Відомо, що роль нафти в сучасному світі винятково важлива, оскільки в основі всіх галузей виробництва лежить енергетика. Нафта це рідка речовина, що добувається з надр землі і використовується при виробництві палива
 Скачать 3.26 Mb.
|
ВСТУПВідомо, що роль нафти в сучасному світі винятково важлива, оскільки в основі всіх галузей виробництва лежить енергетика. Нафта - це рідка речовина, що добувається з надр землі і використовується при виробництві палива. У її складі є не лише вуглеводні, але також азот, сірка і кисень. Після переробки такої сировини виходить те, що прийнято називати нафтопродуктами. Досягається це шляхом ділення нафти на фракції. Традиційні процеси автоматизації нафтогазової промисловості діляться на три основні напрямки: автоматизація видобутку нафти (газу), автоматизація переробки нафти (газу), автоматизація транспортування нафти (газу). Варто виділити напрямок переробки нафти (газу), як один з найбільш складних і відповідальних процесів. Продукти переробки нафти можуть бути твердими і газоподібними. Вони знайшли широке застосування в різних галузях. Основна відмінність між ними полягає в тому, що кожна речовина має свій набір вуглеводнів. Нафтова продукція досить різноманітна. До неї відносяться не тільки бензин і дизельне паливо, але також керосин, масла, бітум, мазут, поліетилен і ціла серія інших продуктів. Можна з повною впевненістю сказати про те, що пов'язані з нафтопереробкою матеріали зустрічаються всюди, і людство поки не може обійтись без такого цінного природного ресурсу. Звичайно, автоматизація нафтопереробної промисловості дуже розвинена. Але технології розвиваються і, в умовах жорсткої конкуренції і швидко мінливої ситуації на ринку підприємств нафтогазової галузі, виникає необхідність підвищення ефективності виробництв нафтогазової сфери за допомогою впровадження надійних систем автоматизації і управління технологічними процесами. Одним з важливих завдань переробки нафти є ділянка первинної переробки нафти, особливо ректифікаційна колона К-2. Метою технологічного процесу первинної перегонки нафти є одержання різноманітного асортименту фракцій, призначених для подальшої переробки в товарні продукти. Завдання даного проекту обмежено створенням компьютерно-інтегрованої системи управління для атмосферної колони К-2.
Звичайна сира нафта зі свердловини - це зеленувато-коричнева легко займиста масляниста рідина з різким запахом. Після видобутку вона зберігається у великих резервуарах, звідки транспортується танкерами або по трубопроводах у резервуари переробних заводів. На багатьох заводах різні типи сирої нафти розділяються по властивостям відповідно до результатів попередньої лабораторної переробки. Вона вказує приблизну кількість бензину, гасу, мастил, парафіну і мазуту, яку можна виробити з даної нафти. Хімічно нафти дуже різні і змінюються від парафінових, які складаються здебільшого з парафінових вуглеводнів, до нафтенових або асфальтенових, які містять в основному циклопарафінові вуглеводні; існує багато проміжних або змішаних типів. Парафінові нафти в порівнянні з нафтеновими або асфальтеновими звичайно містять більше бензину і менше сірки і є головною сировиною для одержання мастил і парафінів. Нафтенові типи сирої нафти, загалом, містять менше бензину, але більше сірки і мазуту, а також асфальту. Сира нафта містить деяку кількість розчиненого газу, що відповідає по сполуці та будові природним газам і складається з легких парафінових вуглеводнів. Рідка фаза сирої нафти містить сотні вуглеводнів та інших сполук, що мають точку кипіння від 38° С до приблизно 430°С, причому процентний вміст кожного з вуглеводнів невеликий. Наприклад, бензинова фракція може містити до 200 індивідуальних вуглеводнів, однак у типовому бензині присутнє лише близько 60 вуглеводнів – від метану з температурою кипіння 161° С до мезитилена (ароматичного вуглеводню) з температурою кипіння 165°С. Вони включають парафіни, циклопарафіни і ароматичні сполуки, але олефіни відсутні. Тому всі горючі нафтові продукти підрозділяються на фракції по температурних межах їхнього кипіння і по густині, а не по хімічному складу.