Исследование работы промышленной установки каталитического риформинга
 Скачать 2.38 Mb.
|
|
Школа Инженерная школа природных ресурсов Направление подготовки 18.03.01. Химическая технология Отделение школы Отделение химической инженерии БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА Тема работы Исследование работы промышленной установки каталитического риформинга методом математического моделирования УДК 665.644.4:519.876 Студент Группа ФИО Подпись Дата З-2Д7Г Шалина В.В. Руководитель ВКР Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Доцент ОХИ ИШПР Чернякова Е.С. к.т.н. КОНСУЛЬТАНТЫ ПО РАЗДЕЛАМ: По разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Доцент ОСГН ШБИП Кащук Ирина Вадимовна к.т.н. По разделу «Социальная ответственность» Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Ст. преподаватель ООД ШБИП Мезенцева Ирина Леонидовна ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ: Руководитель ООП ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Доцент ОХИ ИШПР Кузьменко Елена Анатольевна к.т.н., доцент Томск – 2022 г. 2 Школа Инженерная школа природных ресурсов Направление подготовки (специальность)_18.03.01. «Химическая технология» (Химическая технология подготовки и переработки нефти и газа) Отделение школы Отделение химической инженерии УТВЕРЖДАЮ: Руководитель ООП _Кузьменко Е.А. (Подпись) (Дата) (Ф.И.О.) В форме: ЗАДАНИЕ на выполнение выпускной квалификационной работы Студенту: (бакалаврской работы, дипломного проекта/работы, магистерской диссертации) Группа ФИО З-2Д7Г Шалиной Виктории Валерьевне Тема работы: Исследование работы промышленной установки каталитического риформинга методом математического моделирования Утверждена приказом директора (дата, номер) 28.01.2022 г., №28-91/с Срок сдачи студентом выполненной работы: 06.06.2022 г. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ: Исходные данные к работе (наименование объекта исследования или проектирования; производительность или нагрузка; режим работы (непрерывный, периодический, циклический и т. д.); вид сырья или материал изделия; требования к продукту, изделию или процессу; особые требования к особенностям функционирования (эксплуатации) объекта или изделия в плане безопасности эксплуатации, влияния на окружающую среду, энергозатратам; экономический анализ и т. д.). Объект исследования – промышленная установка каталитического риформинга бензинов, производительность 1000 тыс.тонн/год. Технологические режимы, составы сырья и риформата. Бакалаврской работы 3 Перечень подлежащих исследованию, проектированию и разработке вопросов (аналитический обзор по литературным источникам с целью выяснения достижений мировой науки техники в рассматриваемой области; постановка задачи исследования, проектирования, конструирования; содержание процедуры исследования, проектирования, конструирования; обсуждение результатов выполненной работы; наименование дополнительных разделов, подлежащих разработке; заключение по работе). 1 Теоретические основы процесса каталитического риформинга бензинов. Обзор катализаторов процесса. Обзор вариантов технологического и реакторного оформления процесса. Современные методы и пути повышения эффективности процесса каталитического риформинга бензинов. 2 Объект и метод исследования. 3 Экспериментальная часть. Мониторинг активности промышленного катализатора процесса риформинга. Исследование состава перерабатываемого сырья и технологических параметров на качественные и количественные показатели производимого риформата. Прогнозные исследования активности катализатора. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей) Консультанты по разделам выпускной квалификационной работы (с указанием разделов) Раздел Консультант Социальная ответственность Мезенцева Ирина Леонидовна Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение Кащук Ирина Вадимовна Названия разделов, которые должны быть написаны на русском и иностранном языках: Дата выдачи задания на выполнение выпускной квалификационной работы по линейному графику 14.04.2022 г. Задание выдал руководитель: Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Доцент ОХИ ИШПР Е.С. Чернякова к.т.н. Задание принял к исполнению студент: Группа ФИО Подпись Дата З-2Д7Г В.