Проектирование установок ат и авт с использованием универсальных моделирующих программ (УМП) Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 665.63, 303.732.4

Э. В. Осипов, Э. Ш. Теляков, О. В. Капитонова, Д. Г. Тукманов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТАНОВОК АТ И АВТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УНИВЕРСАЛЬНЫХ МОДЕЛИРУЮЩИХ ПРОГРАММ (УМП)

Ключевые слова: первичная переработка нефти, установки АВТ, универсальные моделирующие программы.

В статье описывается методика расчёта блока первичной переработки нефти (уставнока АВТ) в среде универсальной моделирующей программы (УМП) ChemCad. Для решения поставленной задачи в УМП была синтезирована расчётная схема типового блока АВТ, описаны методы специфицирования основного технологического оборудования (ректификационные колонны, печи).

Keywords: primary oil processing, simulation programs.

The article describes the method of calculation of primary oil processing unit in an environment simulation program (MP) ChemCad. To solve this problem has been created in ChemCad the scheme of typical unit ofprimary oil refining, describes methods of specifying the main technological equipment (distillation columns, furnaces).

Введение

Блок первичной переработки нефти являются головным блоком любого НПЗ, от работы которого зависит функционирование всего завода и качества выпускаемой на нем продукции. Технологические установки, входящие в состав блока объединены входящими и выходящими материальными потоками и взаимосвязаны между собой, что позволяет рассматривать блок как сложную химико-технологическую систему (СХТС) [1].

При расчёте и проектировании таких СХТС каждый из составляющих её элементов обладает собственными характеристиками, знание которых однако не позволяет определить свойства всей системы. Только совмещение характеристик всех элементов позволяет получить общую интегративную характеристику системы.

Кроме того, исходным сырьем установки является нефть, которая представляет собой сложную непрерывную многокомпонентную смесь, состав которой выражают через кривые разгонки.

Отмеченная сложность технологии и особенности представления состава нефти определяют и сложность расчета самого процесса разделения. Можно утверждать, что более или менее точный расчет процесса в соответствии с современными требованиями нельзя реализовать без применения современных программных продуктов [2, 3]. К ним в первую очередь относятся так называемые универсальные моделирующие программы (УМП), предназначенные для моделирования СХТС.

1. Постановка задачи

Технологические схемы установок первичной перегонки нефти обычно выбираются для определенного варианта переработки нефти -топливного или топливно-масляного. При неглубокой переработке нефти по топливному варианту перегонка ее осуществляется на установках АТ (атмосферных трубчатках); при глубокой переработке - на установках АВТ (атмосферно-вакуумных трубчатках) топливного

варианта и при переработке по масляному варианту на установках АВТ масляного варианта. Если установки АТ имеют один атмосферный блок, то установки АВТ имеют блоки атмосферной и вакуумной перегонки нефти и мазута.

Типовая схема установки АВТ представлена на рис. 1.

отбензинивающая колонна; 2, 5 - печи; 3-атмосферная колонна; 4 - отпарные колонны; 6 -вакуумная колонна; I-нефть с ЭЛЛОУ; II, -углеводородные газы; III - легкий бензин; IV -тяжелый бензин; V-фракция 180...280 0С; VI-фракция 280.350 0С; VII - мазут; VIII-газы на ВСС; IX - легкий вакуумный газойль; X -тяжелый вакуумный газойль; XI - гудрон; XII -водяной пар; ц.о. - циркуляционное орошение

В зависимости от варианта переработки нефти получают различный ассортимент топливных и масляных фракций. На установках АТ при неглубоком топливном варианте и на атмосферных блоках установок АВТ по топливно-масляному варианту переработки получают бензиновые, керосиновые и дизельные фракции; при глубоком топливном варианте переработки нефти на атмосферном блоке установки АВТ получают бензиновые и керосиногазойлевые фракции. Утяжеленный по составу мазут подвергается дальнейшей переработке на блоках вакуумной перегонки с получением одной или нескольких масляных фракций и гудрона. При топливно-

масляном варианте переработки нефти и наличии на заводе установок каталитического крекинга и АВТ большой единичной мощности целесообразно использование комбинированной технологической схемы установки первичной перегонки нефти, обеспечивающей одновременное или раздельное получение из нефти наряду с топливными фракциями широкой и узких масляных фракций.

