CC BY
68
9. Ryzhkov, S. S. Expert system of estimation for the environmental risk levels of hazardous facilities of a shipbuilding plant [Елект-роний ресурс] / S. S. Ryzhkov, I. V. Timchenko // Вюник НУК. — 2012. — № 2(14). — Режим доступу: \www/URL: http://evn.nuos.edu.ua/article/download/22593/20214 10. Саати, Т. Принятие решений — метод анализа иерархий [Текст] / Т. Саати. — М.: Радио и связь, 1993. — 278 с.
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИМИ РИСКАМИ ПРИ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ПО ТЕХНОЛОГИИ «ЭКОПИРОГЕНЕЗИС»
В статье представлена структура автоматизированной системы управления экологическими рисками при утилизации отходов по технологии «Экопирогенезис». Предложено алгоритм функционирования системы управления экологическими рисками и методику многокритериальной оценки факторов экологической опасности при эксплуатации оборудования технологии термической утилизации органических отходов. Представлены результаты оценки факторов по уровню опасности на основе метода анализа иерархий согласно сформированных критериев.
Ключевые слова: экологические риски, факторы экологической опасности, пиролиз, аварии, анализ иерархий.
Маркша Людмила Миколагвна, кандидат технчних наук, доцент, кафедра екологлчног безпеки та охорони пращ, Нащо-нальний утверситет кораблебудування ж. адмiрала Макарова, Миколагв, Украгна, e-mail: markserg@ukr.net. Тимченко 1нна BiKmopieHa, кандидат техтчних наук, доцент, кафедра екологлчног безпеки та охорони пращ, Нащональний утверситет кораблебудування 1м. адмiрала Макарова, Миколагв, Украта, e-mail: inna.tymchenko@nuos.edu.ua.
Маркина Людмила Николаевна, кандидат технических наук, доцент, кафедра экологической безопасности и охраны труда, Национальный университет кораблестроения им. адмирала Макарова, Николаев, Украина.
Тимченко Инна Викторовна, кандидат технических наук, доцент, кафедра экологической безопасности и охраны труда, Национальный университет кораблестроения им. адмирала Макарова, Николаев, Украина.
Markina Liudmyla, Admiral Makarov National University of Shipbuilding, Mykolaiv, Ukraine, e-mail: markserg@ukr.net. Timchenko Inna, Admiral Makarov National University of Shipbuilding, Mykolaiv, Ukraine, e-mail: inna.tymchenko@nuos.edu.ua
УДК ББ5.Б4
001: 10.15587/2312-8372.2015.40592
Левчук И. Л. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ
КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА ПУТЕМ ОПТИМАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР НА ВХОДАХ РЕАКТОРОВ
В работе исследовано влияние температуры реакционной смеси на входах реакторного блока каталитического риформинга на приращение ароматических углеводородов в реакционной смеси. Предложен новый способ и алгоритм управления процессом каталитического риформинга, путем оптимального распределения температур реакционной смеси на входах реакторного блока в зависимости от ароматизации сырья, чувствительности процесса по каналу управления температурой и требуемой жесткости ведения процесса.
Ключевые слова: каталитический риформинг, управление, оптимальное распределение температур, жесткость процесса.
1. Введение
Бензины являются одним из основных видов горючего для двигателей современной техники. Производство бензинов — важнейшая отрасль нефтеперерабатывающей промышленности Украины, в значительной мере влияющая на экономическое развитие нашей страны. Каталитический риформинг — важнейшая стадия получения высокооктанового компонента моторных топлив, а также индивидуальных ароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилолов), используемых в нефтехимии и промышленного водорода.