В. Шалина 4 РЕФЕРАТ Выпускная квалификационная работа 109 с., 19 рис., 33 табл., 30 источников, 2 приложения. Ключевые слова: каталитический риформинг, катализатор, активность, математическое моделирование, оптимизация, прогнозирование. Объектом исследования является промышленный процесс каталитического риформинга. Цель работы – исследование и оптимизация промышленного процесса каталитического риформинга бензинов с применением компьютерной моделирующей системы. В ходе работы проводился мониторинг работы промышленной установки каталитического риформинга, оценка влияния технологического режима и состава перерабатываемого сырья. Выполнены расчеты по оптимизации работы промышленной установки с учетом качественных и количественных характеристик риформата, а также прогнозные исследования активности катализатора. В результате проведенных исследований были сформулированы рекомендации по оптимизации промышленного процесса, которые помогут технологам повысить эксплуатационные характеристики, а также могут быть применены и на других крупнотоннажных установках риформинга на различных НПЗ. 5 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………... 7 ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА БЕНЗИНОВ 1.1. Понятие каталитического риформинга бензиновых фракций……………….. 9 1.2 Типы установок риформинга бензиновых фракций…………………………….. 15 1.3 Катализаторы риформинга бензинов…………………………………………… 21 ГЛАВА 2. ПРАКТИКА РИФОРМИНГА БЕНЗИНОВЫХ ФРАКЦИЙ 2.1. Пути повышения эффективности катализаторов риформинга………………. 28 2.2. Моделирование процесса каталитического риформинга…………………….. 40 ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 3.1 Оптимизация процесса риформинга на основе математического моделирования………………………………………………………………………….. 49 3.1.1 Мониторинг сырьевого цикла работы промышленной установки…………... 51 3.1.2 Исследование влияния состава сырья…………………………………………. 53 3.1.3 Исследование влияния режимов……………………………………………….. 55 3.1.4 Прогнозирование работы установки риформинга…………………………….. 56 4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ……………………………………………………………… 60 4.1 Анализ конкурентных технических решений…………………………………. 60 4.2 Планирование научно–исследовательских работ Структура работ в рамках научного исследования………………………………………………………………… 66 4.3 Бюджет научно–технической разработки……………………………………. 72 4.3.3 Расчет затрат на специальное оборудование для научных работ……………. 73 4.3. 4 Основная заработная плата исполнителей работы……………………………. 74 4.3.5 Дополнительная заработная плата исполнителей работы……………………. 75 4.3.6 Накладные расходы……………………………………………………………. 76 4.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, 77 6 социальной и экономической эффективности исследования……………………….. 5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ………………………………………. 83 5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности…………. 85 5.2 Производственная безопасность……………………………………………….. 86 5.3 Анализ опасных и вредных производственных факторов………………….... 87 5.4 Основные мероприятия по снижению воздействия вредных и опасных производственных факторов…………………………………………………………... 90 5.5 Пожароопасность………………………………………………………………... 95 5.6 Экологическая безопасность…………………………………………………… 96 5.7 Безопасность в чрезвычайных ситуациях………………………………………… 98 ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………. 101 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………………… 103 Приложения…………………………………………………………………………….. 106 7 ВВЕДЕНИЕ Каталитический риформинг является ключевой технологией в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. В последние годы в риформинге со стационарным слоем катализатора была выдвинута и реализована новая концепция согласования активности катализатора со сложностью реакции. На основе уравнения-ориентированного метода построена стационарная модель реакторно-регенераторного участка противоточного непрерывного риформинга, включающая модуль реактора, модуль регенератора, модель компрессора, модель теплообменника, модель нагревательной печи и модель свойств нефти. Проблема оптимизации процесса каталитического риформинга бензина с целью увеличения выхода целевого продукта более чем актуальна в России, где доля риформатов в общем объеме бензинового фонда превышает 50%об Совершенствование каталитического риформинга включает несколько основных направлений: разработка более активных и селективных катализаторов; модернизация промышленного оборудования; оптимизация технологического режима процесса. В последнее времяв научной литературевопросы каталитического риформинга методом математического моделирования обсуждаются достаточно часто. Эти и другие важные положения будут рассмотрены в данной работе. Объект исследования – процесс каталитического риформинга бензиновых фракций. Предметом исследования являются направления совершенствования процесса каталитического риформинга бензинов варианты повышения его эффективности. Цель исследования – исследование и оптимизация промышленного 8 процесса каталитического риформинга бензинов с применением компьютерной моделирующей системы. Для достижения обозначенной цели были поставлены следующие задачи исследования: 1. Определить понятие каталитического риформинга и типы установок риформинга бензиновых фракций; 2. Рассмотреть варианты технологий процесса каталитического риформинга бензинов и основное технологическое оборудование промышленных установок данного процесса; 3. Исследовать оптимизацию процесса риформинга на основе математического моделирования; 4. Сформулировать направления совершенствования процесса риформинга бензинов, варианты повышения его эффективности для конкретной промышленной установки ЛЧ-35-11/1000. В процессе исследования были применены следующие общенаучные и специальные методы исследования: метод системного анализа; сравнительный метод; метод математического моделирования. Работа, в соответствии с выделенными задачами исследования, структурно состоит из трех глав: «Теоретические основы процесса каталитического риформинга бензинов», «Практика риформинга бензиновых фракций» и «Исследование работы промышленной установки каталитического риформинга методом математического моделирования»,введения, заключения и библиографического списка, а также содержит разделы «Социальная ответственность» и «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективности и ресурсосбережение». 9 ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА БЕНЗИНОВ 1.1. Понятие каталитического риформинга бензиновых фракций Процессы переработки нефти и нефтяных фракций являются ключевыми процессами для нефтеперерабатывающих заводов за счет производства продуктов, которые интенсивно востребованы в нашей современной жизни. Каталитический крекинг, гидрокрекинг, висбрекинг и многие другие процессы позволяют производить высококачественные продукты и сырьё, которое используется в дальнейшем для получения важных соединений. В зависимости от типа сырья каталитический риформинг делят на: риформинг, в котором используют легкие фракции нефти (углеводороды С5 и С6), кипящие от 30 С до 90 С и риформинг тяжелой фракции нефти (углеводороды С7-С9), которые кипят при температуре от 90 С до 200 С [1-2]. Процесс риформинга хорошо известен в нефтяной промышленности и относится к обработке бензиновых фракций для улучшения характеристик антидетонации. Она представляет собой фракцию, кипящую в промежутках 85-180 °С. Эта сложная смесь состоит из молекул углеводородов с 5-12 атомами углерода, в основном включающих парафины, олефины, нафтены и ароматические соединения. Каталитический риформинг идет при повышенной температуре (450-520 С) и умеренном давлении (4-30 бар). Парафины также подвергаются дегидроциклизации с образованием ароматических соединений. Другими важными реакциями являются гидрогенолиз и гидрокрекинг, которые приводят к образованию низкомолекулярных парафинов и кокса, которые в конечном итоге дезактивируют катализатор [2]. 10 Рисунок 1 - Реакции, протекающие во время риформинга [7] В блоке реакции-регенерации противоточного непрерывного процесса риформинга имеется четыре реактора, регенератор, компрессор, теплообменник, четыре нагревательные печи, разделительный бак риформинга и система очистки водорода. Рециркулируемый водород из резервуара сепаратора высокого давления сжимается компрессором рециркуляционного водорода и смешивается с сырьем для риформинга из секции предварительной обработки в качестве сырья для риформинга. Сырье обменивается теплом с продуктами в теплообменнике, а затем по очереди поступает в каждый реактор риформинга. Перед подачей в каждый реактор материал необходимо нагреть в нагревательной печи перед реактором, чтобы достичь определенной температуры реакции. Высокотемпературная нефть и газ из четвертого реактора обмениваются теплом с сырьем для риформинга, затем охлаждаются воздушным охладителем, и, наконец, войдите в резервуар разделения пара и жидкости. Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность важны, потому что они обеспечивают энергию и химикаты, особенно транспортное топливо и сырые, органические химические материалы. Разработка моделирования процессов для этих процессов, связанных с нефтью, 11 обеспечит лучшее управление работой завода и приведет к большей экономической выгоде. Технология моделирования процессов возникла на основе первой системы моделирования процессов Flexible Flowsheet, успешно разработанной Kellogg. На сегодняшний день система моделирования процессов прошла четыре поколения развития, от исходного объекта моделирования в основном для переработки легких углеводородов до постепенного развития объекта моделирования для двухфазного процесса газ-жидкость и трехфазного процесса газ-жидкость-твердое тело. В 1990-х годах моделирование объединило стационарные и динамические технологии и широко использовалось в конструкторских, исследовательских и производственных отделах. Типичное коммерческое программное обеспечение для моделирования технологических процессов включает Aspen plus, PRO/II, ChemCAD, Petro-Sim и VMG-Sim[2, с. 61]. Вход и выход каждого модуля соединены в соответствии с реальным технологическим процессом, а модель соответствует требованиям оптимизации в реальном времени (RTO). Модель калибруется, чтобы расчетное значение больше соответствовало фактическому значению. Моделирование модели показало тенденцию реакции риформинга и разницу между противоточным риформингом и прямоточным риформингом[25, с. 129]. Наконец, модель процесса была оптимизирована для различных целей, таких как выход ароматических углеводородов, выход высокооктанового бензина и выход углерода. Эти результаты показывают, что созданная модель может имитировать реальный промышленный процесс, который может соответствовать требованиям RTO, и получать значительную прибыль для различных целей оптимизации. Для сравнения также был смоделирован прямоточный процесс риформинга. Направление потока катализатора было изменено, чтобы соответствовать направлению потока материала, без изменения количества 12 загрузки катализатора в каждый реактор, и было получено отложение кокса на катализаторе при прямоточном каталитическом риформинге. В процессе прямоточного риформинга катализаторы в первом и втором реакторах обладают высокой активностью из-за меньшего отложения кокса на катализаторах, чем в процессе противоточного риформинга, и легко протекают основные реакции риформинга, такие как циклизация дегидрирования алкана и дегидрирование циклоалканов, ароматизация. В третьем и четвертом реакторах из-за снижения активности катализатора и увеличения отложения кокса нагарообразование катализатора на выходе из четвертого реактора больше, чем в противоточном процессе. Однако в реальном прямоточном процессе риформинга первый реактор имеет наименьшую загрузку катализатора, а четвертый реактор имеет наибольшую загрузку катализатора, что приведет к большей разнице в отложении каталитического кокса между четырьмя реакторами. В результате противоточный непрерывный процесс риформинга может сделать активность катализатора и сложность реакции более подходящими. В модуле регенератора реакция горения в основном происходит на первой ступени регенератора, а оставшиеся отложения кокса на катализаторе удаляются на второй ступени регенератора для обеспечения полного восстановления активности катализатора. Из-за избыточной мощности конструкции регенератора коксовые отложения, образующиеся в результате либо противоточного непрерывного риформинга, либо прямоточного непрерывного риформинга, могут быть полностью сожжены. Для промышленных процессов оптимизация в основном включает повышение селективности или выхода продукта и достижение максимальных экономических выгод, основанных на составе сырья и рыночном спросе, при условии соблюдения показателей продукта. Оптимизацию можно разделить на офлайн-оптимизацию и онлайн-оптимизацию [41]. Особенность онлайн- 13 оптимизации заключается в том, что устройство можно поддерживать в оптимальном состоянии длительное время для достижения более глубокой оптимизации. Важной целью процесса непрерывного риформинга является получение основных органических материалов, таких как бензол, толуол и ксилол. При этом в качестве целевой функции оптимизации задается выход ароматических соединений. Еще одним важным целевым продуктом непрерывного риформинга является получение высокооктановых бензинов. При этом в качестве целевой функции оптимизации задается выход высокооктанового бензина. В реальных операциях противоточного риформинга рабочими параметрами, которые могут быть изменены, в основном являются температура на входе в четыре реактора, молярное соотношение H/C, а также температура на входе и содержание кислорода в газе регенерации. Ограничения включают отложение кокса на катализаторе на выходе из первого реактора, отложение кокса на катализаторе на выходе из регенератора, содержание кислорода в газе на входе в регенератор, количество пара, потребляемого компрессором, и тепловую нагрузку нагревательных печей. В пределах верхнего и нижнего пределов рабочих условий температура на входе в реактор не должна быть слишком высокой из-за предела отложения