Научная статья на тему 'Оптимизация внутренних устройств реактора изомеризации пентан-гексановой фракции'

Оптимизация внутренних устройств реактора изомеризации пентан-гексановой фракции Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
732
106
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Чеканцев Н. В., Выходцев А. В.

С использованием метода математического моделирования был проведен расчет влияния состава сырья на октановое число продукта изомеризации пентан-гексановой фракции. Рассмотрены различные варианты конструкции реакторов процессов нефтепереработки. По результатам расчетов для процесса изомеризации оптимальной конструкцией является реактор радиального типа с направление газосырьевого потока от центра к периферии.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Чеканцев Н. В., Выходцев А. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The raw material composition influence on octane number of pentane-hexane isomerization product was estimated using mathematical modeling method. Different variants of oil-processing reactors construction were viewed. On the basis of calculations for isomerization process the optimal construction was considered to be a radial reactor with the direction of raw material from the center into periphery.

Текст научной работы на тему «Оптимизация внутренних устройств реактора изомеризации пентан-гексановой фракции»

тельность эксплуатации катализатора составит ок. 200 суток, температура 470-495 °С (концентрация диолефинов 0,65-0,9 %, кокс 2,5 % мас.). При двухреакторной схеме работы установки (расход сырья 37,5 м3/час, 1=7) и выработке ЛАБ 200 т/сут, длительность эксплуатации катализатора составит 470 суток, температура 450-495 °С (концентрация диолефинов 0,64-1,1 % мас., кокс 2,7 % мас.). При включении второго реактора в работу с одновременным увеличением подачи водородсодержащего газа (расход сырья 37,5 м3/час, /=8) и выработке ЛАБ 200 т/сут, длительность эксплуатации катализатора составит 500 суток, температура 455-495 °С (концентрация диолефинов 0,6-1,0 % мас., кокс 2 % мас.).

Таким образом, расчеты, проведенные на математической модели, показали, что повышение эффективности работы установки производства линейных алкилбензолов при переходе ее на параллельную работу двух реакторов дегидрирования может быть достигнуто в случае одновременного увеличения нагрузки сырья с 75 до 100 м3/час и мольного соотношения «водород/сырье» с 7/1 до 8/1. При этом будет достигнут максимальный эффект, связанный с увеличением среднесуточной выработки ЛАБ.

Список литературы

1. Баннов, П.Г. Процессы переработки нефти. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2001. - 625 с.

2. Боруцкий, П.Н. Алкилирование бензола высшими олефинами на гетерогенных катализаторах/ П.Н.Боруцкий, Е.Г.Козлова, Н.М.Подклетнова и др. // Нефтехимия. - 2007. - т. 47.- № 4. - С. 276-288

3. Кравцов, А.В. Компьютерное моделирование процесса дегидрирования высших н-парафинов на Pt-катализаторах/ А.В.Кравцов, Х А.Ч.адарцев, А.А.Шатовкин и др. // Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой опыт.-2007. — № 5. — С. 35-40.

УДК 66.011

Н.В. Чеканцев, А.В. Выходцев

Томский политехнический университет, Томск, Россия

ОПТИМИЗАЦИЯ ВНУТРЕННИХ УСТРОЙСТВ РЕАКТОРА ИЗОМЕРИЗАЦИИ ПЕНТАН-ГЕКСАНОВОЙ ФРАКЦИИ

The raw material composition influence on octane number of pentane-hexane isomerization product was estimated using mathematical modeling method. Different variants of oil-processing reactors construction were viewed. On the basis of calculations for isomerization process the optimal construction was considered to be a radial reactor with the direction of raw material from the center into periphery.

С использованием метода математического моделирования был проведен расчет влияния состава сырья на октановое число продукта изомеризации пентан-гексановой фракции. Рассмотрены различные варианты конструкции реакторов процессов нефтепереработки. По результатам расчетов для процесса изомеризации оптимальной конструкцией является реактор радиального типа с направление газосырьевого потока от центра к периферии.

Процесс изомеризации пентан-гексановой фракции прямогонных бензинов является одним из важнейших процессов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности и занимает одно из ведущих место в производстве высокооктанового компонента моторных топлив. Основным фактором, влияющим на развитие процесса изомеризации, остаются все более ужесточающиеся стандарты на экологические характеристики моторных топлив, поэтапно вводимые в странах Европы, Америки и

Азии. Повышение уровня эксплуатации этого процесса влечет за собой снижение себестоимости продукции, выпускаемой на промышленных установках. В связи с тем, что процесс изомеризации парафинов С5-С6 остается экономически выгодным для получения высокооктановых компонентов моторных топлив, постоянно ведется поиск более эффективных вариантов его технологического оформления и способов интенсификации уже действующих производственных установок.