Мировые тенденции изменения цен на нефтепродукты показывают, что исследования направленные на увеличение производительности, а следовательно и технико-экономических показателей процесса каталитического риформирования бензинов, в настоящее
время особенно актуальны. Совершенствование способа управления — один из очевидных вариантов увеличения производительности технологического процесса.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
Проблеме автоматизации каталитического риформинга и разработке систем оптимального управления, базирующихся на математических моделях, посвящено достаточное количество исследований и публикаций, среди которых можно выделить работы таких ученых, как J. Crane [1], J. M. Smith [2], Ю. М. Жоров [3], С. А. Ах-метов [4]. Авторы работ [3-6] сходятся во мнении, что производительность и технико-экономические показатели установки каталитического риформинга в значительной мере зависят от способа управления данным процессом.
технологический аудит и резервы производства — № 2/4(22], 2015, © Левчук И. Л.
Известно, что химические реакции, обеспечивающие протекание процесса каталитического риформинга имеют различные значения энергий активации [4]. Наибольшие для реакций гидрокрекинга (117...220 кДж/моль) и меньшие для реакций ароматизации (92.158 кДж/моль). При повышении температуры реакции гидрокрекинга ускоряются в большей степени, чем реакции ароматизации, что ведет к ускорению закоксовывания катализатора, без пропорционального приращения ароматических углеводородов в риформате. В литературе [4] рекомендуется поддерживать повышающийся температурный режим в каскаде реакторов, это позволяет уменьшить роль реакций гидрокрекинга в первых двух реакторах, повысить селективность процесса и увеличить выход риформата при заданном его качестве.
В первую очередь это связано с тем, что для разработки такой методики необходимо контролировать углеводородный состав риформата (содержание ароматических углеводородов) на выходе каждого реактора. Подобный анализ проводится в лабораторных условиях и занимает длительное время [8], что делает его непригодным для применения в современных автоматизированных системах управления процессом каталитического риформин-га, реализующих режимы реального и квазиреального времени на различных уровнях системы.
Наличие уточненной математической модели процесса каталитического риформинга, представленной в [9, 10] позволяет с достаточной точностью определять углеводородный состав реакционной смеси на выходе каждого реактора расчетным путем.
47
# 46 -
Й 45 -
44 -
43 -
42
41
40 -
3. Объект, цель и задачи исследования
Объект исследования — процесс каталитического ри-форминга бензинов в каскаде реакторов.
Целью данной работы является разработка способа управления процессом каталитического риформинга, путем оптимального распределения температур реакционной смеси на входах реакторного блока в зависимости от ароматизации сырья, чувствительности процесса по каналу управления температурой и требуемой жесткости ведения процесса.
Для достижения поставленной цели необходимо решить такие задачи:
1. Исследовать влияние температуры реакционной смеси на входах реакторного блока, на приращение ароматических углеводородов в реакционной смеси на выходах отдельных реакторов каталитического ри-форминга. По результатам исследования разработать метод определения оптимальных температур реакционной смеси на входах реакторного блока.
2. Осуществить постановку задачи оптимального управления процессом на основании технико-экономического анализа работы установки рифор-
минга и предложить метод ее решения.
3. Разработать алгоритм расчета оптимальных режимов и способ управления процессом каталитического риформинга, путем оптимального распределения температур смеси на входах реакторов и с учетом требуемой жесткости ведения процесса.
4. Материалы и методы исследований процесса каталитического риформинга
В настоящее время не существует методов, позволяющих определить точное значение температуры реакционной смеси на входе каждого реактора каталитического риформинга, обеспечивающее оптимальный, с точки зрения ароматизации сырья баланс интенсивности реакций ароматизации и гидрокрекинга [5-7].
5. Результаты исследований процесса каталитического риформинга
По математической модели было исследовано влияние температуры реакционной смеси на входе в каждый реактор на приращение ароматических углеводородов в риформате на выходе реакторов. Обобщенные результаты исследования представлены в виде графиков на рис. 1.
39 -
38
Ррпктпр 3
Tljpt
.....\2 0 rii...........
— Ррпкшпп ?
