Математическое моделирование в задачах повышения эффективности работы установки производства линейных алкилбензолов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дуплякин В.К. Современные проблемы российской нефтепереработки и отдельные задачи ее развития // Российский химический журнал. - 2007. - Т. 51. - № 4. - С. 11-12.

2. Нефедов Б.К. Углубленная переработка нефтяных остатков как стратегическое направление развития нефтеперерабатывающей промышленности России в 2010-2020 гг. // Катализ в промышленности. - 2010. - № 4. - С. 39-51.

3. Кравцов А.В., Иванчина Э.Д. Компьютерное прогнозирование и оптимизация производства бензинов. Физико-химические и технологические основы. - Томск: STT, 2000. - 192 с.

4. Бабицкий С.Л., Смолин А.В., Рослик В.В., и др. Опыт промышленного применения моделирующего стенда каталитического риформинга бензинов // Нефтепереработка и нефтехимия.- 2004. - № 11. - С. 37-44.

5. Кравцов А.В., Иванчина Э.Д. Компьютерное прогнозирование оптимальной эксплуатации промышленных установок рифор-минга. - Томск: Изд-во СО РАН, 1992. - 65 с.

6. Долганов И.М., Францина Е.В., Афанасьева Ю.И., Иванчина Э.Д., Кравцов А.В. Моделирование промышленных нефтехимических процессов с использованием объектно-ориенти-

рованного языка Delphi // Известия Томского политехнического университета. - 2010. - Т. 317. - № 5. - С. 57-61.

7. Кравцов А.В., Иванчина Э.Д., Галушин С.А., Полубояр-цев Д.С. Системный анализ и повышение эффективности нефтеперерабатывающих производств методом математического моделирования. - Томск: Изд-во ТПУ, 2004. - 170 с.

8. Костенко А. В., Молотов К. В., Иванчина Э.Д., Кравцов А. В., Фалеев С.А., Абрамин А.Л. Разработка и применение технологических критериев оценки активности и стабильности Pt-катализаторов риформинга бензинов методом математического моделирования // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2007. -№ 6. - С. 18-22.

9. Кравцов А.В., Иванчина Э.Д., Молотов К.В., Фалеев С.А., Шарова Е.С. Повышение эффективности реакционных процессов нефтепереработки методом математического моделирования // Труды IX Петербургского Междунар. Форума ТЭК. - Санкт-Петербург, 25-27 марта 2009. - СПб.: Химиз-дат, 2009. - С. 198-201.

Поступила 08.06.2011 г.

УДК 66.01;004.422.8

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЗАДАЧАХ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ПРОИЗВОДСТВА ЛИНЕЙНЫХ АЛКИЛБЕНЗОЛОВ

И.О. Долганова, Е.Н. Ивашкина, Э.Д. Иванчина

Томский политехнический университет E-mail: [email protected]

Разработана компьютерная моделирующая система для процесса алкилирования бензола высшими олефинами. Предложен алгоритм поиска оптимальных технологических параметров с использованием разработанного программного продукта. Показана возможность применения методов математического моделирования к решению задач оптимизации взаимосвязанных процессов алкилирования и регенерации катализатора.

Ключевые слова:

Математическая модель, алгоритм расчета, алкилирование, алкилбензол, критерий оптимальности.

Key words:

Mathematical model, calculation algorithm, alkylation, alkylbenzene, optimality criterion.

Программные комплексы, разработанные с использованием языков объектно-ориентированного программирования, могут применяться не только для создания автономного программного обеспечения, но также для мониторинга и прогнозирования режимов работы промышленных установок на предприятиях любого профиля. Химическая промышленность не является исключением.

В условиях многофакторной зависимости показателей эффективности промышленного процесса от технологических условий и состава перерабатываемого сырья при оптимизации химико-технологических процессов хорошо себя зарекомендовали методы математического моделирования и разработанные на их основе компьютерные моделирующие системы [1, 2]. В основе таких систем лежат физико-химические закономерности протекающих процессов.

Несмотря на наличие работ по математическому моделированию [3, 4], вопрос комплексной оптимизации работы промышленных установок остается нерешенным. Изменение технологического режима может привести к повышению эффективности работы одного реактора, но негативно сказаться на качестве продуктов, получаемых на последующих стадиях, и даже привести к сбою в работе установки. Поэтому чрезвычайно важно поддерживать наиболее выгодный технологический режим с точки зрения всех процессов химико-технологической системы.

