ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ КСИЛОЛОВ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66.011

II. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. АВТОМАТИЗАЦИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Е.В. Мануйлова1, В.И. Федоров2, Н.В. Лисицын3

Индивидуальные ксилолы относятся к ценным товарным продуктам нефтепереработки, использующимся на предприятиях органического синтеза в качестве сырья для производства полимерных материалов [1]. В настоящей работе в качестве объекта исследования рассмотрен комплекс производства ксилолов, состоящий из двух установок. Сырье - прямогонная бензиновая фракция 85-180°С - поступает на установку суммарных ксилолов. На первом блоке этой установки выделяют целевую фракцию 105-127°С, содержащую ксилолообразующие компоненты. Из риформированной целевой фракции на втором блоке получают фракцию суммарных ксилолов - сырье установки по производству о и п ксилолов. Далее получают о-ксилол методом ректификации и п-ксилол с помощью низкотемпературной кристаллизации [2]. Описываемая схема производства представлена на рисунке 1.

Существуют следующие возможные пути оптимизации процессов разделения в производстве ксилолов:

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ КСИЛОЛОВ

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26

Рассмотрен процесс производства ксилолов на нефтеперерабатывающем заводе. Показана возможность увеличения выработки продукции за счет оптимизации режимов производства целевой фракции и снижения расхода рецикла. Решена задача ресурсосбережения за счет снижения энергопотребления в процессах ректификации. Расчеты выполнены с использованием математической модели процесса и подтверждены в ходе испытаний на действующем технологическом объекте. Полученные результаты позволили выдать рекомендации по управлению технологической установкой.

Ключевые слова: суммарные ксилолы, оптимальные режимные параметры, рецикл, энергосбережение.

1. повышение содержания ароматических углеводородов Св в катализате за счет оптимизации режимов производства целевой фракции 105-127°С;

2. увеличение производительности установки по производству о- и п-ксилолов;

3. структурная оптимизация химико-технологической системы разделения ксилолов для снижения энергозатрат действующего производства.

Для решения поставленных задач в программной среде ДБрепИуБуБ [3] разработана компьютерная модель блока колонн К1-К7, адекватность которой подтверждена сравнением расчетных и фактических параметров. Также выполнена оценка степени ароматизации нафтенов и парафинов Св в реакторном блоке риформинга и проведен расчет материального баланса установки по производству о- и п-ксилолов с учетом секций кристаллизации и изомеризации.

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема комплекса производства ксилолов

Мануйлова Елена Викторовна , аспирант каф. ресурсосберегающих технологий, e-mail: lena_m@ntik.ru

2 Федоров Владимир Иванович, канд. техн. наук, доцент каф. ресурсосберегающих технологий, e-mail: gti@restech.ru

3 Лисицын Николай Васильевич, д-р техн. наук, ректор, профессор, заведующий каф. ресурсосберегающих технологий e-mail: gti@restech.ru

Дата поступления - 30 декабря 2010 года

Оптимизация процесса получения целевой фракции 105-127°С

Модельные расчеты показали, что повышение эффективности получения целевой фракции возможно за счет увеличения степени извлечения ксилолообразующих компонентов из сырья - прямогонной бензиновой фракции 85-180°С.

Для оценки перспективности подобного подхода были выполнены анализы углеводородных составов потоков фракции 85-105°С, целевой фракции и фракции 127-180°С. Согласно данным, с кубовым продуктом колонны КЗ теряется порядка 8% масс. парафиновых и нафтеновых углеводородов С8, что составляет достаточный потенциал для увеличения содержания ксилолобразующих компонентов во фракции 105-127°С путем утяжеления ее состава. Поэтому в работе рассмотрена возможность снижения потери парафинов и нафтенов С8 с фракцией 127-180°С. Для ее подтверждения выполнена опытно-промышленная проверка, необходимым условием проведения которой являлось поддержание расхода целевой фракции на прежнем уровне (Р105-127°с=сопб::). В таких условиях единственным вариантом увеличения содержания ксилолообразующих компонентов в целевой фракции (увеличения количества ароматических углеводородов С8 в риформате) представлялось изменение ее фракционного состава.