Репк mnp 1
y—
1 Dpi
475 480
485 430 495 500 505 510 515 520 525 Температура смеси на входах реакторов Р1, Р2, РЗ, "С
530 535
Рис. 1. Зависимость приращения ароматических углеводородов на выходе реакторов каталитического
риформинга от температуры
Анализ полученных зависимостей позволил сделать следующие выводы. Для каждого реактора каталитического рифрминга существует некоторое оптимальное (с точки зрения приращения ароматики) значение температуры исходной смеси (Т_Ор^, превышение которого не дает заметного увеличения ароматизации сырья, однако увеличивает скорость дезактивации катализатора из-за ускорения реакций гидрокрекинга, способствующих образованию кокса на его поверхности.
В теории и практике каталитического риформинга используется понятие «жесткость» для определения режима ведения процесса, обеспечивающего получение катализата с определенным октановым числом, причем более высокому числу соответствует более жесткий режим каталитического риформинга. В зависимости от выбранного способа управления это достигается за
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 2/4(22], 2015
57 ■
J
счет повышения температурного режима в реакторах, либо путем изменения давления в реакторном блоке.
Очевидно, что в зависимости от выбранной жесткости ведения процесса, точка оптимума температур будет смещаться в сторону более низких или более высоких температур для каждого реактора, в зависимости от желаемой производительности установки каталитического риформинга и желаемой длительности меж-регенерационного цикла катализатора. Следовательно, при определении оптимальной температуры смеси на входе каждого реактора необходимо учитывать текущую жесткость ведения процесса. При этом чувствительность процесса по каналу управления температурой смеси на входе отдельного реактора может использоваться для расчета по математической модели граничного приращения ароматических углеводородов на выходе реактора, достижение которого показывает, что дальнейшее увеличение температуры на входе реактора не является эффективным с точки зрения текущей жесткости ведения процесса.
Для решения поставленной задачи в работе использовался условный параметр названный «коэффициент жесткости процесса», который будучи введен в ограничения при решении задачи оптимального управления процессом, позволяет определить момент достижения оптимального значения температуры смеси на входе каждого реактора, с учетом желаемой жесткости ведения процесса.
Kg=(1 -Af;c),
Таблица 1
Результаты обработки полученных графических зависимостей, приведенных на рис. 1
№ реактора Максимальное приращение ароматических углеводородов в реакторе АГтах, % Граничное приращение ароматических углеводородов в реакторе А Г,°с, % Точка оптимума температур T_Opt, °C Коэффициент жесткости процесса Кд
Реактор 1 3,28 0,25 493 0,85
Реактор 2 4,83 0,25 507
Реактор 3 7,49 0,25 528
На основании технико-экономического анализа функционирования установки каталитического риформинга Одесского НПЗ произведена постановка задачи оптимального управления процессом каталитического риформинга. Это задача максимизации выхода катализата при пяти ограничениях по температуре, кратности циркуляции, октановому числу, жесткости ведения процесса и нагрузке реакторного блока:
ЦП
vh
>тах,
(2)
(1)
где Кё — коэффициент жесткости процесса; —
граничное приращение ароматических углеводородов на выходе реактора при изменении температуры смеси на входе на 1°С.
Коэффициент Кё изменяется в диапазоне 0...1 и характеризует теоретическую максимальную жесткость ведения процесса при Кё = 1 и минимальную жесткость ведения процесса при Кё = 0. В процессе работы системы управления процессом каталитического риформинга, данный коэффициент выбирается и задается вручную оператором системы.
На рис. 1 точка оптимума температур смеси на входах реакторов отмечена в соответствии со значением коэффициента жесткости Кё = 0,85, что отражено в табл. 1.
Дальнейший анализ графических зависимостей представленных на рис. 1 с учетом полученной в формуле (1) зависимости показал, что при высокой жесткости ведения процесса (Кё > 0,5) точка оптимума температуры исходной смеси для третьего реактора каталитического риформинга всегда близка, а в ряде случаев и превышает технологическое ограничение установки по температуре реакционной смеси в 530 °С, установленное регламентом. Что объясняется наибольшим количеством катализатора в последнем реакторе реакторного блока. Это позволяет сделать вывод, что для достижения максимальной производительности установки каталитического риформинга, температуры смеси на входах первого и второго реакторов необходимо рассчитывать в соответствии с выбранным критерием оптимальности, а температуру смеси на входе последнего реактора поддерживать постоянной и максимально допустимой для выбранного типа установки риформинга.