кокса, температура на входе не должна быть слишком низкой, чтобы обеспечить определенную конверсию, а верхний предел H/ Мольное соотношение С должно учитывать верхний предел потребления пара компрессором. Верхний предел температуры газа на входе и содержания кислорода в регенераторе должен обеспечивать, чтобы температура горячей точки в регенераторе не была слишком высокой. В существующих условиях эксплуатации выход ароматических 14 углеводородов увеличивается на 0,99%, когда целевой функцией является выход ароматических углеводородов, а выход бензина увеличивается на 1,63%, когда целевой функцией является выход бензина с высоким октановым числом. количество. Приняв в качестве цели выход ароматических соединений С 7 + , выход увеличился на 0,74%, в то время как выход ароматических соединений также увеличился на 0,94%. Таким образом, экономическая выгода от улучшения значительна. По результатам оптимизации изменение рабочих условий для улучшения выхода ароматических соединений в основном связано с повышением температуры на входе в реактор. В соответствии с механизмом реакции образования ароматических соединений повышение температуры благоприятно для реакции дегидроциклизации алкана и реакции дегидрирования циклоалкана, что может улучшить выход ароматических соединений. Ограничивающим условием при оптимизации выхода бензина является в основном октановое число, так как большая часть прироста выхода бензина приходится на фракции С 10+ и вклад этих компонентов в октановое число не очень велик, что приведет к падению октанового числа бензина. количество. На основе метода ЭО построена модель реакционно-регенерационного участка противоточного непрерывного риформинга, включающая модуль реактора и модуль регенератора, связанные с моделью газожидкостной сепарации, моделью нагревательной печи, моделью компрессора и Модель теплообменника. 1) В зависимости от времени, необходимого для калибровки модели, расчета моделирования и оптимизации процесса, установленная модель процесса может соответствовать требованиям RTO. 2) Калибровка модели может привести рассчитанные значения модели в 15 лучшее соответствие с фактическими значениями. 3) Результаты оптимизационных расчетов показывают, что задание разных целевых функций может привести к разным результатам оптимизации. Полученные результаты оптимизации соответствуют механизму реакции риформинга, который может быть установлен для различных производственных планов в соответствии с рыночным спросом. 1.2. Типы установок риформинга бензиновых фракций Технологическое оформление процесса каталитического риформинга определяется по способу проведения регенерации катализатора. Подавляющее большинство установок риформинга описывают тремя разновидностями технологий: полурегенеративный, циклический и процесс с непрерывной регенерацией катализатора. Технологические параметры работы установок риформинга по полурегенеративному варианту: давление- от 1.3 до 3.0 МПа, температура- от 480 до 530?С, октановое число (ИОЧ) колеблется от 94 до 100, выход риформата от 80 до 88% масс. Межрегенерационный цикл работы катализатора составляет от года до трех лет. Первая установка запущена по лицензии фирмы ЮОП в 1971 году, в 1983году эксплуатировалось 35 установок, а в настоящее время работает 163 установки (в том числе 40 с давлением 0,35 МПа) по лицензии ЮОП и 56 установок по лицензии Французского института нефти. 16 Таблица 1 – Классификация промышленных установок риформинга Нефть и газ вносят жизненно важный вклад в удовлетворение мировых энергетических потребностей. Сегодня на них приходится более половины общемирового потребления первичной энергии. Существует ограниченное количество практических альтернатив топливу на основе нефти для транспорта — самого быстрорастущего энергетического сектора. Во многих случаях нефть и природный газ являются самыми дешевыми видами топлива в промышленности, жилищном секторе и секторе услуг, а также в производстве электроэнергии и являются важным сырьем для широкого спектра промышленных и потребительских товаров. Спрос на нефть и газ, а также на все другие источники энергии будет продолжать расти. В своем последнем обзоре мировой энергетики Международное энергетическое агентство прогнозирует, что глобальный спрос на первичную энергию вырастет более чем наполовину в период с 2004 по 2030 год в Базовом сценарии, предполагающем отсутствие изменений в государственной политике. Нефть и газ по-прежнему доминируют в мировом энергетическом балансе, их доля в общем объеме потребления первичной 17 энергии несколько снизилась с 56 до 55 процентов. Использование