CC BY
86
УДК 622.276.705
А. И. Каяшев (д.т.н., проф., зав. каф.), Е. А. Муравьева (к.т.н., доц.), Р. Ф. Габитов (асп.)
Оптимизация температурного режима прокалки катализаторов крекинга по экономическим показателям технологического процесса
Филиал Уфимского государственного нефтяного университета в г. Стерлитамаке,
кафедра автоматизированных технологических и информационных систем 453118, г. Стерлитамак, пр. Октября, 2; тел. (3473) 242512, факс (3473) 242408, e-mail: kayashev.ai@rambler.ru; muraveva_ea@mail.ru; gabitoff@yandex.ru
A. I. Kayashev, E. A. Muraveva, R. F. Gabitov
Optimization of cracking catalyst calcination mode by economic parameters of technological process
Branch of Ufa State Petroleum Technological University in Sterlitamak 2, October av, 453118, Sterlitamak, Russia; ph. (3473) 242512, fax (3473) 242408, e-mail: kayashev.ai@rambler.ru; muraveva_ea@mail.ru; gabitoff@yandex.ru
Представлен анализ физико-химических превращений при прокалке микросферических катализаторов крекинга, приведена общая схема причинно-следственных связей между экономическими показателями крекинга как целевого процесса и параметрами режима прокалки, а также приведена методика поиска экономически наиболее выгодного значения на примере одного из параметров. В результате обосновано влияние параметров режима прокалки на общую экономическую прибыль каталитического крекинга и определены оптимальные значения этих параметров.
Ключевые слова: индекс истирания; катализатор крекинга; метакаолин; микросфера; прокалка; удельная поверхность.
В настоящее время эффективность процессов крекинга в производстве высокооктановых моторных топлив во многом зависит от качества применяемого катализатора. Такие ключевые показатели катализатора, как конверсионная активность и селективность не способны обеспечить эффективное функционирование катализатора в условиях реальной установки крекинга без наличия соответствующих эксплуатационных свойств — прочности на истирание, удельной поверхности, гранулометрического состава, которые закладываются на стадии прокалки катализаторов 1. Кроме того, стадия прокалки является одной из самых
энергозатратных ступеней рассматриваемого
2
производственного процесса 2.
Проведенный анализ технологического процесса прокалки катализаторов во вращаю-
Дата поступления 21.03.11
This work presents the analysis of physical and chemical transformations during calcination of microsphere cracking catalysts, the general scheme of cause-and-effect relationships between economic parameters of cracking as target process and parameters of a calcination mode is given, and also the technique of search economically sound value on an example of one of parameters is given. As the result, influence of the calcination mode parameters on the general economic profit of catalytic cracking is proved and optimum values of these parameters are determined.
Key words: attrition index; calcinations; cracking catalyst; metakaolin; microsphere; surface area.
щейся барабанной печи на примере стадии прокалки Ишимбайского специализированного химического завода катализаторов 3 выявил ряд недостатков существующей системы управления, увеличивающих влияние человеческого фактора на качество и энергоемкость продукции и затрудняющих гибкую корректировку технологического процесса под новые марки получаемых катализаторов. Кроме того, повышение требований к эксплуатационным характеристикам современных катализаторов крекинга требует большей информативности о ведении процесса прокалки, что выявляет несостоятельность существующего подхода к управлению прокалочным аппаратом как объектом с одним регулируемым (температура холодного конца печи) и одним контролируемым (температура топки) технологическими параметрами.
Данные обстоятельства диктуют необходимость применения новой концепции управления данным процессом, использующей метод разбиения объекта на зоны с системой логического управления температурой в каждой из зон, а также разработки соответствующей системы, способной адекватно управлять полученным многосвязным объектом.
Подобная система управления предполагает повышенные требования к формированию задания, регламентирующего непрерывное распределение параметров по всей длине печи. С этой целью проведен анализ физико-химических превращений прокаливаемого продукта.
Известно 4, что при температуре около 550 оС наблюдается образование разупорядо-ченной фазы метакаолина вследствие эндотермической дегидратации каолина:
2А12812О5(ОН)4550=600 2Л1281205+4Ы20 (1)
Образующийся метакаолин сохраняет правильную кристаллическую структуру в двух измерениях, но теряет присущее каолину правильное расположение слоев в третьем измерении. Данное явление носит название аморфизации, т. е. перехода связующего компонента матрицы из кристалличного в аморфное состояние. В результате фактор деалюми-нации цеолита в общей картине физико-химических превращений отходит на второй план, а в качестве приоритетного выступает изменение соотношения объемов макро- и мезопор, что влечет за собой изменение скоростей диффузии молекул различной величины от поверхности микросферы к активным центрам, а в особенности продуктов крекинга от активных центров к поверхности 5. С позиции экспериментальных данных 6, наиболее яркое проявление данного процесса заключается в смещении соотношения выхода газа и кокса в зависимости от скорости нагрева прокаливаемых микросфер на данном этапе.
