.
Подбор оптимальных температур гидроочистки зависит от качества исходного сырья, условий ведения процесса, потери активности катализатора с течением времени и лежит в пределах 320-380 °С (вход реактора). При повышении температуры степень гидрирования сернистых соединений возрастает, достигая максимума при 395 °С (выход реактора). При дальнейшем повышении температуры степень гидрирования снижается: для сернистых соединений незначительно, для непредельных углеводородов довольно резко, так как при повышенной температуре происходят реакции гидрокрекинга, в результате которых снижается выход жидких продуктов и увеличивается отложение кокса на катализаторе. Чем выше активность катализатора, тем с более высокой объемной скоростью можно проводить процесс и достигать большей глубины обессеривания. С течением времени активность катализатора падает за счет отложения серы и кокса на его поверхности.
Снижение парциального давления водорода в циркулирующем газе и ужесточение режима процесса способствует закоксовыванию катализатора. Поэтому периодически, один раз в год, проводят регенерацию катализатора - в результате которой, выжигается кокс и сера, отложившиеся на катализаторе и активность катализатора восстанавливается. Постепенно катализатор "стареет" за счет рекристаллизации и изменения структуры поверхности, а также за счет адсорбции на поверхности катализатора ме-таллоорганических и других веществ, блокирующих активные центры [14].
Для обеспечения максимально быстрого функционирования системы автоматического регулирования температурным режимом реакторного блока установки гидроочистки, необходимо использовать каскадную систему регулирования температурным режимом реакторного блока установки гидроочистки
с дополнительным каналом по температуре сырья на выходе из печи подогрева и с установкой датчика температуры в самом реакторе гидроочистки дизельного топлива. Это обеспечит оптимальное регулирование температуры подогретой смеси [15].
Основным регулируемым параметром для блока является температура газосырьевой смеси в реакторе. Анализ блока гидроочистки как объекта управления представлен на рис. 2, где 1) регулируемые параметры: Рдг - разрежение дымовых газов в печи; Т - температура продукта на выходе из печи; Qдг - содержание в дымовых газах кислорода и окиси углерода; 2) регулирующие воздействия: Гдг -расход дымовых газов; Гг - расход топливного газа; Гв - расход воздуха; 3) контролируемые возмущающие воздействия: Гп - расходпродукта; Тп - температура продукта на входе в печь; Тв - температуравоз-духа; Тг - температура топливного газа; 4) неконтролируемые возмущающие воздействия: Е - тепловые потери.
Блок гидроочистки дизельного топлива, где регулирование температуры сырья в реакторе Р-1 осуществляется посредством каскадной автоматизированной системой регулирования, представлен на рис. 3.
Сигнал с датчика температуры дымовых газов 1, поступает на регулятор температуры 2, который является внутренним регулятором каскадной автоматизированной системы регулирования. Температура сырья на выходе из печи измеряется датчиком температуры 3. Сигнал с датчика температуры поступает в регулятор температуры 4, который является внешним регулятором каскадной автоматизированной системы регулирования. Сигнал с внешнего регулятора температуры поступает на внутренний регулятор температуры. Сигнал с внутреннего регулятора температуры поступает на исполнительный механизм 5 - регулирующий клапан, установленный на трубопроводе подачи топливного газа в печь П-1.
Рис. 2. Анализ блока гидроочистки как объекта управления
Для более точного регулирования температуры в реакторе с помощью датчиков температур 6 (температура в реакторе), 7 (температура на выходе подогрева печи) и 8 (перепад температур) сигнал поступает на регулятор 4, корректируя величину заданной температуры на выходе печи. Это позволит регулировать температуру в реакторе, не ухудшая динамику контура регулирования температуры на выходе печи.
Установлено, что предложенная структура блока гидроочистки дизельного топлива позволит точнее регулировать температуру в самом реакторе, которая влияет на степень очистки сырья. Это происходит, потому что реакция гидроочистки должна проходить на катализаторе ЫЯ-448 при определенном диапазоне температур. Отклонение от данного диапазона при повышении температуры вызывает закоксованность катализатора, что приводит к его быстрой деактивации. При недостаточной температуре на выходе из реактора содержание серы в сырье увеличивается, а стоимость выходного продукта с установки уменьшается.
Использование предложенной структуры позволит повысить качества получаемого продукта с одновременным уменьшением затрат на ведение процесса.
Список литературы
1. Криворот А. С. Конструкции и основы проектирования машин и аппаратов химической промышленности. М.: Химия, 1999. 254 с.