В рамках подготовки к опытному пробегу был проведен анализ данных по содержанию толуола и ароматики С8 в риформате за полугодовой период, который показал, что присутствие толуола в риформате снижает выход аро-матики С8 (рисунок 2). Выявленная зависимость содержания ароматических углеводородов ряда С8 от содержания толуола в катализате риформинга также свидетельствует о необходимости утяжеления состава фракции 105-127°С. В качестве основной рекомендации предложено изменить состав целевой фракции таким образом, чтобы вовлекать в нее минимальное количество углеводородов ряда С7 и при этом максимально отбирать парафины и нафтены С8. Расчеты показали, что для этого необходимо скорректировать режимные параметры: увеличить расход орошения в колоннах К2, КЗ соответственно на 20м3/ч и 10 м3/ч; отбор дистиллята в колонне К1 увеличить на 2-3м3/ч.

тери парафинов и нафтенов С8 с кубовым продуктом КЗ. На втором этапе был увеличен отбор дистиллята К1 с тем, чтобы снизить содержание углеводородов С7 в целевой фракции 105-127°С.

В период работы колонн К1-К3 в оптимальном режиме удалось увеличить содержание ароматических углеводородов С8 в риформате в 1,17 раза (с 45-46% масс. до 53-54% масс., рисунок 3). Фракционный состав фракции 105-127°С был утяжелен. Об этом свидетельствует рост температуры низа колонны К1 и соответствующий подъем температуры верха колонны К2 (Д:=1,5-2°С), что позволяет использовать эти показатели в качестве критерия для оперативной оценки качества целевой фракции.

179

156

153 152

* 48 ф

ч

о

и 45

Температура низа К-1

■"V " \Температура верха К-2

рмате

\ Содержание ароматики С^в рифо

1 1 1 1

30 ноя 5 дек

Рис. 3. Содержание ароматики С8 в катализате риформинга, температура верха К2 и низа К1 в период проведения опытного пробега

По итогам опытного пробега подтверждена возможность получения риформата с увеличенным содержанием ароматических углеводородов С8 (сумма С8 ароматики возросла с 46% масс. до 53% масс.).

По результатам анализа полученных данных для оперативной поддержки принятия решений по управлению технологическим процессом был разработан программный продукт, позволяющий прогнозировать качество получаемой продукции и устанавливать оптимальные параметры для поддержания штатного режима работы комплекса.

Рис. 2. Зависимость содержания ароматических углеводородов С8 в катализате риформинга от содержания толуола

Для определения степени ароматизации нафтенов и парафинов С8 были проанализированы имевшиеся лабораторные данные по углеводородным составам потоков реакторного блока риформинга. В частности, селективность образования ароматических углеводородов С8 из н-октана оценена значением 37%, а достижимое увеличение ароматики С8 в катализате - 2т/ч.

Опытно-промышленная проверка выработанных рекомендаций работы колонн К1-К3 проведена в две стадии. На первом этапе были увеличены расходы орошений в колоннах К2, К3; повышенная по сравнению с обычным режимом работы четкость деления позволила снизить по-

---------

_________I______________

'1

второе полугодие 2003 годэ е лабораторного контроля ......прогноз по модели

Рис. 4. Оптимальные значения содержания ароматики С8 в катализате риформинга

52 ^ 50 го 1а да го го и 2 1 ^ 46 Го со * о о) 44 ч: о ° 42

! !

Я

у

декабрь2009- февраль 2010

Рисунок 5. Содержание ароматики С8 в катализате риформин-га во время опытного пробега

На основе данных лабораторного контроля и режимных параметров работы оборудования разработана модель процесса, применение которой позволяет прогнозировать качество получаемого продукта (содержание ароматических углеводородов С8 в стабильном катализате, рисунок 4).

Так как в штатном режиме работы установки не осуществляется лабораторный контроль по составу целевой фракции (содержанию ксилолообразующих компонентов), то при проведении исследований в качестве основного показателя эффективности ведения технологического процесса было принято содержание ароматики Св в стабильном катализате риформинга:

где Ь - вектор плановых показателей работы установки (загрузка установки по свежему сырью, выпуск целевой фракции 105-127°С);

V - вектор варьируемых режимных параметров работы колонн К1-К3 (расходы дистиллята и орошения).

Поскольку вид функции С8 не известен, то была рассмотрена возможность ее аппроксимации функцией вцца:

где а - вектор свободных констант модели.

Для различных аппроксимирующих функций р соответствующий вектор свободных констант модели а определялся по методу наименьших квадратов:

шт^^ла) - ЕГ™]' \

где / - число контрольных точек, использовавшихся для построения модели (/'=160; в ходе предварительной обработки данные АСУТП усреднялись за сутки на часовом трецце); рзкыг, . данные лабораторного контроля по содержанию ароматики С8 в стабильном катализате риформинга.