Исследования показали, что практически все действующие производства на основе каталитических процессов работают не всегда в оптимальном режиме и имеют большие резервы при оценке, как по экономическим, так и по технологическим критериям. Так, используемые в нефтепереработке в целом и, в частности, в процессе изомеризации парафинов, реакторы отличаются как конструкцией, так и направлением движения газосырьевых потоков. В зависимости от характера технологического процесса используется различные реакторные устройства. Практика показывает, что оптимальная эксплуатация реактора определяющим образом зависит от его конструкции. Естественно, что на этих производствах в той или иной степени проводятся работы по моделированию и оптимизации действующих технологий. Например, для технологии промысловой подготовки и первичной заводской переработки нефти, газа и газового конденсата, представленных, в основном, процессами массо- и теплопередачи, уже разработаны и широко используются как в проектных и научно-исследовательских институтах, так и на предприятиях лучшие системы технологического моделирования - PRO-2 (разработка американской фирмы SIMSCI) и HYSYS (разработка канадской фирмы HYPROtECH). Из отечественных аналогов заслуживают внимания GIBBS (разработка специалистов ООО «Топэнергобизнесс», г.Москва) и ГазКондНефть (разработка специалистов института Газа АН Украины).

Реализация этого современного наукоемкого метода определила объективность постановки настоящей работы, задачи которой: - рассчитать влияние переобвязки реакторов при различных вариантах реконструкции на технологические параметры ведения процесса и качество риформата; - изучить влияние и оптимизировать состав сырья с целью повышения эффективности работы промышленных установках изомеризации парафинов.

81 ,4 81 ,2 81 80,8

80,6

27.07

.2006 21.08.2006 15.09.2006 1 0.1 0.2006 04.11.2006 29.11.2006 24.12.2006 1S.01.200T

Дата отбора

Рис. 1. Зависимость ИОЧ от состава сырья (расчет на модели)

На основе рассмотрения поверхностного механизма и формирования схемы превращения реагентов нами была предложена следующая математическая модель:

^д C ^SC

G 1 - + G 1

dz д V

^d T ^д T

G— + G- =

& д V

=1

w,

j=i

Z Qj

cp j=i

Начальные условия: z=0, C=0, T=0; V=0, Ci=CEK, Т=Твх.

82

81 ,8

81 ,6

Здесь С; - концентрация 1-го реагента на входе в реактор, моль/м3; Т - температура; Ъ - суммарный объем переработанного сырья, м3; Wj-скорость ]-й реакции; V-объем катализатора, м3;О - расход сырья, м3/ч.

При постоянных технологических параметрах был проведен расчет влияния состава сырья на октановое число изомеризата в ходе эксплуатации работы установки Л-35-11/300 (рис. 1).

Технологические параметры

Расход сырья, м3/ч 83

Входное давление, атм 27

Входная температура, °С 132

Из рис. 1 видно, что при постоянных условиях ИОЧ изменяется хаотично в достаточно широком интервале — в пределах 1,0-1,5 пунктов. Это позволяет сделать вывод о влиянии состава сырья на октановое число изомеризата [1]. С использованием найденных кинетических параметров на программно реализованной модели, был проведен расчет показателей процесса и получены следующие результаты, табл. 1.

Табл. 1. Сравнительная таблица результатов расчета и экспериментальных данных

Дата 14.11.2006 13.03.2007

Сырье Катализат Катализат Сырье Катализат Катализат

(расч.) (эксп.) (расч.) (эксп.)

ОЧ 67,13 80,52 80,6 69,67 82,19 82

С2 0 0,13 0 0 0,18 0

С3 0 0,7 0,57 0 0,7 0,06

п-С4 1,1 1,19 2,01 2,16 2,28 3,28

ьС4 0,01 0,14 1,36 0,03 0,12 1,05

п-С5 27,58 12,88 13,68 33,68 14,24 14,85

ьС5 13,17 28,89 29,77 19,85 39,15 39,85

п-С6 17,84 6,25 5,61 12,95 4,67 4,34

2-МР 14,36 15,73 14,07 12,12 11,75 11,12

3-МР 7,95 8,24 8,04 6,61 5,97 6,35

2.2БМБ 0,34 10,54 10,48 0,36 9,73 9,4

2.3БМБ 1,24 4,34 4,13 1,38 3,58 3,31

п-С7 0,04 0,02 0,02 0,02 0,01 0,01

Б1-С7 0,52 0,37 0,19 0,12 0,09 0,11

ЪР 4,41 4,25 3,24 3,95 3,83 2,62

МЪР 8,24 3,72 3,65 4,98 2,07 1,88

МО 1,8 1,32 2,63 0,65 0,62 1,34

БЪ 1,17 1,04 0 1,08 0,94 0

БМЪР 0,2 0,2 0,14 0,05 0,05 0,11

МЪО 0,03 0,03 0,41 0 0 0,3

Гидродинамические неравномерности течения реагентов в промышленных реакторах с неподвижным зернистым слоем приводят к тому, что различные слои газосырьевого потока имеют различное время пребывания в реакционной зоне. При этом необходимо учитывать, что в радиальном реакторе линейная скорость при движении по

радиусу изменяется. Изменение линейной скорости приводит к изменению интенсивности тепло- и массообмена между зерном катализатора и ядром потока и, в конечном итоге, изменяются скорости реакций. Вследствие этого конверсия сырья при учете изменения скорости газосырьевого потока по радиусу от периферии к центру оказывается выше, чем без ее учета. Таким образом, недостатком данного типа реакторов является неравномерное распределение потока по высоте слоя катализатора; целевые реакции изомеризации парафинов протекают с уменьшением градиента концентраций и времени контакта при движении к центральной трубе или по длине слоя катализатора (в реакторах с аксиальным вводом сырья). При замене направления движения потока на противоположное в реакторе с радиальным вводом газосырьевого потока в центральную трубу снижение градиента концентраций будет компенсироваться увеличением времени контакта сырья и катализатора.