[5] На початкових етапах розвитку нафтохімічної промисловості сира нафта піддавалася так званій періодичній перегонці у вертикальному циліндричному перегінному апарату. Процеси дистиляції були неефективні, тому що були відсутні ректифікаційні колони і не виходило чистого поділу продуктів перегонки.Розвиток процесу періодичної перегонки призвів до використання загальної ректифікаційної колони з різних тарілок якої відбиралися дистиляти з різною температурою кипіння. Ця система використовується і сьогодні. Поступаюча нафта нагрівається в змійовику приблизно до 320° С, і розігріті продукти подаються на проміжні рівні в ректифікаційній колоні. Така колона може мати від 30 до 60 розташованих з певним інтервалом піддонів і жолобів, кожний з яких має ванну з рідиною. Через цю рідину проходять пари, що піднімаються, які обмиваються стікаючим униз конденсатом. При належному регулюванні швидкості зворотного стікання (тобто кількості дистилятів, що відкачуються назад у колону для повторного фракціонування) можливе одержання бензину нагорі колони, гасу і світлих горючих дистилятів точно певних інтервалів кипіння на послідовно, що знижуються рівнях. Звичайно для того, щоб поліпшити подальший поділ, залишок від перегонки з ректифікаційної колони піддають вакуумної дистиляції. Головним процесом переробки нафти є атмосферна перегонка, на якій відбираються паливні фракції (бензинові, освітлювального гасу, реактивного і дизельного палив) і мазут, використовуваний або як компонент котельного палива, або як сировина для наступної глибокої переробки. Бензин – найважливіший продукт переробки нафти – із сирої нафти виробляється до 50% бензину. Ця величина включає природний бензин, бензин крекінг-процесу, продукти полімеризації, зріджені нафтові гази і всі продукти, використовувані в якості промислових моторних палив. Кожному процесу переробки нафти пред'являються вимоги по кількості і якості виробленого бензину. Промисловий бензин являє собою суміш вуглеводнів в інтервалі температури кипіння 30–200° C. Деякі бутани, що киплять при температурі нижче 38°С, має високий тиск пар. Бензини класифікуються по різних підставах, включаючи інтервали температур кипіння, октанове число, зміст сірки. Більшість бензинів кипить в інтервалі 30–200° С. 50%-ва точка, тобто температура, при якій кипить половина компонентів суміші і яка визначає сполуку суміші під час прогріву двигуна, а частково і при розгоні транспортного засобу, розташовується в межах 98–104° С. Високий зміст низькокиплячих компонентів, таких, як бутани і пентани, обумовлює винятково високий тиск пар і у теплий час є причиною утворення парових пробок, коли газові пухирці перешкоджають плину палива по вузьких трубах двигунів і теплових установок. У той же час недолік низькокиплячих компонентів служить причиною труднощів запуску двигуна взимку. 90%-ва точка кипіння бензину визначає час прогріву двигуна і ефективність використання палива. Октанове число - найбільш важлива характеристика бензину. Воно звичайно визначається в одноциліндровій стаціонарній установці, постаченої різними приладами для реєстрації схильності до детонації. Нормальний гептан (сім атомів вуглецю в лінійному ланцюзі) детонує дуже легко; для нього прийняте нульове октанове число. Ізооктан (вісім атомів вуглецю в розгалуженому ланцюзі) не детонує доти, поки не будуть досягнуті екстремальні умови тиску, температури і навантаження; для нього довільно встановлене октанове число 100. При випробуванні бензину з невідомими детонаційними властивостями його порівнюють із сумішшю гептану і ізооктану, що має таку ж здатність до детонації, як і випробуваний бензин; октанове число бензину - це процентний вміст ізооктану в такій суміші. У нафтовій промисловості використаються два методи - моторний метод і дослідницький метод. Октанове число визначається як середнє із двох таких визначень. Практично всі бензини містять різні присадки, у тому числі інгібітори смолоутворення і невелику кількість барвників. Законодавством багатьох промислово розвинених країн істотно знижено припустимий рівень сполук свинцю в бензині (вміст етилованого бензину, тобто утримуючої добавки тетраетилсвинцю, що підвищує октанове число бензину, становить менш 20% від усього бензину, який виробляється в США).