Из всех вариантов функций Р была выбрана наилучшая, содержащая 11 свободных констант, значимость которых проверялась по критерию Стьюдента. Коэффициент корреляции составил 0,97, среднеквадратичное отклонение -0,72% масс.

Удовлетворительное совпадение данных лабораторного контроля и результатов расчета позволило использовать разработанную модель для оценки влияния режимных параметров на содержание ароматики Св в катализате и для оптимального изменения режимов. Предварительный анализ исходных данных показал, что плановые показатели и варьируемые режимные параметры коррелированны между собой, поэтому задача оптимизации формулируется следующим образом:

Г т_ах£(р,хга)

Щ:

<р(х, 5) £ О

Для каждой контрольной точки задача оптимизации при наличии ограничений типа неравенства численно решалась методом проектирования градиента[4].

Результаты расчетов программно реализованы для обеспечения возможности их практического применения и апробированы на действующей промышленной установке в течение трех месяцев. В результате удалось увеличить содержание ароматических углеводородов С8 в 1,09 раза (рисунок 5) и выпуск товарных ксилолов на 6,3% (на 1,2т/ч) при неизменном количестве сырья, подающегося на установку [5].

где функция ф( х,Ь) формируется согласно ограничениям по ведению технологического процесса, а ограничение £,( х, Ь) ^ 0 обеспечивает интерполяцию исходных данных и учитывает взаимные корреляции первичных факторов.

Рисунокб, Окно виртуального анализатора для расчета оптимальных режимных параметров

Разработанный программный продукт (рисунок 6) позволяет решать следующие задачи:

- выдавать прогнозную оценку содержания ароматики Св в стабильном катализате риформинга по режимным показателям работы колонн К1-К3 (загрузка установки, расходы орошения и дистиллята в колоннах К1-К3);

- проводить расчет оптимальных режимных параметров работы К1-К3, позволяющих повысить содержание аро-матики Св в стабильном катализате риформинга при фиксированной плановой загрузке установок суммарных ксилолов и риформинга.

Повышение производительности установки по получению о- и п-ксилолов

Ранее показана принципиальная возможность увеличения выработки фракции суммарных ксилолов на 1,2 т/ч, что может позволить соответственно повысить количество производимых индивидуальных ксилолов на установке по производству о- и п-ксилолов. Однако увеличение выработки о-ксилола и п-ксилола лимитируется производительностью центрифуг блока низкотемпературной кристаллизации. Загрузка этого блока определяется потоком рецикла, который может быть снижен за счет:

1. увеличения степени извлечения о-ксилола в колонне К6 в секции фракционирования ароматики и выделения ортоксилола;

2. увеличения степени извлечения п-ксилола на блоке кристаллизации;

3. снижения содержания этилбензола в свежем сырье установки ОПК за счет более полного его вовлечения в доксилольную фракцию в колонне К5 установки суммарных ксилолов.

Проведенные расчеты показали, что наиболее перспективно снижать расход рецикла за счет увеличения степени извлечения о-ксилола в колонне К6. Для этого необходимо провести коррекцию режима работы колонны: увеличить расход кубового продукта и расход потока орошения на 1т/ч и 13т/ч соответственно, при этом будет обеспечиваться достаточный запас по качеству товарного о-ксилола (99,4% масс.

при регламентном ограничении 99,2% масс.) Для оценки снижения потока рецикла был выполнен расчет материального баланса установки по производству о- и п-ксилолов. Загрузку блока кристаллизации можно рассчитать на основании следующих соотношений:

<5ф-ИИ = ^ + (1)

ясняется низким содержанием кумола в катализате рифор-минга.

Д1 =

{ян, + + яа)(0,23» + 0,77) 0,475 — 0,25(0? + J?)

■+■ ctctn 4 я5 ■+ aa

(2)

«а H-

1 - у (3)

где ¿¡¡р_ии - зафузка блока кристаллизации, т/ч; - зафузка блока кристаллизации по целевым компонентам, т/ч; к2 -загрузка блока кристаллизации по нецелевым компонентам, т/ч; а^а^ - расход о-ксилола, п-ксилола, м-ксилола, остальных компонентов во фракции суммарных ксилолов; а - степень извлечения о-ксилола в колонне К6; р - степень извлечения п-ксилола в блоке кристаллизации; Y - степень превращения нецелевых компонентов в секции изомеризации.

Расчет по указанным зависимостям (1-3) показал, что при коррекции режима работы колонны К6 возможно снижение расхода рецикла на 4,5т/ч, что эквивалентно повышению загрузки установки по свежему сырью на 1,4т/ч.