В результате дегидратации каолина (1) уменьшается хрупкость, повышается прочность и износостойкость матрицы катализатора. Это ведет к изменению такого важного эксплуатационного параметра катализатора, как стойкость к истиранию7. Прочность на истирание напрямую зависит от степени аморфиза-ции каолина, которая возрастает с увеличением значения максимальной температуры прокаливаемой частицы. Однако при достижении температуры 980—1010 0С наблюдаются деструктивные изменения структуры метакаолина 4, в результате чего резко возрастает выход ката-
лизаторной мелочи в установке крекинга, что снижает значение индекса истирания Д1, измеряемого по методике Дэвисона 7:
В1 = 100 •
т,
(2)
ее
где шср — вес материала размером 0—20 мкм, образующегося в результате теста;
тсс — вес изначального материала размером 20 и более мкм.
Таким образом, катализатор с меньшим обладает большей стойкостью к истиранию.
На макроструктурном уровне рост максимальной температуры прокаливания оказывает сложное влияние на удельную поверхность катализатора: с одной стороны, увеличение скорости нагрева частиц до определенной величины провоцирует рост удельной поверхности, однако при превышении температурной отметки 600 0С наблюдается негативное влияние температуры на удельную поверхность, что объясняется процессами дегидроксилиро-вания (отрыва гидроксильных групп, отвечающих за определенный тип кислотности, с поверхности цеолита), а также появлением кислотных центров Льюиса, которые ухудшают селективность катализатора, смещая состав продуктов крекинга в сторону газа и кокса 5.
После достижения максимальной температуры прокаливания происходит плавное уменьшение температуры прокаливаемых частиц до значения температуры продукта на выходе из печи. Согласно имеющимся экспериментальным данным 7, изменение температуры частиц на данном этапе оказывает наибольшее влияние на значения влагосодержания продукта (потерь при прокалке) и потерь на катализа-торную мелочь, отделяемую системой циклонов и рукавных фильтров после выхода продукта из печи. С повышением температуры продукта на выходе влагосодержание уменьшается, а отсев мелочи возрастает.
Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что эффективность воздействия на свойства получаемого катализатора определяется следующими параметрами температурного режима: максимальной температурой прокаливаемых частиц; температурой на выходе продукта из печи; скоростью подъема температуры частицы до 550 0С; скоростью подъема температуры от 550 0С до максимальной.
Исходя из методологии управления технологическими процессами по показателям качества продукции 8'9, для определения оптималь-
Рис. 1. Влияние параметров температурного режима прокалки на ЭЭПК
ных значений данных параметров сформулированы критерии оптимизации с точки зрения экономической эффективности каталитического крекинга как целевого процесса. Влияние каждого из параметров температурного режима на экономическую эффективность процесса крекинга (ЭЭПК) отражено на схеме причинно-следственных связей (рис. 1).
В данной работе приводится определение оптимального значения максимальной температуры прокаливаемых частиц, которое можно определить как решение следующей задачи оптимизации.
Р (¿шах) = Р№(А)-Р (А)-Рёф1) ^ шах;
где -Р^тах) — зависимость ЭЭПК от максимальной температуры прокаливания;
Рд,(А) — зависимость прибыли от полезных продуктов крекинга от конверсионной активности;
Р,(А) — зависимость затрат на замещение отравляемого коксом катализатора от конверсионной активности;
Р,(П1) — зависимость затрат на катализатор, замещающий унос мелочи, от индекса истирания;
+ а
¿шах — максимально допустимое значение температуры в топке печи, согласно технологическому регламенту 10 она составляет 1150 0С.
При анализе влияния максимальной температуры прокалки на удельную поверхность и индекс истирания катализатора, а также взаимосвязи конверсионной активности и удельной поверхности можно использовать известные 11,12 эмпирические зависимости (рис. 2, а и б).
Увеличение прочности на истирание позволяет снизить периодичность загрузки катализатора, что уменьшает затраты на его приобретение. Используя индекс истирания Дэвисо-на (Ю7), массу катализатора, циркулирующего по установке крекинга (тсс), его стоимость (рс), удельное приращение ЭЭПК для данного параметра составляет:
Р (Ш) = • Р (4)
Из исследований по влиянию конверсионной активности Ие-У-цеолитсодержащих катализаторов крекинга на состав и количествен-
13
ное соотношение продуктов крекинга'3 известно, что рост конверсионной активности, с одной стороны, повышает общий выход полезной продукции процесса крекинга, с другой стороны, изменяет состав продуктов крекинга, в частности, увеличивает выход газа и кокса (рис. 3). Последнее вызывает преждевременное отравление катализатора.
