CC BY
99
УДК 66.011
Е. А. Юганова, Э. Р. Галеев, В. В. Елизаров ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ ОЧИСТКИ ИЗОПЕНТАН-ИЗОАМИЛЕНОВОЙ ФРАКЦИИ
Ключевые слова: изопентан-изоамилен, ректификация, математическая модель, идентификация параметров,
технологический режим, энергозатраты
В работе приведены результаты обследования промышленной установки очистки изопентан-изоамиленовой фракции ОАО «Нижнекамскнефтехим» с целью выявления возможности сокращения энергозатрат. Проведена идентификация покомпонентного состава материальных потоков установки. Методами математического моделирования определен оптимальный технологический режим установки при изменении нагрузки по сырью в диапазоне от 800 кг/ч до 3000 кг/ч.
Keywords: izopentan-izoamilen, rectification, mathematical model, identification parameter, te-chnological mode, power
inputs
In work are brought results of the examination of the industrial installation peelings izopentan-izoamilen to factions OAO «Nizhnekamskneftekhim» or the reason revealing the possibility abbreviation power inputs. The оrganized identification component-specific composition material flow installation. Methods of mathematical modeling is determined optimum technological mode of the installation when change the load on raw produce within the range of from 800 kg/h before 3000 kg/h.
Установка очистки изопентан-изоамиленовой фракции (ИИФ) состоит из реактора, ректификационной колонны, теплообменного и насосного оборудования (рис. 1).
р-1
Т-1
39
К-1
і '
ЄЮ
— 4-
—
і
Ф-1
£*>-1 h-2Q_
на склад
Рис. 1 - Технологическая схема: 1 - ИИФ с примесями ЦПД и карбонильных соединений; 2 - выход реактора; 3 - остаток ИИФ, продукты реакции; 4 - очищенная ИИФ
ИИФ поступает в реактор для химической очистки от циклопентадиена (ЦПД) и частично от карбонильных соединений. В реакторе Р-1 в присутствии катализатора (раствор калиевой щелочи в бутаноле) происходит взаимодействие ЦПД с циклогексаноном и карбонильными соединениями, в результате которого образуются вода и высококипящие продукты - фульвены. Реакционная масса с верха реактора поступает в линию циркуляции испарителя колонны К-1 для отгонки ИИФ от бутанола, фульвенов и других высококипящих соединений, образовавшихся в процессе химической очистки. Дистиллят колонны откачивается в линию изопрена-ректификата на склад. Кубовая жидкость колонны (остаток
286
ИИФ, фульвены, бутанол) через фильтр Ф-1 возвращается в реактор.
Задачей обследования установки является оптимизация технологического режима с целью сокращения потребления тепла греющего пара ректификационной колонны в диапазоне нагрузки по сырью от 800 кг/ч до 3000 кг/ч с соблюдением ограничений по качеству получаемого продукта.
Поставленная задача существенно осложняется наличием неидентифицированных компонентов в потоке на выходе реактора (тяжелый остаток - т.о., сумма х). Кроме того, отсутствуют хроматографические данные по составу дистиллята в условиях производства, имеются лишь значения концентрации ключевых компонентов: ЦПД и карбонильных соединений. Ограниченные сведения о составе привели к необходимости подбора компонентов в потоке на выходе реактора. В качестве тяжелого остатка рассматривается C10H22, суммы х - C23H48, фульвенов - C11H12. Качественные характеристики и теплофизические свойства смеси на входе колонны с учетом наличия рецикла в технологической схеме установки приведены в табл. 1 (расход сырья на входе установки -2000 кг/ч).
Таблица 1 - Параметры питания колонны (выход реактора)
№ п/п Компонент Химическая формула Температура кипения, С Концентрация, % мас. Расход, кг/ч
1 Карбонильные C2H4O 19,85 0,0001 0,02
2 Изопентан 2 I Ю 2C 27,88 3,1753 476,30
3 Н-амилен C сл 1 0 29,95 1,2856 192,84
4 Изопрен C5H8 34,05 1,3458 201,87
5 у-изоамилен C сл 1 0 31,15 2,1568 323,52
6 Пентан 0 1H 5 C 36,06 2,5672 385,07
7 в-изоамилен 2 0 I 55 C 38,55 46,7100 7006,46
8 Транс-амилен 0 0 I 55 C 36,34 0,8298 124,48
9 Цис-амилен о I 55 C 36,93 0,3635 54,52
10 ЦПД C5H6 41,50 0,000007 0,001
11 Цис-пиперилен C5H8 44,05 0,0774 11,60
12 Гексан C6H14 68,73 29,6837 4452,53
13 Толуол C7H8 110,65 2,4488 367,32
14 Бутанол C4H10O 117,75 1,3511 202,66
15 Циклогексанон C6H10O 155,65 0,1689 25,33
16 Т.о. C10H22 174,15 0,9117 136,76
17 Фульвены 1C 1H 2 241,85 2,1111 316,66
18 Сумма х C23H48 380,22 4,2221 633,32
19 КОН C30H62 449,72 0,5911 88,66
Итого 100,0000 14999,93
Математическая модель ректификационной колонны включает уравнения материального и теплового баланса [1], гидравлического расчёта [2] и расчёта эффективности [3].