современных возобновляемых технологий, включая гидро-, солнечную, геотермальную и ветровую энергию, быстро расширяется, но их совокупная доля в мировом спросе на энергию достигает лишь 5 процентов в 2030 году, поскольку они начинаются с низкой базы. Более 70 процентов прогнозируемого увеличения общего спроса на энергию приходится на развивающиеся страны, где экономическая активность и население растут быстрее всего. Углеводороды будут оставаться важными для глобального экономического развития и процветания в ближайшие десятилетия. Удовлетворение растущего спроса на энергию необходимо согласовать с целями энергетической безопасности и защиты окружающей среды, однако нефтегазовая промышленность продолжает вкладывать значительные средства в дальнейшее повышение энергоэффективности своих собственных операций, сокращение отходов и помощь конечным потребителям в использовании меньшего количества топлива. Остается значительный потенциал для повышения эффективности. Это демонстрирует Альтернативный сценарий политики МЭА, который предполагает, что все политики в области энергетической безопасности и климата, которые в настоящее время рассматривают правительства во всем мире, полностью реализованы. Глобальные выбросы CO2 сократятся на 16 % в 2030 году по сравнению с Базовым сценарием, при этом повышение энергоэффективности обеспечит почти 80 % предотвращенных выбросов. Повышение энергоэффективности — это не то же самое, что энергосбережение, которое, строго говоря, относится к меньшему потреблению данной энергетической услуги и, следовательно, к меньшему потреблению энергии, необходимой для ее предоставления. Примеры включают в себя выключение света при выходе из комнаты или ходьбу на 18 короткие расстояния вместо вождения. В тех случаях, когда энергетическая услуга тратится впустую или представляет небольшую ценность для человека или бизнеса, получающего от нее выгоду, ее сохранение может принести реальные экономические и социальные выгоды. Но отказ от энергетических услуг, которые имеют решающее значение для экономической деятельности или уровня жизни, может сдерживать экономическое развитие и снижать социальное благосостояние. Нефтегазовая промышленность имеет сильный финансовый стимул к экономии энергии из-за большой доли энергии в общих затратах на эксплуатацию ее объектов. Промышленность также стремится вести себя социально ответственно, особенно в отношении воздействия использования энергии на окружающую среду, и стратегически заинтересована в продлении срока службы своих крупных, но ограниченных ресурсов. Однако эти инвестиции не всегда в полной мере отражаются в тенденциях энергоемкости поставок нефти и газа, измеряемой количеством энергии, необходимой для поставки данного количества нефти или газа потребителям. Нефтепереработка является наиболее энергоемким звеном цепочки создания стоимости, на нее приходится около половины всей энергии, потребляемой нефтегазовой отраслью в целом. Нефтеперерабатывающий газ (побочный продукт процессов нефтепереработки), мазут и природный газ являются основными видами топлива, используемыми на нефтеперерабатывающих заводах. Несколько факторов способствуют более высокой энергоемкости нефтепереработки, компенсируя часть повышения эффективности за счет новых инвестиций. Более строгие стандарты нефтепродуктов, таких как дизельное топливо с низким содержанием серы, растущий спрос на более легкие продукты и более тяжелые нефтяные сланцы 8 вынуждают нефтепереработчиков увеличивать вторичную переработку и конверсию 19 тяжелых остатков. Внедрение улавливания и хранения углерода на нефтеперерабатывающих заводах, помогая компенсировать увеличение выбросов, также значительно повысит потребление энергии. Сырая нефть сегодня является основным источником энергии для транспортных средств во всем мире, а также источником для производства широкого спектра химических продуктов. Ежедневно на нефтеперерабатывающих заводах перерабатывается более 85 миллионов баррелей сырой нефти. Сырая нефть представляет собой сложную смесь углеводородов, основными компонентами которой являются углерод (С) и водород (Н). Состав C и H варьируется между 83-87 мас.% в C и 10-14 мас.% в H соответственно. В сырой нефти присутствуют сотни углеводородных соединений, начиная от простейших, метана, и заканчивая тяжелыми соединениями, содержащими 300 и более атомов углерода. Основными типами углеводородов в сырой нефти являются парафиновые, нафтеновые и ароматические. Помимо углерода и водорода, сырая нефть также содержит низкие концентрации серы (0-5 мас.%), азота (0-1 мас.