Рис. 2. Зависимость удельной поверхности и прочности на истирание от максимальной температуры прокалки (а); конверсионной активности от удельной поверхности (б)
Pgp = Fc (Pgg •Cgi + Phc 'Chc + Pic (6)
где Cgi, Chc, Cic — содержание в продуктах крекинга бензина, тяжелых и легких углеводородов соответственно;
Cgi, Phc, Cic — отпускная цена бензина, тяжелых и легких углеводородов соответственно;
Fc — общая производительность установки крекинга по сырью в единицу времени.
ЭЭПК потерь в данном случае характеризует потери деактивированного коксом катализатора из установки. С учетом дальнейшей регенерации катализатора можно вывести выражение для Р*;, используя содержание кокса в продуктах крекинга (Сс), коэффициент деактивации катализатора коксом (кс¿), удельную стоимость (Рг*) и коэффициент потерь (£,.;) регенерации, а также стоимость нового замещающего катализатора:
Рис. 3. Зависимость состава продуктов крекинга от конверсионной активности катализатора
Для оценки удельного приращения ЭЭПК в зависимости от конверсионной активности Р*(А) необходимо выделить две составляющие: ЭЭПК прибыли Pgp и ЭЭПК потерь р):
Р (А = Рр -Р* (5)
ЭЭПК прибыли определим, как суммарную стоимость всех продуктов крекинга, за исключением кокса:
Pgi = Fc • Cc 'kck • ( prg + kri • pc )
(7)
После полиномиальной аппроксимации зависимостей на рис. 2 и 3 подстановки полученных выражений в (6), (7) и (5) получена зависимость приращения ЭЭПК от максимальной температуры прокалки (рис. 4).
Полученное значение оптимальной максимальной температуры прокаливания составляет 803 оС. Анализ кривой показывает, что отклонения технологического режима по данному параметру на —5% и +5% приводят к снижению общей прибыли на 5.3% и 4.8% соответственно.
Рис. 4. Зависимость ЭЭПК от максимальной температуры прокалки
Расчет остальных параметров произведен аналогичным образом, в результате чего получены количественные характеристики требуемого режима прокаливания (табл. 1).
Таблица 1 Результаты расчета параметров оптимального температурного режима прокалки
Параметр температурного профиля Значение
Максимальная температура прокалки 803 оС
Конечная температура 637 оС
Скорость нагрева частиц до 550 оС 100.4 оС/мин
Скорость нагрева частиц от 550 оС до максимального значения 43.3 оС/мин
Таким образом, разработана методика определения оптимальных значений параметров температурного режима, достаточных для формирования задания на непрерывное распределение температур по длине рабочей части печи. Полученный оптимальный температурный профиль печи позволяет осуществить пе-
реход от существующей системы управления к многомерному логическому регулированию по показателям экономической эффективности целевого процесса.
Литература
1. Крылов О. В. Гетерогенный катализ: Учебное пособие для вузов.— М.: Академкнига, 2004.— 679 с.
2. Лисиенко В. Г., Щелоков Я. М., Ладыгичев М. Г. Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология: Справочное издание: В 2-х книгах. Книга 2.— М.: Теплотехник, 2004.— 292 с.
3. Габитов Р. Ф., Каяшев А. И., Муравьева Е. А. // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности.— 2010.— №12.— С. 12.
4. Айлер Р. Химия кремнезема: Пер. с англ.— М.:Мир, 1982.- 416 с.
5. Breck D. W.,Flanigan E. M. Synthesis and Properties of Zeolites X,Y, and L. / First Molecular Sieve Conference.- London.- 1967.-P. 47.
6. Baker R. W., Blazek J. J. Gasoline Yields Soar with New XZ-Catalyst. / 31st midyear Meeting. American Petroleum Institute.- Houston.-1966.- P. 4.
7. S. C. Eastwood, C. J.Plank, P. B.Weiss. 8th World Petroleum Congress.- 1971.- V.4.-P. 245.
8. Веревкин А. П., Дадаян Л. Г. Анализ и синтез автоматических систем регулирования сложных объектов нефтепереработки и нефтехимии.-Уфа: УНИ, 1989.- 94 с.
9. Пупков К. А. Методы классической и современной теории автоматического управления.- М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004.- 616 с.
10. Р43 - Инструкция по эксплуатации секции промывки и прокалки. Окончательный проект установки производства катализаторов ККФ в г.Ишимбае, том FI-10-4/7-1.- 432 с.
11. US Patent №6884744 /Wu-Cheng Cheng, P.S.Deitz, Xinjin Zhao // 2005.- P. 17.
12. Andreasson H. U., Upson L. L. // Oil and Gas Journal.- 1985.- Aug.5.- P. 91.