Критерий оптимизации имеет вид:
Q = Vr ^ min, (1)
при ограничениях в дистилляте:
XC5H6 ^ 0,0001, (2)
и ограничениях в кубовом остатке:
ХС4Н100 > 0,5,
ХКОН > 0,05, (3)
где Q - количество потребляемого тепла кипятильником Т-1 (Гкал/ч); V - расход смеси, испаряющейся в кипятильнике (кг/ч); r - теплота испарения смеси (Гкал/кг); X - массовые
концентрации компонентов (% мас.).
Управляющим параметром является расход флегмы в аппарате. Результаты расчета и производственные данные приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Параметры продуктов разделения на выходе колонны
№ п/п Компонент Результаты расчета, % мас. Производственные данные, % мас. Погрешность расчета, %
Дистиллят колонны
1 Карбонильные 0,00031 0.00054 43,06
2 Изопентан 6,9057 не анализируется
3 Н-амилен 2,6023 не анализируется
4 Изопрен 2,5013 не анализируется
5 у-изоамилен 4,6427 не анализируется
6 Пентан 4,6011 не анализируется
7 в-изоамилен 74,0658 не анализируется
8 Транс-амилен 1,4009 не анализируется
9 Цис-амилен 0,6004 не анализируется
10 ЦПД 0,00001 0.000009 6,55
11 Цис-пиперилен 0,1000 не анализируется
12 Гексан 2,5796 не анализируется
13 Толуол 0,0000 не анализируется
14 Бутанол 0,0000 не анализируется
15 Циклогексанон 0,0000 не анализируется
16 Т.о. 0,0000 не анализируется
17 Фульвены 0,0000 не анализируется
18 Сумма х 0,0000 не анализируется
19 КОН 0,0000 не анализируется
Итого 100,0000
Кубовая жидкость колонны
1 Карбонильные 0,00011 0.0000 -
2 Изопентан 2,6014 не анализируется
3 Н-амилен 1,0830 не анализируется
4 Изопрен 1,1680 не анализируется
5 у-изоамилен 1,7744 не анализируется
6 Пентан 2,2542 не анализируется
7 в-изоамилен 42,5014 не анализируется
8 Транс-амилен 0,7420 не анализируется
9 Цис-амилен 0,3270 не анализируется
10 ЦПД 0,00001 не анализируется
11 Цис-пиперилен 0,0739 не анализируется
Сумма С5 52,5254 56,7000 7,36
12 Гексан 33,8535 29,4000 15,15
13 Толуол 2,8256 2,9000 2,57
14 Бутанол 1,5589 1,6000 2,57
15 Циклогексанон 0,1949 0,2000 2,57
16 Т.о. 1,0520 1,0000 5,20
17 Фульвены 2,4358 2,5000 2,57
18 Сумма х 4,8717 5,0000 2,57
19 КОН 0,6820 0,7000 2,57
Итого 100,0000 100,0000
Максимальная погрешность расчета соответствует концентрации карбонильных в дистилляте. Погрешность расчета концентраций в кубе колонны не превышает 15,15 %. Полученные результаты расчета свидетельствуют о достоверности принятой математической модели и применимости ее для решения задачи оптимизации.
Сокращения энергозатрат возможно добиться путем понижения расхода флегмы в аппарате, в результате которого снизится тепловая нагрузка на испаритель. С использованием метода сканирования [4] выявлена возможность понижения расхода флегмы с 1700 кг/ч до 1350 кг/ч (табл. 3).
Таблица 3 - Оптимальные режимные параметры ректификационной установки
Параметр Оптимальные значения Производственные данные
Расход питания, кг/ч 1499S,73 15000,00
Расход флегмы, кг/ч 1350,00 1700,00
Расход дистиллята, кг/ч 1999,31 2000,00
Расход кубового остатка, кг/ч 12999,42 13000,00
з Расход кубового остатка, м /ч 19,10 20,00
Температура верха, °С 41,6s 40,29
Температура куба, °С 52,91 51,38
Абс. давление верха, атм 1,15 1,15
Тепловая нагрузка, кДж/ч 1197485,19 1325850,87
Тепловая нагрузка, Гкал/ч 0,29 0,32
Применение оптимального значения расхода флегмы 1350 кг/ч позволит сократить тепловую нагрузку на испаритель с 0,32 Гкал/ч до 0,29 Гкал/ч, т.е. уменьшить на 9,68 %. Дальнейшее понижение расхода флегмы приводит к нарушению требований по качеству разделения в колонне (2), (3). Составы продуктов на выходе колонны при расходе флегмы в аппарате 1350 кг/ч приведены в табл. 4.