Одним из перспективных направлений развития нефтеперерабатывающей промышленности является производство синтетических моющих средств, и, следовательно, линейных алкилбензо-лов (ЛАБ) как одного из видов сырья для их производства [5, 6]. При этом процесс алкилирования

Рис. 1. Главное диалоговое окно программы

бензола высшими олефинами является ключевым этапом технологического процесса [7].

В случае процесса алкилирования проблема заключается в следующем: образование ненасыщенных ЛАБ нежелательно на стадии алкилирования, так как их избыток приводит к снижению качества целевого продукта. В то же время на последующей стадии регенерации ОТ - катализатора процесса -должно быть такое количество непредельных соединений, которое будет достаточно для предотвращения сбоя в работе колонны-регенератора вследствие образования пленки из моющих средств в кубе аппарата.

Целью данной статьи являлась разработка компьютерной моделирующей системы процесса ал-килирования бензола олефинами, позволяющей устанавливать оптимальный технологический режим в реакторе при сохранении бесперебойной работы колонны регенерации катализатора.

Разработка компьютерной программы включает этапы:

• построение схемы превращения углеводородов;

• термодинамический анализ возможности протекания реакций;

• определение гидродинамического и теплового режимов работы реактора;

Таблица 1. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по выходу ЛАБ и ТА

Дата Выход ЛАБ, кг/ч А, % Выход ТА, кг/ч А, % В1, мг/100 г. А, % ВЛ/, г/100 г. А, %

Расч. Эксп. Расч. Эксп. Расч. Эксп. Расч. Эксп.

06.02.2007 7111 7109 0,0 271 282 3,9 3,4 3,3 3,1 2,4 2,5 1,2

08.02.2007 7374 7356 0,2 297 322 7,7 3,3 3,1 8,3 2,4 2,4 2,1

09.02.2007 7293 7250 0,6 286 331 13,9 3,4 3,2 8,2 2,5 2,5 0,3

11.02.2007 7254 7227 0,4 281 313 10,4 3,4 3,3 5,5 2,5 2,5 0,0

18.02.2009 7412 7442 0,4 292 277 5,5 2,76 2,50 10,2 2,05 2,27 9,5

25.02.2009 7352 7380 0,4 282 268 5,2 3,1 3,0 1,8 2,3 2,2 2,9

05.02.2010 7218 7212 0,1 277 294 5,9 2,6 2,5 4,3 1,9 1,8 4,3

08.03.2010 7292 7270 0,3 298 330 9,6 2,6 3,0 13,7 1,8 1,8 1,5

30.03.2010 7499 7543 0,6 307 281 9,4 2,9 3,0 2,4 2,1 2,3 6,0

13.08.2010 7441 7494 0,7 296 263 12,6 2,6 3,0 12,0 2,0 2,1 2,9

25.08.2010 7274 7306 0,4 292 275 6,3 3,0 3,0 0,5 2,2 1,9 15,1

08.10.2010 7145 7153 0,1 273 276 1,1 3,2 3,5 8,3 2,3 2,1 14,3

19.01.2011 7302 7264 0,5 289 338 14,4 4,8 4,5 6,0 3,5 3,4 1,9

А - погрешность расчета; В1 - бромный индекс ЛАБ; ВМ - бромное число ТА.

• создание математической модели процесса и ее компьютерная реализация.

В работе [2] приведена поэтапная методика разработки математического описания процесса алки-лирования бензола олефинами, основанная на результатах термодинамического анализа и экспериментальных данных с промышленной установки.

На рис. 1 представлено главное диалоговое окно разработанного в среде Бе1рЫ 7.0 программного продукта.

Программа обеспечивает достаточную сходимость расчетных и экспериментальных данных [2] (средняя погрешность расчета 15 %) по основным количественным и качественным показателям процесса алкилиро-вания: выходу ЛАБ и тяжелого алкилата (ТА), бромному индексу ЛАБ и бромному числу ТА (табл. 1).

Компьютерная моделирующая система процесса алкилирования предусматривает выполнение следующих функций: типовой расчет при заданных технологических параметрах и составе сырья, расчет массива исходных данных (расчет цикла), корректировка кинетических параметров, а также оптимизация работы реактора алкилирования и колонны регенерации катализатора.

Основные направления использования математической модели процесса алкилирования заключаются в:

• регулировании соотношения ТА/ОТ в кубе колонны путем корректировки расходов бензола и олефинов на стадии прогнозного расчета;

• выявлении таких технологических параметров и расходов сырьевых потоков, при которых будет обеспечена бесперебойная работа колонны регенерации кислоты с сохранением требуемого качества продуктов процесса алкилирования. В этой связи возникла задача разработки алгоритма оптимизации работы реактора и колонны регенерации кислоты.