при ограничениях:
T • < Ti < T i = 13
L min ^ L n ^ L max > L nh min < nh < nh max ,
Ok = Ok0, Kg < Kgo,
G0min < G0 < G0max >
(3)
где \(ТП,Gvh) — целевая функция выхода катализата, максимизируемая на множестве параметров оптими-зации;Т„г, Т„п, Ттах — вектор варьируемых входных температур (I = 1...3) и границы диапазона варьирования (Т„п = 480 °С, Ттах = 530 °С). Нижний предел определяется температурой зажигания катализатора, а верхний его тепловой стойкостью; Па ™п, Па тах — текущее и предельные значения кратности циркуляции (соотношения водородосодержащий газ (ВСГ)/сырье); О^ Оko — текущее и заданное значение октанового числа; Кё, Ко — текущее и заданное значение коэффициента жесткости процесса (1); G0, G0min, G0max — нагрузка реакторного блока по объемному расходу гидрогенизата.
Так как целевая функция в некоторых точках имеет разрывы, вызванные сменой шага интегрирования при работе алгоритма Рунге-Кутта-Мерсона в математической модели [9, 10], для решения задачи оптимизации использовался метод Хука-Дживса. Разработанный обобщенный алгоритм расчета оптимальных режимов процесса по математической модели каталитического риформинга представлен на рис. 2.
На вход алгоритма оптимизации поступают следующие данные:
С технологического объекта: Ть Т2, Т3 — температуры реакционной смеси на входах реакторного блока; Gvt¡ — объемный расход ВСГ на входе реакторного блока.
С
58
технологический аудит и резервы производства — № 2/4(22], 2015
J
Из математической модели: Ya 1, 1й2, Уа3 — приращение ароматических углеводородов в реакционной смеси на выходах реакторов; X — прогнозируемый по модели выход катализата; Ок — рассчитанное по модели октановое число риформата на выходе реакторного блока.
С АРМ оператора задается: К§0 — коэффициент жесткости ведения процесса;Ок0 — ограничение по октановому числу.
Рис. 2. Алгоритм расчета оптимальных режимов процесса каталитического риформинга
В качестве настроек на вход алгоритма оптимизации также передаются вектора, описывающие верхние и нижние границы оптимизируемых переменных.
Для минимизации ошибки расчета оптимальных режимов, перед вводом исходных данных алгоритм оптимизации инициирует уточнение настроечных коэффициентов Кс, учитывающих активность катализатора в математической модели. После чего циклически для каждого реактора начинает рассчитываться температура реакционной смеси на входе, обеспечивающая максимальное, с учетом принятых ограничений, приращение ароматических углеводородов на выходе реактора. Для этого используется метод Хука-Дживса, дополненный подпрограммой контроля границ варьируемых параметров.
После окончания цикла расчета оптимальных температур, вычисляется значение расхода ВСГ, обеспечивающее максимизацию выхода катализата с учетом заданного ограничения по октановому числу.
Рассчитанные оптимальные значения температур смеси на входах реакторов и расхода ВСГ передаются в подсистему автоматического регулирования САР, в качестве заданий реализованным там регуляторам.
6. Обсуждение результатов исследований процесса каталитического риформинга
Для подтверждения актуальности полученных результатов, методами имитационного моделирования по математической модели была выполнена экспериментальная апробация предложенного алгоритма расчета оптимальных режимов процесса, на основе опытных данных полученных с установки каталитического ри-форминга Одесского НПЗ. По результатам апробации установлено увеличение выхода катализата в среднем на 3-5 % для всех исследованных базовых режимов процесса.
Предложенный в работе метод определения оптимальных температур на входах реакторов, алгоритм расчета оптимальных режимов и способ управления на его основе могут использоваться в составе математического, алгоритмического и программного обеспечения АСУТП каталитического риформинга на отечественных НПЗ, для увеличения производительности данного процесса.