При решении задач проектирования возникают проблемы рассмотрения технологических аспектов задачи, а так же предполагаемого учета фаз и химических факторов. Решение задач такого уровня возможно только приемами математического моделирования в процессе создания эффективно используется современное УМП. Тем не менее, решение этой задачи связано с большими трудностями уже на стадии формирования [3, 4].

Настоящая работа и посвящена разработке реконструкций по решению задачи моделирования в среде УМП ChemCad.

2. Анализ технологической схемы и синтез расчётной модели

Установка АВТ предназначена для разделения нефти, поступающей на НПЗ с промыслов, с получением топливных и масляных фракций.

В качестве сырьевой установки представляет собой так называемую «непрерывную смесь», которая характеризуется бесконечно большим числом компонентов и задается кривой ИТК(истинная температура кипения). Данная кривая индивидуальна для каждого конкретного сорта нефти и для каждого конкретного месторождения и получается экспериментальными методами .

Основными элементами технологической схемы являются сложные ректификационные колонны, характеризуемые наличием нескольких уровней ввода и вывода сырьевых, продуктовых и тепловых потоков. Само сырье в процессе разделения может претерпевать химическое превращение

(термодеструкция), что естественно меняет состав разделяемой смеси.

Сам процесс разделения в блоке АТ проходит при небольшом избыточном давлении, а в вакуумном блоке под вакуумом (до 30 мм рт.)

В технологической схеме могут присутствовать и выносные от парные колонны, сопряженные с основными, что еще больше усложняет процесс описания всей схемы и ее работы.

Само исходное сырье представляется в виде многокомпонентной смеси (псевдо компонентов). Свойства каждого псевдо компонента определяется его базовыми физико-химическими свойствами (температура кипения, плотность, коэффициент оптического преломления), которые так же определяются экспериментально-расчетным

способом.

На процесс разделения будут оказывать безусловное влияние и кинетические закономерности процесса разделения, которые зависят от конструкционного оформления процесса, что еще более усложняет процесс моделирования.

Математическое моделирование

технологической установки АВТ, синтезированной в среде ChemCad и соответствующий рисунку 1, представлено на рис.2.

®г

-S-

™—Г5!—-Ч-VI ili —■

-21 —

— Ö 1 XII— J4-

Рис. 2 - Расчётная схема блока, синтезированная в ChemCad

При синтезе схемы были использован следующие модули: Fire (аппараты 1 и 5); Tower plus #1 (2, 4, 6), Mixer (7), Divider (8), Controller (9).

УМП позволяет достаточно просто синтезировать рассматриваемую схему, однако наибольшие сложности возникают на этапе закрепления неизвестных переменных

математических моделей параметризации каждого элемента. Число степеней свободы при параметризации модели огромно и не может быть определенно однозначно. Спецификационные параметры математических моделей всех параметров СХТС не должны противоречить друг другу и позволять получить однозначное решение задачи. Подобные задачи могут решаться только итерационными приемами, что предполагает осмысленный перебор назначаемых параметров. В идеале стратегия перебора должна обеспечивать получение оптимального сочетания параметров. В этом случае стратегия проектирования может быть названа оптимальным проектированием, что в свою очередь требует дополнительного использования какой-либо функции цели (минимум эксплутационных, капитальных или приведенных затрат; максимум дохода и др.). В реальном проектировании зачастую приходится решать задачу использования существующего оборудования, что накладывает ограничения на возможность перебора параметров.

