CC BY
245
УДК 681.3
И.А. Вялых, С.Н. Кондрашов, А.Г. Шумихин
Пермский государственный технический университет
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАКТОРНОГО БЛОКА УСТАНОВКИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА НЕФТЯНОГО СЫРЬЯ В СРЕДЕ МАПАВ
Представлены результаты математического моделирования системы реактор—регенератор каталитического крекинга с рециркуляцией катализатора в математическом пакете МЛТЬЛБ.
Разработка и отладка алгоритмов управления технологическими процессами на основе их математических моделей эффективно осуществляются с использованием стандартных сред программирования.
В работе рассматриваются результаты вычислительного эксперимента, проведенного на математической модели реакторного блока установки каталитического крекинга вакуумного газойля в подвижном слое катализатора, реализованной в математическом пакете МЛТЬЛВ.
Установка каталитического крекинга состоит из трех основных блоков (рис. 1): блока подготовки сырья (БПС), реакторного блока (РБ) и фракционирующей части (ФЧ).
Блок подготовки сырья предназначен для нагрева и частичного испарения гидроочищенного вакуумного газойля до заданной температуры, а также для подачи сырья с предыдущей стадии в реакторный блок.
Реакторный блок включает в себя два основных аппарата: реактор Р-1 и регенератор Р-4, а также вспомогательное оборудование (до-зер Р-6, емкость Р-4), предназначенное для обеспечения циркуляции катализатора по системе. Катализатор самотеком из емкости Р-4 по трубопроводу просыпается в реактор, после реактора катализатор перетекает в регенератор, затем самотеком поступает в дозер Р-6, где с помощью пневмотранспорта подается в напорную емкость Р-4, затем круг повторяется. Реактор и регенератор расположены соосно, один над другим, сверху по ходу катализатора установлен реактор, затем регенератор.
Рис. 1. Схема установки каталитического крекинга: БПС - блок подготовки сырья; ФЧ - фракционирующая часть; Р-1 - реактор; Р-2 - регенератор; Р-4 - напорная емкость катализатора; Р-6 - дозер пневмотранспорта
Фракционирующая часть предназначена для разделения продуктов химической реакции крекинга на заданные фракции.
Стационарный режим работы регенераторного блока можно описать следующей системой дифференциальных уравнений материального и теплового балансов .
Для реактора:
^ = т W ■
1 П І ’
(Л2
dz
т
dz
= вТ (Тк -Т$);
= -вктк(Т -ТК) + WQC-;
С 7,
dC % ,,, її = Л ■
Вялых И. А., Кондратов С.Н. Адаптация математической модели реакторного блока установки каталитического крекинга 43-102/М к условиям переработки гид-роочищенного сырья// Автоматизация технологических и производственных процессов в металлургии: межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск: Изд-во Магнитогор. гос. техн. ун-та, 2006. С. 190-196.
где 2 = I / Ь - безразмерная длина слоя; у/ - весовая доля компонента в смеси, кг/кг; Tg - температура газа, К; Т; - температура катализатора, К; С - концентрация кокса на катализаторе, кгкокса/кгкахализахора; тп - время контакта в п-й зоне реактора, ч; т; - время пребывания катализатора в реакторе, ч; pg - параметр теплообмена для газа, ккал/(м -ч-К); р; - параметр теплообмена для катализатора, ккал/(м -ч-К); ^ - коксогенная способность сырья, кгкокса/кгсырья; = Е vij г]- - скорость образования /-го компонента,
кг/(кгкатализатора-ч); Жд = Е Qj г - скорость тепловыделения за счет реакций; Qj - тепловой эффект ]-й реакции, ккал/кг; г - скорость ]-й реакции, кг/(кгкатализатора-ч); Vij - стехиометрический коэффициент.