Представленные в работе материалы и результаты исследований актуальны для установок каталитического риформинга со стационарным слоем катализатора. Возможность использования этих материалов для установок с непрерывной регенерацией катализатора требует проведения дополнительных исследований.
7. Выводы
1. В результате проведенного исследования установлено, что граничное приращение ароматических углеводородов на выходе каждого реактора при фиксированном изменении температуры реакционной смеси на входе позволяет определить оптимальное, с точки зрения выбранной жесткости ведения процесса распределение температур на входах реакторного блока и таким образом увеличить производительность установки каталитического риформинга. Для определения оптимальных температур реакционной смеси на входах реакторов, обеспечивающих наилучшее соотношение интенсивности протекания реакций ароматизации и гидрокрекинга в реакторах, в работе предложено использовать условный параметр — коэффициент жесткости ведения процесса.
2. На основании технико-экономического анализа работы установки риформинга Одесского НПЗ выполнена постановка задачи оптимального управления процессом в виде функции выхода катализата при пяти ограничениях по температуре, кратности циркуляции, октановому числу, жесткости ведения процесса и нагрузке реакторного блока. Предложен способ решения задачи оптимизации на основе метода нелинейной оптимизации Хука-Дживса, дополненного процедурой контроля границ варьируемых параметров.
3. Разработан алгоритм расчета оптимальных режимов процесса и способ управления на его основе, обеспечивающий увеличение выхода целевого продукта — катализата в среднем на 3-5 %, что подтверждено результатами экспериментальной апробации.
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 2/4(22], 2015
Литература
1. Крейн, Дж. Труды IV Международного нефтяного конгресса [Текст] / Дж. Крейн. — М.: Гостоптехиздат, 1961. — 34 с.
2. Smith, J. M. Chemical engineering kinetics [ТехЦ / J. M. Smith. — McGraw-Hill, 1981. — 676 p.
3. Жоров, Ю. М. Расчеты и исследования химических процессов нефтепереработки [Текст] / Ю. М. Жоров. — М.: Химия, 1973. — 213 с.
4. Ахметов, С. А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа [Текст]: учебное пособие / С. А. Ахметов и др.; под ред. С. А. Ахметова. — СПб.: Недра, 2006. — 868 с.
5. UOP Platforming Process. Operations Handbook [ТехЦ. — Illinois, USA: UOP. Des Planies, 1997. — 390 p.
6. Gumen, M. I. Increasing of the Efficiency of the Riforming LG-35-11/300 [Тех^ / M. I. Gumen et al. // Petroleum Processing and Petrochemistry. — 2001. — № 11. — P. 54-57.
7. Кузьмина, Р. И. Каталитический риформинг углеводородов [Текст]: справочник / под ред. проф. Р. И. Кузьминой. — Саратов: СУИ МВД России, 2010. — 252 с
8. Perdih, A. Chemical Interpretation of Octane Number ^ext] / A. Perdih, F. Perdih // Acta Chim. Slov. — 2006. — № 53. — P. 306-315.
9. Левчук, И. Л. Разработка математической модели процесса каталитического риформинга в каскаде реакторов [Текст] / И. Л. Левчук // Збiрник наукових праць НГУ. — 2012. — № 39. — С. 122-127.
10. Левчук, И. Л. Разработка и идентификация уточненной математической модели процесса каталитического рифор-минга [Текст] / И. Л. Левчук // Науковий вюник НГУ. — 2013. — № 2. — С. 79-85.
УПРАВЛШНЯ ПР0ЦЕС0М КАТАЛОТИЧНОГО РИФОРМШГУ шляхом ОПТИМАЛЬНОГО РОЗПОДМУ ТЕМПЕРАТУР НА ВХОДАХ РЕАКТОРНОГО БЛОКУ
У робот дослщжено вплив температури реакцшно! сум™ на входах реакторного блоку катал^ичного риформшгу на прирощення ароматичних вуглеводшв в реакцшнш сумшь Запропоновано новий споаб i алгоритм управлшня процесом каташтичного риформшгу, шляхом оптимального розподшу температур реакцшно! сумiшi на входах реакторного блоку в залежносл вщ ароматизацп сировини, чутливост процесу по каналу управлшня температурою i необхщно! жорсткост ведення процесу.