[6] Гас – це найлегше та найбільш летуче рідке топкове паливо. Спочатку гас використався тільки для висвітлення, тепер він уживається як паливо для реактивних двигунів, печей, тракторів, опалювальних і нагрівальних приладах, у засобах для знищення комах. Гарний гас повинен мати особливі кольори (приблизно 250-300 мм по шкалі Штаммера для нафтопродуктів), достатню в'язкість для стійкого та рівномірного просочення ґнота, повинен горіти ясним високим полум'ям без кіптяви або відкладення твердих углистих осадів на ґноті, кіптяві в димоходах і на ламповому склі. Дизельне паливо - проміжні нафтові дистиляти, що киплять при температурах вище, ніж гас, але нижче, ніж мастила, являють собою пальне для середньо- і високошвидкісних дизельних двигунів. Дизельні палива оцінюються їх цетановим числом – це реальний вимір легкості запалення під дією температури та тиску. При цьому паливо рівняється із сумішшю цетана – парафінового вуглеводню з 16-ю атомами вуглецю, що легко запалюється під тиском, і a-метилнафталіна, що не займається. Відсоток цетана в суміші, що показує ту ж займистість, що й дизельне паливо в стандартних умовах випробування, називається цетановим числом. Мазут. Більшість промислових котелень і теплових електростанцій використовують як палива чорні грузлі залишкові продукти переробки нафти – топковий мазут. У більшості випадків це продукти крекінгу, хоча є і продукти прямої перегонки. 1.2 Опис технологічного процесу перегонки нафти Первинна переробка нафти є основним етапом виробництва нафтопереробної промисловості. При поділі нафти перегонкою та ректифікацією одержують фракції або дистиляти, що википають у певному інтервалі температур і представляють собою також досить складні суміші. У той же час окремі фракції нафти можуть складатися з порівняно невеликого числа компонентів, що помітно розрізняються температурами кипіння. Перегонка - це процес поділу рідких і газоподібних (парових) сумішей на фракції, збагачені високо- і низьколетучими компонентами. [1] Атмосферна перегонка Нафта надходить у ректифікаційні колони на атмосферну перегонку (перегонку при атмосферному тиску), де розділяється на кілька фракцій: легку і важку бензинові фракції, гасову фракцію, дизельну фракцію і залишок атмосферної перегонки - мазут. Якість одержуваних фракцій не відповідає вимогам до товарних нафтопродуктів, тому фракції піддають подальшій (вторинній) переробці. Найбільш відповідальним і складним технологічним об'єктом на установках первинної переробки нафти (АТ) є колона К-2, з якої відбираються бензин, гас, дизельне паливо (ДП), мазут. Кожен продукт (фракція) відбирається з певної тарілки у відповідності зі своєю температурою кипіння при певному тиску в колоні. Порушення матеріального балансу при відборі фракції або теплового режиму в колоні може привести до небажаних змін фракційної сполуки продуктів - зміні температур початку або кінця кипіння фракції, що не відповідають вимогам на готову продукцію. Процес, що відбувається в ректифікаційній колоні, схематично показаний на рисунку 1.1. Усередину надходить сира нафта, а назовні виходять углеводородні гази (бутан і більше легкі гази), бензин, нафта (лігроін), гас, легкий газойль, важкий газойль і кубовий залишок.  Рисунок 1.1 - Схема ректифікаційної колони Щоб зрозуміти як все відбувається усередині колони, потрібно розглянути деякі тонкості. Перший елемент, що необхідний для роботи колони — це сировинний насос, що перекачує сиру нафту зі складського резервуара в систему. Спочатку нафта проходить через піч, у якій нагрівається до температури порядку 385°С. При цій температурі, як правило, випаровується більше половини нафти. Отримана в такий спосіб суміш рідини і пари подається знизу в ректифікаційну колону. Усередині ректифікаційної колони перебуває набір тарілок, у яких пророблені отвори. Завдяки цим отворам нафта може підніматися нагору. Коли суміш пари та рідини піднімається по колоні, то більш щільна й важка частина відокремлюється і опускається на дно, а легкі пари підіймаються вгору, проходячи через тарілки . Отвору в тарілках постачені пристосуваннями, називаними барботажними ковпачками (рис. 1.2). Вони потрібні для того, щоб пари, що піднімаються через тарілки, проходили через шар рідини товщиною близько 10 див, що перебуває на тарілці. Гарячі пари (при температурі не нижче 400°С проходять через рідину. При цьому тепло передається від пар до рідини. Пари трохи охолоджуються й частина вуглеводнів з них переходить у рідкий стан. У міру переносу тепла від пар до рідини, температура пар знижується. Тому що температура рідини нижче, деякі сполуки в парах конденсуються.  