Таким образом, показана принципиальная возможность переработать дополнительное количество фракции суммарных ксилолов и увеличить выработку товарной продукции комплекса.

Структурная оптимизация химико-технологической схемы разделения ксилолов

Особенностью рассматриваемого производства является применение энергоемких процессов (четкая ректификация, низкотемпературная кристаллизация, пропановый и этиленовый холодильные циклы). Решения, предлагаемые в предыдущих разделах, связаны с увеличением тепловой нагрузки на печи и воздушные конденсаторы. Поэтому актуальна задача оценки возможности снижения энергопотребления.

Анализ технологической схемы комплекса производства ксилолов показывает, что фракция тяжелой ароматики выделяется дважды: в колоннах К5иК7. Необходимо отметить, что в обоих случаях содержание компонентов Сд+ в верхнем продукте колонн строго регламентировано, поэтому процесс проводится при повышенных флегмовых числах. Это приводит к еще большему увеличению тепловой нагрузки.

Задача исследования состоит в оптимизации технологической схемы процесса за счет исключения колонны К5, что приведет к выделению всей тяжелой ароматики (Сд+) в колонне К7.

Была рассмотрена возможность исключения колонны К5 из технологической схемы, что предполагает увеличение загрузки блока выделения о- и п-ксилолов. Это никак не скажется на качестве товарного п-ксилола, поскольку компоненты Сд+ отбираются с нижним продуктом колонны К6. Однако увеличение загрузки колонны К7 может в первую очередь сказаться на качестве товарного о-ксилола, что потребовало дополнительных исследований. Расчеты показали, что основной вклад в снижение концентрации о-ксилола в товарной фракции оказывает самый легкий компонент тяжелой арома-тики - кумол.

Для оценки возможности получения ксилолов без использования колонны К5 был проведен активный эксперимент, состоящий из двух стадий. Первый этап заключался в увеличении верхнего отбора колонны К5 с целью полного вовлечения кумола. Поскольку количество кумола в потоке питания колонны неизвестно, о степени его отбора судили по температуре на контрольной тарелке. Качество о-ксилола осталось на прежнем уровне (порядка 99,5% масс.), что объ-

Рисунок 7. Содержание о-ксилола в дистилляте колонны К7

На втором этапе для экономии энергоресурсов значительно смягчили режим работы колонны К5 путем существенного снижения расхода орошения (с 48 до 27 м3/ч); при этом верхний и нижний отборы смешивали в резервуаре и использовали как сырье колонны К-3. Необходимо отметить, что качество товарного о-ксилола (рисунок 7) по ходу проведения эксперимента не ухудшилось (свыше 99,5 % масс.).

В результате опытного пробега подтверждена возможность получения товарных ксилолов без использования колонны К5. При этом значительно сокращается потребление энергоресурсов на установке (порядка 5Гкал/ч). Также необходимо отметить, что при объединении потоков верха и низа К5 уменьшаются потери о-ксилола с тяжелой ароматикой.

По итогам исследования получены следующие результаты:

1. предложен комплекс мер по оптимизации режимных параметров работы блока ректификационных колонн К1-К3, обеспечивающий увеличение содержания ароматики Cs в риформате в 1,17 раза, а, следовательно, и выработки фракции суммарных ксилолов на 1,2т/ч;

2. разработан программный продукт, позволяющий прогнозировать качество получаемого катализата по режимным параметрам технологического процесса;

3. опытным путем подтверждена правомерность выработанных рекомендаций по получению целевой фракции;

4. показана возможность переработать избыток фракции суммарных ксилолов за счет снижения расхода рецикла на установке по производству о-и п-ксилола;

5. опытным путем подтверждена целесообразность работы комплекса без колонны К5 с соответствующим снижением энергопотребления на 5Гкал/ч.

Литература

1. Сулимов А.Д. Производство ароматических углеводородов из нефтяного сырья. М.: Химия, 1975. 304 с.

2. Баннов П.Г. Процессы переработки нефти Т. 2. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2001. 415 с.

3. ASPENHYSYS 2006. Documentation. Cambridge(USA): AspenTech, 2006.

4. Лисицын Н.В., Викторов В.К., Кузичкин Н.В. Химико-технологические системы: оптимизация и ресурсосбережение. СПб.: Менделеев, 2007. 312 с.

5. Мануйлова Е.В., Федоров В.И., Лисицын Н.В. Оптимизация процесса получения фракции суммарных ксилолов. // Автоматизация в промышленности, №7. 2010. С. 24-26.