Таблица 4 - Параметры продуктов разделения на выходе колонны
№ п/п Компонент Очищенная ИИФ Кубовый остаток
% мас. кг/ч % масс. кг/ч
1 Карбонильные 0,00028 0,0056 0,00011 0,0144
2 Изопентан 6,8699 137,35 2,95148 383,68
3 Н-амилен 2,5867 51,72 1,23732 160,84
4 Изопрен 2,4888 49,76 1,35434 176,06
5 у-изоамилен 4,6206 92,38 2,00567 260,73
б Пентан 4,5824 91,62 2,54919 331,38
7 ß-изоамилен 74,1456 1482,40 48,73557 6335,34
S Транс-амилен 1,3 81 б 27,62 0,84279 109,56
9 Цис-амилен 0,5920 11,84 0,37124 48,26
10 ЦПД 0,000009 0,0002 0,00001 0,0008
11 Цис-пиперилен 0,0987 1,97 0,08217 10,68
12 Гексан 2,6334 52,65 26,26750 3414,62
13 Толуол 0,0000 0,00 2,72826 354,66
14 Бутанол 0,0000 0,00 1,50525 195,67
15 Циклогексанон 0,0000 0,00 0,1881 б 24,46
16 Т.о. 0,0000 0,00 1,46655 190,64
17 Фульвены 0,0000 0,00 2,35195 305,74
1S Сумма х 0,0000 0,00 4,70391 б 11,48
19 КОН 0,0000 0,00 0,65855 85,61
Итого 100,0000 1999,31 100,0000 12999,42
С учетом выявленной возможности сокращения энергозатрат проведен расчет ректификационной установки с использованием предложенной математической модели при изменении нагрузки по сырью от 800 до 3000 кг/ч.
Таблица 5 - Значения расходов флегмы и тепловой нагрузки колонны при изменении нагрузки по сырью в диапазоне от 800 до 3000 кг/ч
№ п/п Расход ИИФ на входе установки, кг/ч Расход питания колонны, кг/ч Расход флегмы, кг/ч Тепловая нагрузка, Гкал/ч
1 800,00 13795,12 450,00 0,11
2 1000,00 13998,92 600,00 0,14
3 1200,00 14198,86 750,00 0,17
4 1400,00 14399,19 900,00 0,20
5 1600,00 14599,12 1050,00 0,23
6 1800,00 14798,49 1200,00 0,26
7 2000,00 14998,73 1350,00 0,29
8 2200,00 15198,55 1500,00 0,32
9 2400,00 15398,47 1650,00 0,35
10 2600,00 15598,48 1800,00 0,38
11 2800,00 15798,51 1950,00 0,41
12 3000,00 15998,45 2100,00 0,44
Расход флегмы в ректификационной колонне будет изменяться от 450 до 2100 кг/ч. Поддерживая постоянное абсолютное давление верха колонны 1,15 атм, температура верха будет находиться в пределах от 41,5 оС до 42,13 оС, а температура куба - от 49,86 оС до 53,94оС.
На основе результатов расчета, приведенных в таблице 5, построены зависимости расхода флегмы в колонне и тепловой нагрузки на испаритель от расхода ИИФ на входе установки (рис. 2, 3).
Рис. 2 - График зависимости расхода флегмы в колонне от расхода ИИФ
Рис. 3 - График зависимости тепловой нагрузки на испаритель колонны от расхода ИИФ
Проведенное обследование промышленной установки очистки ИИФ позволило методом математического моделирования подобрать предполагаемые неидентифицированные компоненты на входе колонны, установить оптимальные технологические режимы ее работы, обеспечивающие снижение энергозатрат в широком диапазоне изменения нагрузки по сырью.
Работа выполнена в рамках использования гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых МД-552.2011.8 (договор № 16.120.11.552-МД от 18.02.2011)
Литература
1. Холланд, Ч.Д. Многокомпонентная ректификация / Ч.Д. Холланд; пер. с англ. Б.Ц. Генкиной; под ред. В.М. Платонова. - М.: Химия, 1969. - 352 с.
2. Доманский, И.В. Машины и аппараты химических производств: примеры и задачи: учебное пособие для студентов втузов / И.В. Доманский [и др.]; под общ. ред. В.Н. Соколова. - Л. : Машиностроение, 1982. - 384 с. : ил.
3. Дьяконов, С.Г. Определение эффективности контактных устройств на основе гидродинамической аналогии / С.Г. Дьяконов, В.В. Елизаров, Д.В. Елизаров, С. А. Мерзляков // Вестн. Казан. технол. унта. - 2009. - №3. ч. 1. - С. 57-64.
4. Бояринов, А.И. Методы оптимизации в химической технологии / А.И. Бояринов, В.В. Кафаров. -Изд. 2-е. - М.: Химия, 1975. - 576 с. : ил.
© Е. А. Юганова - асс. каф. АТП КНИТУ, rus-237@mail.ru; Э. Р. Галеев - канд. техн. наук, доцент той же кафедры , eldargaleev@inbox.ru; В. В. Елизаров - д-р техн. наук, доцент той же кафедры, elizarov_vv@mail.ru.