Для регенератора:
1С = V);
I = нку - х);
Ну-х) = втг(Ух,т;);
йТ
£
= -тв, У - Т);
в
22^ оР; Мс
В РСр' в •
; Р;С; ’ т-^ ;
О
У;Р; ;
Ск ;
Т;
где 2 = I / Ь- безразмерная длина слоя; у, х - мольная (объемная) доля кислорода в потоке и в зерне катализатора; ^ - температура газа, К; Т; -температура катализатора, К; С - концентрация кокса на катализаторе, кгкокса/кгкатализатора; т, Т; - время контакта и время пребывания катализато-
ра, ч; Ур - объем регенератора, м ; О, Ок - расходы воздуха и катализатора, кг/ч; р, рк - плотности воздуха и катализатора кг/м3; в - коэффициент массообмена в зерне катализатора, ч -1; Q - тепловой эффект горения кокса, ккал/кг; Ср, Ск - теплоемкости газа и катализатора, ккал/(кг-К); а- коэффициент теплообмена катализатора с потоком, ккал/(м2-ч-К); г [С, х, Тк - - скорость горения кокса на катализаторе, кг/кг-ч; £н - удельная наружная поверхность зерен катализатора, м2/м3; Мс - молекулярный вес кокса, кг/кмоль; У0 - стехиометрия расходования кислорода на горение кокса, моль О2/молькокса.
С граничными условиями: на входе в реактор:
Zl_ = 0:
на входе в регенератор:
Z2 = 0: С20 = Сік,
Схема устройства реактора приведена на рис. 2. В верхнюю часть реактора поступает два потока: регенерированный катализатор, попадающий в распределительную часть, а затем по переточным трубам просыпающийся в реакционную зону; сырье, поступающее через люк верхней крышки в центральную зону, потом на форсунку для распыления и перемешивания с падающим из труб катализатором.
Катализатор
С10 = С2к,
0к Тк1 = Тк2-5;
0к тк2 = Тк1 .
Рис. 2. Схема реактора установки каталитического крекинга
С использованием стандартных, встроенных в математическую среду MATLAB функций для решения системы дифференциальных уравнений, представленных в нормальной форме Коши, была произведена программная реализация алгоритма вычисления выходных координат параметрически идентифицированной математической модели реактора. Осуществлен вывод результатов моделирования в графическом виде с использованием возможностей математического пакета.
По результатам моделирования оценены все методы решения систем дифференциальных уравнений, реализованные в среде MATLAB. Для всех методов использовалась одинаковая точность интегрирования. Результаты, полученные различными методами, сравнивались и принимался вариант решения из числа тех, для которых с приемлемой точностью совпадали результаты. Так, методы ode 15 s, ode23s и ode23t показали идентичные результаты. Неприемлемый вариант решения дал метод ode45.
Рассмотрим некоторые результаты моделирования в среде MATLAB реактора каталитического крекинга.
Изменение содержания тяжелого газойля в газосырьевой смеси (ГСС) по длине реактора, полученное при моделировании, представлено на рис. 3.
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Длина реактора г (безразмерная) Рис. 3. Изменение содержания тяжелого газойля в ГСС по длине реактора
Тяжелый газойль является основным компонентом сырья, поступающего в реактор каталитического крекинга. Его начальное содержание в ГСС порядка 80 мас.%. Присутствие изломов на графике объясняется наличием в реакторе трех зон. В первой зоне происходит смешение катализатора и сырья. Вторая зона - реакционная, соответствующая прямоточному движению катализатора и сырья. В третьей зоне происходит сепарация катализатора и продуктов химической реакции. Результаты моделирования показывают, что основная часть реакции крекинга протекает во второй зоне реактора.
Вторым компонентом, присутствующим в ГСС, является легкий газойль. Его концентрация по ходу движения ГСС сначала увеличивается, а затем, в конце второй зоны и в зоне сепарации, постепенно уменьшается, так как на начальном этапе происходит превращение части тяжелого газойля в легкий, а затем он расходуется на реакцию получения бензина и газа (рис. 4).
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Длина реактора г (безразмерная)
Рис. 4. Изменение содержания легкого газойля в ГСС по длине реактора
Целевыми продуктом реакции каталитического крекинга являются бензин и легкий газойль. Изменение содержания в ГСС основного целевого продукта реакции - бензина показано на рис. 5.
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Длина реактора г (безразмерная)
Рис. 5. Изменение содержания бензина в ГСС по длине реактора
Побочным продуктом реакции крекинга вакуумного газойля является жирный газ. Как изменяется его содержание в ГСС по длине реактора, показано на рис. 6.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Длина реактора г (безразмерная)
Рис. 6. Изменение содержания жирного газа в ГСС по длине реактора
Реакция каталитического крекинга протекает на цеолитном шариковом катализаторе. При этом происходит образование кокса, который откладывается на катализаторе, а затем выжигается в регенераторе. График закоксовывания движущегося по длине реактора катализатора представлен на рис. 7.