2. Леффлер У. Л. Переработка нефти. М.: Олимп-Бизнес, 2014. 224 с.
3. Борзов А.Н., Лисицын Н.В., Сибаров Д.А., Сотников В.В. Система управления реакторным блоком процесса гидроочистки дизельного топлива // Автоматизация в промышленности, 2004. № 7. С. 33-37.
4. Баннов П.Г. Процессы переработки нефти. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2001. 625 с.
5. Sudakov E.N. Method of calculating the yield of products of hydrorefining of heavy oil fractions / Chemistry and Technology of Fuels and Oils, 1999. Т. 35. № 3. С. 151-157.
6. Sudakov E.N. Method of calculating the yield in visbreaking of heavy resids. Chemistry and Technology of Fuels and Oils, 1999. Т. 35. № 5. С. 288-292.
7. Sudakov E.N. Method of calculating the yield of products of hydrotreating middle crude oil cuts // Chemistry and Technology of Fuels and Oils, 2000. Т. 36. № 4. С. 245-249.
8. Кузьмин С.Т. Способ автоматического управления процессом гидроочистки / С.Т. Кузьмин, Б.И. Невзлин, Р.Г. Гехтман и др. // Авторское свидетельство (СССР) № 684059 от 05.09.1979.
9. Болтунов В. М. Методы очистки дизельного топлива // В мире научных открытий. Ульяновск: Ульяновский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина, 2017. С. 69-71.
10. Удлер Э.И. Теоретическая оценка процессов очистки и подогрева топлива в мобильных машинах / Э.И. Удлер, П.В. Исаенко, Д.В. Халтурин и др. // Известия Томского политехнического университета, 2012. Т. 320. № 2. С. 125-129.
11. Удлер Э.И. Теоретические предпосылки оптимизации комбинированной очистки топлива в топливных системах мобильных машин / Э.И. Удлер, В.Д. Исаенко, П.В. Исаенко и др. // Тракторы и сельхозмашины, 2014. № 2. С. 38-40.
12. Удлер Э.И., Шевченко Н.Н., Давыдов А.В. Комплексная система обеспечения чистоты дизельного топлива при эксплуатации сельскохозяйственной техники // Вестник Башкирского государственного аграрного университета, 2017. № 1 (41). С. 74-79.
13. Карташевич А.Н., Гордеенко А.В., Понталев О.В. Расчет электроподогревателя топлива в системе питания дизельного двигателя при низких температурах // Вестник Барановичского государственного университета. Серия: Технические науки, 2014. № 2. С. 95-100.
14. Яблокова М.А., Пономаренко Е.А. Перспективные методы очистки дизельного топлива от воды и механических примесей // Современные проблемы науки и образования, 2013. № 3. С. 30.
15. Богомолов Д.С. Алгоритм управления блоком очистки газа системы гидроочистки дизельного топлива на основе математической модели / Д.С. Богомолов, В.В. Сотников, Д.А. Сибаров и др. // Известия Орловского государственного технического университета. Серия: Информационные системы и технологии, 2006. № 1-2. С. 26-32.
Колотилов Юрий Васильевич, д-р техн. наук, профессор, kolotilov_yury@mail. ru, Россия, Астрахань, Астраханский государственный технический университет,
Шейхгасанов Шамсутдин Кадиевич, аспирант, sheih0113@mail.ru, Россия, Астрахань, Астраханский государственный технический университет
ANALYSIS OF THE STR UCTURE OF SYSTEMS OF PRELIMINARY HYDRA ULIC CLEANING OF DIESEL FUEL
Yu. V. Kolotilov, Sh.K. Sheikhgasanov
A review of modern industrial and pilot industrial technologies for cleaning diesel fuel from emulsified and dissolved water, as well as from solid insoluble contaminants, has been performed. Both traditional methods of destabilizing emulsions are considered: gravitational, centrifugal, electric, chemical, coalescent methods, and modern integrated technologies, including filtering diesel fuel through porous polymeric materials with new properties. A description of the control system at the Omsk, Ufa, Kirishi oil refineries, which is a multistage refining system using fine filters and, if necessary, regenerating filters, is performed.
Key words: process of preliminary hydrotreatment of diesel fuel, automation, regulation, reactor block, cascade control system.
Kolotilov Yury Vasil'evich, doctor of technical sciences, professor, kolotilov_yury@mail. ru, Russia, Astrakhan, Astrakhan State Technical University,
Sheikhgasanov Shamsutdin Kadievich, postgraduate, sheig0113@mail.ru, Russia, Astrakhan, Astrakhan State Technical University