Для исследования связей между оптимальными режимами работы реактора алкилирования и колонны регенерации необходимо определиться с параметрами, влияющими на показатели эффективности их работы.

Можно выделить ряд зависимых и независимых параметров (табл. 2).

Таблица 2. Связь между зависимыми и независимыми параметрами

Независимый параметр Зависимый параметр

Температура Выход ЛАБ, ТА, бромные числа продуктов

Расход бензола в реактор Выход ЛАБ, ТА, бромные числа продуктов, мольное содержание непредельных соединений в смеси ТА и ^ в колонне

Расход HF в реактор Мольное содержание ТА в смеси ТА и HF

Ориентируясь на значимые параметры, алгоритм оптимизации процессов алкилирования и регенерации катализатора можно представить следующим образом:

1) выбирают интервалы и шаги варьирования параметров, табл. 3;

2) рассчитывают процесс алкилирования на модели при каждом наборе независимых параметров;

3) из набора вариантов расчета выбирают режим, который удовлетворяет критериям оптимальности:

• максимальный выход ЛАБ;

• минимальный выход ТА;

• минимальное мольное содержание ТА в смеси тяжелого алкилата с кислотой;

• максимальное мольное содержание непредельных углеводородов в смеси тяжелого ал-килата с кислотой;

• минимальный бромный индекс ЛАБ;

• минимальное бромное число ТА.

Первые три критерия отвечают за выход целевого и побочного продуктов, следующие три - за их качество.

Таблица 3. Интервалы варьирования независимых параметров

Независимый параметр Интервал варьирования Шаг варьирования

Температура, К 323...333 2

Расход бензола,т/ч 14...22 0,5

Расход HF, т/ч 150.190 10

Можно выделить два основополагающих критерия оптимальности:

Glab ^ max; ------(%LN + %DN)------> max.

GTA (XTA + XHF)(BI + BN)

Здесь Gus и Gu - расходы ЛАБ и ТА, кг/ч; xLN, хш, хТА, хНР - число моль непредельных ЛАБ и ДАБ, ТА и HF

Следовательно, произведение этих критериев также должно стремиться к максимуму:

Glab-(Xln + Xdn)---------> max.

Gta (XTA + XHF )(+ BN)

Оптимальным будем считать тот технологический режим, при котором данный критерий будет максимален. Должна быть произведена проверка выполнения следующих условий, отвечающих за качество ЛАБ и ТА и стабильность работы колонны регенерации:

1. BI<15 мг/100 г;

2. BN<15 г/100 г;

3. (х^+х^Дх^+х^^ЗЗ % (нижняя граница содержания непредельных соединений в колонне, выявленная при анализе экспериментальных данных).

Диалоговое окно модуля, реализующего процедуру оптимизации, приведено на рис. 2.

С применением описанного алгоритма найден оптимальный набор технологических параметров для реактора алкилирования: температура 323 К; расход бензола 22 т/ч; расход кислоты 189 т/ч.

Результаты расчета на модели при оптимальных параметрах и сравнение оптимальных результатов с текущими представлено в табл. 4.

Дета lQ1.01.2Q11

Состав сырья

Ояефины. кг^час 5241,3

Диолефины. кг/час 73,7

Огттимая. параметры

Т, К 323

Бензол, кг/час | 22000

НР, кг/час 180000

Результат

Алкилнрование Регенерация

ЛАБ, кг/час 7393,08 ТА, Хмап. 0,00612

ТА, кг/час 227,9 Непредельные. Хмап. 0,00045

БрИндекс ЛАБ 4,27

БрЧисло ТА 2,68

Рис. 2. Диалоговое окно модуля оптимизации технологического режима

Согласно полученным результатам, средний прирост в выходе ЛАБ составит 81 кг/ч, а падение выхода тяжелого алкилата - 65 кг/ч. Ориенитуясь на рыночную стоимость ЛАБ и ТА, можно рассчитать, что годовой доход предприятия увеличится на 15,4 млн р/год.

Качество ЛАБ и ТА при оптимальных технологических параметров хоть и незначительно снижается (за счет роста BIи BN), но остается в пределах нормы (до 15 мг/100 г и до 15 г/100 г соответственно).

Выводы

1. Предложен и программно реализован алгоритм поиска оптимальных технологических параметров для процессов алкилирования бензола оле-финами и регенерации кислоты, который заключается в последовательном варьировании независимых параметров.