Ключовi слова: катал^ичний риформшг, управлшня, опти-мальний розподш температур, жорсткють процесу.
Левчук Игорь Леонидович, кандидат технических наук, доцент, кафедра компьютерно-интегрированных технологий и метрологии, ГВУЗ «Украинский государственный химико-технологический университет», Днепропетровск, Украина, e-mail: lil@ukrpost.ua.
Левчук 1гор Леотдович, кандидат техтчних наук, доцент, кафедра комп'ютерно-ттегрованих технологш та метрологи, ДВНЗ «Украгнський державний хжжо-технологлчний утверси-тет», Днтропетровськ, Украта.
Levchuk Igor, Ukrainian State University of Chemical Technology, Dnepropetrovsk, Ukraine, е-mail: lil@ukrpost.ua
УДК 62 - 843.6 + 62-144.3 БШ: 10.15587/2312-8372.2015.40616
ТЕ0РЕТИЧНЕ Д0СЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ 0З0НУВАННЯ НА ВМ1СТ САЖ1 У В1ДПРАЦЬ0ВАНИХ ГАЗАХ ДИЗЕЛЯ
В данш статтгрозглянуто вплив озонування палива на процес згоряння нафтового дизельного пального та дизельного пального бюлоггчного походження. Проведено теоретичне дослгдження озонування дизельного палива. Наведено методику та результати розрахунку температури, вмкту сажг та швидкостг п утворення в камерг згоряння та у вгдпрацьованих газах дизеля.
Клпчов1 слова: дизельне пальне, бюдизель, МЕРО, сажа, сажовидглення.
Пилипенко 0. М., Рубан Д. П., В1рьовка Д. I., Голубов 0. С.
1. Вступ
Збшьшення об'ему випуску автомобтв з дизелями пов'язане зi створенням енергоекономiчних двигушв, як ввдповвдають вимогам щодо токсичност ввдпра-цьованих газiв (ВГ) та рiвня шумность Порiвняння рiзних двигушв внутршнього згоряння тдтверджуе перевагу двигуна з самозапалюванням вщ стиску як за економiчнiстю, так i за порiвняно малою чутливш-тю до фiзико-хiмiчних змш застосовуваного пального. Порiвняно з бензиновим дизель мае бшьшу загальну ефектившсть, бiльшу надiйнiсть та бiльш висою еколо-гiчнi показники (нижча емiсiя токсичних компонентiв у вiдпрацьованих газах) [1].
Полшшення експлуатацiйних показникiв дизелiв не-можливе лише шляхом вдосконалення систем впорску-вання пального, очистки та нейтралiзацii вiдпрацьованих газiв. Тому виникае необхщтсть у вдосконаленнi процесiв
сумшоутворення та горiння пально'i сумiшi. Перспек-тивним методом впливу на процес горшня пального е активацiя пально'i сумiшi шляхом його попереднього озонування.
2. Анал1з л1тературних даних та постановка проблеми
Теоретичш та експериментальнi дослщження впливу озону на вуглеводневе паливо, в тому чи^ дизельне були здшснювались як в Украiнi та крашах СНД [2, 3], так i в iнших кра'iнах [3, 4]. Дослiдниками Ноженко Е. С. та Пшатовим А. Ю. здшснено ряд експериментальних дослiджень, що мали на мет визначення фiзико-кiне-тичних та експлуатацшних характеристик дизельного палива обробленого дозою озону.
Дослщження впливу озонування на показники дим-ностi вiдпрацьованих газiв дизеля, що працюе на пальному
60 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 2/4(22], 2015, © Пилипенко О. М., Рубан Д. П.,
BipbOBKa Д. I., Голубов □. С.