3. Характеризация сырьевого потока

На установке АВТ, как правило, выделяются следующие целевые продукты: • Углеводородные газы (до С5 включительно)

• Легкий бензин (начало кипения 85 0С)

• Тяжелый бензин (85-180 С)

• Легкое дизельное топливо (185-275)

• Тяжелое дизельное топливо (275-350)

• Ваккуумный дистиллят (до 360 С)

• Узкие масляные фракции (350-450 С)

• Тяжелые масляные фракции (450-500 С)

• Гудрон (более 500 С)

Комбинация выходящих продуктов и требования к пределам их выкипания могут меняться в разных задачах.

В соответствии с заданием кривая ИТК может быть разбита на целевые фракции (рис.3).

Кривая разгонки нефти

«00 ■ 5 700 с 5 И 600 Л в т 500 6 » 400 ь • 300 I * ;оо 100 ■

[г,„ 1 А

"3 <

—^ /

I Г с ккрнны* '»>{.)>» "1 504&ОеС

щ ¿1 1 1— а

80-360 *с

( К.РАГ-Н "ММ» )

(Л* г* 6«н>и- ] hx.uo« с

20 40 60 вО 1С Доля отгона,%

Рис. 3 - Разбивка исходной кривой на целевые фракции

Указанные выходы фракций являются только потенциально возможными, поскольку в процессе разделения всегда будет иметь место наложения соседних фракций друг на друга. Это будет во многом определяться конструктивными

особенностями оборудования, которые на начало проектирования неизвестны.

Требование к качеству продукции (допустимая величина наложений фракций друг на друга) так же должна быть оговорена в ТЗ.

4. Специфицирование элементов расчётной схемы

На сегодняшний день современные УМП обладают значительной базой данных по тепло-физическим свойствам (ТФС) веществ, а так же методом расчёта ТФС смесей компонентов. Кроме того, в базу данных УМП входят математические модели расчёта отдельных процессов (тепловых, массообменных, химических и т. д.). Как правило, каждому процессу соответствует свой модуль, а комбинация этих модулей в конечном счете и дает совокупную математическую модель

(синтезированная схема) рассматриваемого технологического процесса.

При составлении в УМП расчетной схемы процесса на первый план выходит задание исходных данных, которые и будут определять результат, полученный в ходе расчета.

4.1. Специфицирование печи и отбензинивающей колонны (модули 1 и 2). Так при специфицировании печи 1 (см. рис. 2) для расчета процесса нагрева и определение ТФС нагретой нефти (поток 2) достаточно ввести выходную температуру, а расчётный блок программы, в зависимости от выбранных пользователем моделей расчёта сама рассчитает ТФС.

Далее, согласно технологической схеме (1), нагретая нефть поступает в отбензинивающую колонну, в которой в качестве продуктов отгоняются газы и легкий бензин. В схеме этот блок представлен как модуль 1, который специфицировался в соответствии и данными технологического режима. В частности, для расчёта теплового и материального баланса колонны в

спецификацию модуля задавались следующие исходные данные:

■ конфигурация колонны;

■ число теоретических тарелок, номер тарелки питания;

■ давление верха и перепад давления по колонне;

■ расход и параметры водяного пара, подаваемого в низ колонны;

■ температура и давление в конденсаторе, флегмовое число;

■ местоположение бокового теплообменника;

■ расход среды на последней тарелке.

Конфигурация колонны указывает программе

общую схему колонны: число отпарных секций, циркуляционных орошений, боковых

теплообменников и боковых отборов. Местоположение бокового теплообменника, а так же расход среды на последней тарелке и определяет температуру низа колонны.

4.2. Специфицирование атмосферной колонны (модули 3 и 4)

Спецификация модуля 3 принципиально не отличается от спецификации модуля 1 и соответствует той температуре, до которой нагревается отбензиненная нефть. Далее нагретая нефть поступает в модуль 4, который соответствует атмосферной колонне 3 (рис. 1). В спецификацию модуля были введены следующие исходные данные:

■ конфигурация колонны;

■ число теоретических тарелок, номер тарелки питания;

■ давление верха и перепад давления по колонне;

■ расход и параметры водяного пара, подаваемого в низ колонны;

■ для каждой отпарной секции были введены: число тарелок, номера тарелок отбора и возврата, расход и параметры водяного пара и массовый расход продукта, отходящего с низа стриппинга;

■ температура и расход циркуляционного орошения;

■ отбора и возврата циркуляционного орошения.