Рисунок 1.2 - Пристрій тарілки Після того як пари пройшли через шар рідини й втратили більшу частину важких вуглеводнів, вони піднімаються до наступної тарілки, де повторюється той же процес. Тим часом кількість рідини на кожній тарілці росте за рахунок вуглеводнів, що конденсуються з пар. Тому в колоні встановлюють пристосування, що називається зливальна склянка й дозволяє надлишку рідини перетікати вниз на наступну тарілку. Число тарілок повинне бути таким, щоб загальна кількість продуктів, що виходять із ректифікаційної колони, було рівним кількості сирої нафти, що надходить усередину. На різних рівнях колони є бічні відводи (рис. 1.3) для відбору фракцій - більш легкі продукти відбираються у верхній частині колони, а важка рідина відходить донизу.  Рисунок 1.3 - Відбір фракцій з ректифікаційної колони Щоб важкі продукти випадково не потрапили у верхню частину колони разом з легкими фракціями, пари періодично направляють у холодильник. Речовини, які конденсуються в холодильнику, знову надходять на одну з розташованих нижче тарілок. Це свого роду зрошення ректифікаційної колони (рис. 1.4). І навпаки, деяка кількість легких вуглеводнів може бути захоплено струмом рідини в нижню частину колони разом з важкими продуктами. Щоб уникнути цього, рідина, що виходить через бічний відвід, знову пропускають через нагрівач. У результаті залишки легких вуглеводнів відокремлюються і повторно надходять у ректифікаційну колону у вигляді пари. Цей процес називається повторним випаром. Перевага такої схеми полягає в тім, що тільки невелика частина загального потоку сирої нафти повинна повторно перероблятися для додаткового повернення продукту. Не потрібно знову нагрівати всю нафту, що дозволяє заощадити енергію та гроші.  Рисунок 1.4 - Зрошення та повторний випар Сполуки деяких сирих нафт може бути такими, що на частині тарілок у колоні не виявиться достатньої кількості парорідинної суміші. У цих випадках зрошення та повторний випар дозволяють регулювати потоки так, щоб процес ректифікації (розділення) міг тривати. При аналізі процесу перегонки нафти принципово важливою характеристикою є межі кипіння фракцій (рис. 1.5). Так називають температури, при яких продукти перегонки відокремлюються друг від друга. Зокрема, температура, при якій продукт починає кипіти, називається точкою початку кипіння (КПК). Температура, при якій 100% даної фракції випарувалося, називається точкою википання (КВ) цієї фракції. Таким чином, кожна фракція має дві границі КПК і КВ.  Рисунок 1.5 - Границі кипіння фракцій Легкі фракції, що виходять у верхній частині колони (верхній погон), надходять на установку газофракціонування. Прямогінний бензин відправляється на компаундування для одержання автомобільного бензину. Нафта (лігроін) подається на установку риформінга, гас надходить на установку гідроочищення, легкий газойль направляється на змішання для одержання дистилятного (дизельного) палива, важкий газойль служить сировиною для каталітичного крекінгу, і, нарешті, прямогінний залишок подається на вакуумну перегонку.[4] Таблиця 1 - Основні технологічні параметри установки АТ
Багатокомпонентна атмосферна ректифікаційна колона (РК) К-2 відноситься до класу складних багатомірних і багатозв'язних об'єктів керування, синтез систем автоматичного регулювання для яких є актуальним й у той же час складним завданням. Багатокомпонентна ректифікаційна колона як об'єкт керування має всі характеристики бінарної ректифікаційної колони (нелінійність статичних характеристик, значна інерційність процесів, дрейф параметрів об'єкта керування в часі і т.п.), але також вимагає підтримки великої кількості параметрів, що ускладнює структуру математичної моделі і збільшує вимоги до системи автоматичного регулювання. [12] |