Рис. 2 - Реактор радиального типа с вводом сырья от центра к периферии

С использованием нестационарной кинетической модели процесса изомеризации ал-канов нами проведен анализ процесса в реакторе радиального типа с целью выбора направления потока - от центра к периферии или в противоположном направлении. В многозонной математической модели зоны образуются сечением коаксиальными цилиндрами для учета изменения объемной и линейной скорости газосырьевого потока при движении по радиусу реактора с радиальным вводом сырья (рисунок 2). Сравнивая различные направления подачи сырья очевидно, что при движении сырья от центра к периферии октановое число на выходе будет выше, чем при движении сырья от периферии к центру (табл. 2).

Табл. 2. Эффективность подачи сырья по раскрывающемуся спектру в реакторе радиального типа

Зона Содержание изопентана, % масс. Октановое число по исследовательскому методу (расчет на модели)

0 13,3 66,75

1 17,37 71,77

2 22,85 75,51

3 29,88 79,35

4 40,77 86,31*

* - фактическое значение октанового числа по исследовательскому методу при подаче сырья от периферии к центру составляет 82,0

Разница в октановых числах при различных направлениях подачи сырья связана с тем, что при подаче сырья по раскрывающемуся сектору снижение градиента концентраций компенсируется увеличением времени контакта сырья и катализатора. Выводы:

1. Применение математических моделей дает возможность изучить влияние и оптимизировать состав сырья с целью повышения эффективности работы промышленных установках изомеризации парафинов;

2. Расчетами с использованием нестационарной кинетической модели установлено, что переобвязка и изменение радиального направления потока в реакторе изомеризации пентан-гекса-новой фракции позволяет увеличить октановое число продукта на 4 пункта.

УДК 665.64

Е.С. Шарова, Д.С. Полубоярцев, С.Н. Николайчук Томский политехнический университет, Томск, Россия

РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ВЫБОРА И ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ Pt-КАТАЛИЗАТОРОВ ПРОЦЕССА РИФОРМИНГА БЕНЗИНОВ

The estimation of kinetic parameters of hydrocarbon transformation reactions on the surface of Pt-catalysts was done on the basis of scientific and applied elaborations. The investigations of catalysts taking into account technological manufacture peculiarities and raw material composition were carried out. The computer modeling system was elaborated. It allows to forecast and to test the industrial catalytic reforming catalysts.

На основе научно -прикладных разработок выполнена количественная оценка кинетических параметров реакций превращения углеводородов бензинов на поверхности Pt-катализаторов. Произведены исследования каталитических контактов с учетом специфических технологических особенностей производств и состава перерабатываемого сырья. Разработана компьютерная моделирующая система, позволяющая выполнять прогноз и тестирование промышленных катализаторов риформинга бензинов.

Каталитический риформинг является одним из базовых процессов газонефтеперерабатывающей промышленности. Уровень технологии процесса, его техническая и экономическая эффективность во многом предопределяют эффективность производства моторных топлив. При этом определяющим фактором эффективности процесса риформинга является активность и стабильность работы Pt-катализаторов. По этой причине как в России, так и за рубежом уделяется много внимания совершенствованию технологий риформинга и разработке более эффективных катализаторов. Внедрение полиметаллических катализаторов третьего поколения обеспечило возможность производства высокооктановых бензинов и позволило более чем в два раза продлить межрегенерационный цикл. Однако до настоящего времени сопоставимая оценка активности, селективности и стабильности Pt-контактов осуществляется с применением лабораторных кинетических методов с последующим их тестированием на опытно-промышленных и даже промышленных установках.

Вместе с тем, развитие методов математического моделирования в практике кинетического и технологического анализа процессов обеспечивает возможность адекватной оценки кинетических параметров различных контактов. Это дает возможность решать задачи прогнозирования показателей текущей и стационарной активности, избирательности и длительности межрегенерационного пробега в условиях промышленной эксплуатации с учетом конструкционных особенностей реакторного блока, активности катализатора и компонентного углеводородного сырья.

Внедрение метода математического моделирования многокомпонентных каталитических процессов газонефтеперерабатывающей промышленности дает возможность решить актуальную задачу обоснованного выбора и сравнительной оценки эффективности Pt-катализаторов. Математическая модель при этом строится на основе

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.