Цируляционное орошение можно и задать путем ввода теплосъема (тепловой нагрузки) и расхода (температуры), тогда программа сама рассчитает температуру (расход) циркуляцинного орошения.

4.3. Специфицирование вакуумной колонны (модули 3 и 4)

Как известно, в процессе разделения мазута под вакуумом в змеевиках печи протекает процесс термической деструкции, в ходе которого образуются газы состава С1-С5. Смеситель 7 моделирует процесс термодеструкции и ввод водяного пара путем смешения с исходным потоком (поток 10) дополнительных потоков - газов разложения (поток 13) и водяного пара, подаваемого в змеевики печи (поток 15). Для сохранения материального баланса исходный поток 10 должен быть уменьшен на величину расхода газов разложения. В модели это осуществляется путём ввода в схему делителя 8 и контроллера 9. Делитель

8 отводит из потока 10 (поток мазута после печи) количество мазута, равное расходу газов разложения, а его спецификация определяется контроллером 9.

Более точно процесс термодеструкции может быть смоделирован путем ввода в схему реактора и введения данных по реакции. Однако именно запись самой реакции очень трудоёмкая задача, которая на сегодняшний день решена только эмпирически путем обобщения экспериментальных данных. Сама же реакция не записана, так как сама смесь (мазут) многокомпонентна и непрерывна и нет данных, какие вещества разлагаются при нагреве.

В спецификацию модуля 6 были введены следующие исходные данные:

■ конфигурация колонны;

■ число теоретических тарелок, номер тарелки питания;

■ давление верха и перепад давления по колонне;

■ расход и параметры водяного пара, подаваемого в низ колонны;

■ температуры и расходы циркуляционных орошений;

■ номера тарелок отбора и возврата циркуляционных орошений;

■ номера тарелок отбора боковых продуктов.

5. Результаты и обсуждения

После введения всей необходимых данных программа рассчитывает материальный и тепловой балансы, а так же расчетные кривые ИТК продуктовых потоков. Тогда кривая рис. 3 может принять следующий вид.

Рис. 4 - Расчётные кривые ИТК продуктов и их наложение на исходную кривую.

Пояснение к рис. 4: лб - легкий бензин; тб - тяжелый бензин; лвг - легкий вакуумный газойль; твг - тяжелый вакуумный газойль.

Как было описано ранее, одним из основных исходных данных, вводимых в спецификации модулей, является число тарелок. В данном случае речь идет о «теоретических тарелках», эффективность которых по умалчиванию равна 1. Но, как известно, в реальном процессе достижение парожидкостного равновесия невозможно, поэтому при расчётах в спецификацию модулей должна вводится величина «эффективности» работы тарелки.

В УМП ChemCad есть возможность ввода профиля ввода эффективности контактных

устройств, а так же предусмотрен проектный и поверочный расчёт геометрии как тарелки, так и насадки. Однако когда речь идет об эффективности тарелки, речь идёт о кпд по Мерфри, что является не совсем верным. Это накладывает серьезные ограничения на применение УМП.

Согласно рис. 1, аппараты взаимосвязаны между собой различными рецикловыми потоками, которые на рис. 2 не указаны. Все дело в том, что все рецикловые потоки «спрятаны» внутри модуля и рассматриваются как внутренние потоки аппарата. Это не снижает точности вычислений, однако накладывает ограничения на поверочные расчёты насосного теплообменного оборудования.

В УМП ChemCad предусмотрены программы поверочного и проектного расчёта оборудования, однако если рассчитывать его как часть колонны, то энергетический (тепловой) и материальный балансы не изменяются, что должно учитываться при точном моделировании процесса.

Заключение

Даже предварительный расчёт столь сложной системы, каковой и является блок ЭЛОУ-АВТ, является очень трудоемкой и сложной задачей, которую невозможно решить без использования средств математического моделирования и УМП.