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Длина реактора г (безразмерная)
Рис. 7. Изменение содержания кокса на катализаторе по длине реактора
Реакция крекинга протекает с поглощением тепла, поэтому температура катализатора (рис. 8) и ГСС (рис. 9) в целом уменьшается по длине реактора.
Однако при попадании в реактор катализатора и ГСС с более низкой температурой происходит их смешение. В результате имеет место скачкообразное изменение температуры катализатора и ГСС на входе ректора: температура катализатора резко снижается, а ГСС возрастает.
Характерные изломы на всех представленных графиках соответствуют окончанию одной зоны и началу следующей. Из вида графиков следует, что основная часть превращений происходит во второй реакционной зоне реактора.
570 560 ^ 550
І 540
Й
к 530 І 520
І МО <ц 500
В
£ 490 480 470
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Длина реактора г (безразмерная)
Рис. 8. Изменение температуры катализатора по длине реактора 510
500
490
и 480 и
и 470
і-н
I 460
Й
& 450
К
£ 440 430 420 410
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Длина реактора г (безразмерная)
Рис. 9. Изменение температуры ГСС по обезразмеренной длине реактора
Реализация математической модели в среде МЛТЬЛВ позволяет при идентификации легко варьировать параметры математической модели, изменять ее структуру и краевые условия, наглядно отображать конечные и промежуточные результаты моделирования.
После реактора катализатор по переточной трубе сразу попадает в регенератор (рис. 10), где происходит выжигание образовавшегося при крекинге кокса, отложившегося на поверхности катализатора и частично в порах.
Рис. 10. Схема регенератора установки каталитического крекинга
При моделировании были получены результаты, отражающие распределение температуры катализатора, температуры газа, концентрации кокса, концентрации кислорода в потоке газа по длине регенератора с учетом двух зон. По полученным результатам можно оценивать работу аппарата. Основным показателем, характеризующим режим работы аппарата, является градиент температуры по длине регенератора, так как перегрев катализатора ведет к нарушению установившегося режима, а при сильном перегреве катализатора к разрушению гранул катализатора и образованию крошки или спеканию катализатора и аварийному останову установки. Катализатор же является дорогостоящим продуктом.
Сложность решения системы дифференциальных уравнений, описывающих работу регенератора, заключается в том, что катализатор в регенераторе движется противотоком по отношению к воздуху, поступающему в регенератор для выжига кокса, отлагающегося на катализаторе при протекании реакции крекинга, а также в том, что регенератор состоит из двух зон регенерации, в которые сверху поступает катализатор, а снизу подается атмосферный воздух, и промежуточной зоны, предназначенной для перемещения катализатора из одной зоны
регенерации в другую. При расчете системы задаются значения температуры и остаточной концентрации кокса на катализаторе на выходе из регенератора и на входе в реактор. Изменяя эти условия, минимизируют сумму абсолютных значений относительной разности температуры и концентрации на границе аппаратов.
Результаты, полученные при моделировании регенератора, приведены на рис. 11-14.
20
N°
©Х
2,0
1,6
1,4
о
и
1,2
1,0
—.1,985
15
1,3097
) 0,2 0,4 0,6 0,8
Длина регенератора (безразмерная)
1,0
Рис. 11. Изменение содержания кокса на катализаторе по длине регенератора
10
3,8589 і
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Длина регенератора (безразмерная)
Рис. 12. Изменение содержания кислорода в газовом потоке по длине регенератора
и
600
500
400
300
I
а,
о
Е 200
100
о
492,3339
73
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Длина регенератора (безразмерная)
Рис. 13. Изменение температуры газового потока по длине регенератора
и
съ
0 & со К § & І4 &
1
<1>
с
I
492,3338
600
566
600 580 560 540 520 500 480
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Длина регенератора (безразмерная)
Рис. 14. Изменение температуры катализатора по длине регенератора
С использованием полученной реализации математической модели реакторного блока можно выполнить имитационное моделирование при отладке алгоритма управления реакторным блоком на основе экспертных оценок и оптимизацию технологического режима блока в пределах регламентных значений его параметров.
Получено 17.06.2009