Таблица 4. Сравнение результатов расчета при текущих/оптимальных параметрах

Дата ЛАБ, кг/ч ТА, кг/ч BI, мг/100 г. BN, г/100 г. ТА/(ЛАБ+ТА), %

09.02.2007 7295/7361 286/232 2,2/3,5 2,0/2,1 2,3/1,8

10.04.2007 7114/7201 292/221 2,5/3,6 2,3/2,2 2,4/1,8

05.07.2007 7029/7139 306/217 1,9/3,6 1,7/2,2 2,5/1,8

30.08.2007 6998/7069 271/213 3,0/3,6 1,8/2,2 2,2/1,8

30.01.2008 7152/7214 266/216 2,8/4,1 2,6/2,6 2,2/1,8

10.02.2008 7076/7140 264/212 3,1/4,4 2,8/2,8 2,2/1,7

02.05.2008 7144/7229 286/218 4,3/5,9 3,9/3,7 2,3/1,8

04.03.2009 7244/7314 285/228 1,9/3,5 1,8/2,1 2,3/1,8

03.06.2009 7231/7311 287/222 2,1/3,7 1,9/2,3 2,3/1,8

12.08.2009 7445/7519 296/236 2,4/4,2 2,3/2,6 2,3/1,8

20.10.2009 7354/7426 289/230 2,7/3,9 2,5/2,5 2,3/1,8

30.12.2009 7278/7351 285/225 2,0/3,4 1,9/2,1 2,3/1,8

01.03.2010 7184/7249 269/219 2,6/4,7 2,3/2,9 2,2/1,8

02.04.2010 7444/7521 306/242 2,2/3,4 2,0/2,1 2,4/1,9

15.08.2010 7448/7527 301/237 1,9/3,0 1,8/1,9 2,3/1,8

01.09.2010 7436/7514 306/242 2,0/3,4 1,8/2,1 2,4/1,9

02.11.2010 7111/7281 359/226 1,5/3,6 1,4/2,2 2,9/1,8

08.12.2010 7089/7166 274/213 2,7/5,0 2,6/3,2 2,2/1,7

01.01.2011 7317/7393 289/228 2,6/4,3 2,4/2,7 2,3/1,8

26.01.2011 7963/8041 335/273 2,8/4,6 2,7/2,9 2,4/2,0

2. Практический результат от поддержания рекомендуемого технологического режима заключаются в увеличении селективности процесса по отношению к целевому продукту - линейному алкилбензолу; повышении бромных чисел продуктов в допустимых пределах (качество линейного алкилбензола); приросте годового дохода предприятия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фетисова В.А., Ивашкина Е.Н., Иванчина Э.Д., Кравцов А.В. Построение математической модели процесса алкилирования бензола высшими олефинами // Катализ в промышленности. - 2009. - № 6. - С. 27-33.

2. Кравцов А.В., Шнидорова И.О., Ивашкина Е.Н., Фетисова В.А., Иванчина Э.Д. Разработка компьютерной моделирующей системы как инструмента для повышения эффективности процесса производства линейных алкилбензолов // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. - 2009. - № 9-10. - C. 39-45.

3. Долганов И.М., Францина Е.В., Афанасьева Ю.И., Иванчина Э.Д., Кравцов А.В. Моделирование промышленных нефтехимических процессов с использованием объектно-ориентированного языка Delphi // Известия Томского политехнического университета. - 2010. - Т. 317. - № 5. - C. 53-57.

4. Смышляева Ю.А., Иванчина Э.Д., Кравцов А.В., Зыонг Чи Ту-ен. Учет интенсивности межмолекулярных взаимодействий компонентов смеси при математическом моделировании процесса компаундирования товарных бензинов // Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой опыт. - 2010. - № 9. - C. 9-14.

5. Кравцов А.В., Иванчина Э.Д., Ивашкина Е.Н., Шарова Е.С. Системный анализ химико-технологических процессов. -Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - 96 с.

6. Шнидорова И.О., Фетисова В.А., Ивашкина Е.Н., Иванчина Э.Д., Функ А.А. Разработка кинетической модели процесса алкилирования бензола олефинами // Известия Томского политехнического университета. - 2009. - Т. 314. - № 3. - С. 89-93.

7. Баннов П.Г. Процессы переработки нефти. - М.: ЦНИИТЭ-нефтехим, 2001. - 625 с.

Поступила 28.03.2011 г.