Если же учитывать что отдельные блоки проектируют и строят различные предприятия, то становится очевидно, что реально действующие установки будут отличаться от своих проектных значений. Для сглаживания этого вводится так называемый «коэффициент запаса». Например, при проектировании системы создания вакуума (ВСС) в техническом задании, как правило, указывается, что ВСС должна осуществлять откачку при 120% [5, 6] от номинальной нагрузки на блок. Здесь имеется в виду нагрузка по нефти, но на практике производители ВСС увеличивают

производительность на 20% от той, что указана в техническом задании, то есть парогазовой смеси (ПГС), отходящей с верха вакуумной колонны.

Состав и расход ПГС зависят не только мощности ВСС, но и от эффективности работы контактных устройств, нагревательных печей, а так же от состава нефти, поступающей на переработку в НПЗ. В то же время, НПЗ проектируются под «усреднённый состав нефти», что приводит к увеличению затрат на проведение процесса. Поэтому не всегда производители ВСС могут правильно оценить работу ВСС при повышенной нагрузке на блок, что заставляет их увеличивать мощность системы и повышать энергопотребление установки.

Таким образом, обобщая все

вышеперечисленное, можно сделать вывод о том, что основной задачей при расчете и проектировании химического, нефтехимического и

нефтеперерабатывающего производства с использованием УМП основная задача проектировщика является введение в систему корректных исходных данных в программу и адекватная оценка полученных результатов.

Литература

1. Э.В. Осипов, Э.Ш. Теляков, С.И. Поникаров, К.С. Садыков Энергосберегающая технология создания вакуума в ректификационной колонне установки АВТ // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. М.: «Техинформ» МАИ, 2011, C. 31-35

2. Э.В. Осипов, Л.Э. Осипова. Расчет эжекционной системы аспирации воздуха с помощью универсальной моделирующей программы Chem Cad // Вестник Казанского технологического университета. №9; 2014. -С. 221-223

3. Э.В. Осипов, Х.С. Шоипов, Э. Ш. Теляков. Реконструкция вакуумсоздающей системы (ВСС) колонны разделения мазута К-3 ТПП «Когалымнефтегаз» (ОАО «Лукойл - Западная Сибирь) // Вестник Казанского технологического университета. №3; 2014. - C. 209-212.

4. Э.В. Осипов, Х.С. Шоипов, Э. Ш. Теляков. Технологическое обследование вакуумной ректификационной колонны разделения мазута К-3 ТПП «Когалымнефтегаз» (ОАО «Лукойл - Западная Сибирь) // Вестник Казанского технологического университета. №21, 2013. - С. 283-286.

5. Э. В. Осипов, Е.А. Ефремов, Д.И. Кашифразов, Л.Э. Осипова. Влияние режимных параметров работы колонны разделения мазута на характеристику вакуумсоздающей системы // Вестник Казанского технологического университета. №20; 2014. - С. 259-261

6. Э.В. Осипов, Э.Ш., Теляков, Т.С. Козырева, Э.Б. Мац. Алгоритмы учёта конденсации при истечении конденсируемого рабочего тела через активное сопло газового эжектора // Вестник технологического университета. 2012. Т. 15. № 19. С. 101-104.

© Э. В. Осипов - канд. техн. наук, доцент каф. МАХП КНИТУ, eduardvosipov@gmail.com; Э. Ш. Теляков - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; О. В. Капитонова - магистрант той же кафедры; Д. Г. Тукманов - канд. техн. наук, доцент, инженер отдела НИОКР ООО СВУ

© Е. V. Osipov, PhD, docent of Mechanical Engineering for Chemical Industry, KNRTU, eduardvosipov@gmail.com; E. Sh. Telyakov, Doctor of technical science, professor of department "Mechanical Engineering for Chemical Industry", KNRTU; O. V. Kapitonova, master student of department "Mechanical Engineering for Chemical Industry", KNRTU; D. G. Tukmanov, PhD, Engineer R & D department, JSB SVY.