%), кислорода (0-2 мас.%) и металлов (0-0,1 мас.%), в основном железа, никель, хром и ванадий. Состав и свойства сильно зависят от происхождения сырой нефти. Сырая нефть после перекачки транспортируется на нефтеперерабатывающий завод, технологический завод по производству топлива, такого как бензин и дизельное топливо, и химических промежуточных продуктов, таких как пропилен. Сырая нефть сначала подвергается дистилляции при атмосферном или пониженном давлении, чтобы разделить ее на потоки и получить нефтяные фракции, используемые в последующих процессах переработки. На нефтеперерабатывающем заводе помимо ректификационных колонн используется множество каталитических процессов, направленных на повышение выхода и свойств продукта. К ним относятся: риформинг, изомеризация, гидропереработка, 20 алкилирование и каталитический крекинг. Основными продуктами переработки являются бензин и дизельное топливо. Бензин, представляющий собой смесь многих нефтеперерабатывающих заводов, представляет собой легкое топливо с высоким октановым числом, соответствующей летучестью и диапазоном перегонки, что облегчает его сгорание в двигателе внутреннего сгорания. Дизельное топливо представляет собой среднедистиллятное топливо с соответствующими свойствами (например, высоким цетановым числом) для использования в двигателях внутреннего сгорания. Помимо автомобильного топлива, на НПЗ также производятся другие виды топлива, такие как топливо для бытовых нужд и промышленное топливо со стандартными характеристиками. Катализ играет решающую роль на нескольких этапах производства топлива. Многие каталитические процессы необходимы для преобразования сырой нефти в конечные коммерческие продукты со строго определенными спецификациями. Около 30 % общего количества катализаторов, производимых промышленностью, расходуется в процессах нефтепереработки. Сырая нефть сначала обрабатывается для удаления растворенных солей (в основном хлорида натрия), а затем предварительно нагревается в печи при заданной температуре от 370 до 400°C. Горячая и частично испарившаяся нефть «испаряется» в тарельчатой дистилляционной колонне, где она разделяется на более легкие фракции и остаток. Физическое разделение нефтеперегонки осуществляется при атмосферном давлении или, точнее, при несколько более высоком давлении, чем атмосферное (1,3 бар). Нижняя часть атмосферной колонны далее перерабатывается в вакуумной дистилляционной колонне, работающей при пониженном давлении (5-10 мм рт. ст.) для облегчения выделения более тяжелых соединений без нагревания при высоких температурах, 21 вызывающих термическое разложение углеводородов. Обычно получают одну дополнительную побочную фракцию и остаток вакуумной колонны. Продукты, полученные из атмосферно-вакуумных башен, не обладают соответствующими свойствами и характеристиками, как моторные топлива или отопительные топлива. Продукты перегонки подвергаются ряду последовательных процессов, направленных на улучшение свойств топлива и увеличение выхода продуктов, пользующихся высоким спросом на рынке. Основными процессами конверсии и фракциями, используемыми в качестве исходного сырья, это: - Легкая нафта, самая легкая жидкая фракция атмосферного столба, подвергается обработке для повышения октанового числа путем изомеризации. - Тяжелая нафта, второй побочный поток атмосферной колонны, подается на установку каталитического риформинга, где подвергается обработке для улучшения ее характеристик сгорания в двигателе. - Атмосферный тяжелый газойль и вакуумный газойль составляют основное сырье установки каталитического крекинга. - Еще одним важным блоком нефтеперерабатывающего завода является блок алкилирования, который производит бензин с использованием изобутена и смеси олефинов с 3-4 атомами углерода в качестве сырья. - Практически все фракции либо перед их окончательной утилизацией, либо перед подачей на другие конверсионные установки подвергаются гидропереработке для удаления экологически вредных гетероатомов и улучшения их свойств. 1.3. Катализаторы риформинга бензинов В процессе каталитического риформинга используются катализаторы, основой которых является платина, равномерно распределенная на носителе 22 – оксиде алюминия, промотированном хлором (в редких случаях фтором). Природа активной поверхности катализаторов риформинга базируется на модели бифункционального их действия, предложенной в 1953г. Маилсом. Диспергированная на поверхности носителя платина является катализатором реакций гидрирования-дегидрирования, а носитель – галоидированный оксид алюминия – катализатором реакций кислотно-основного типа – изомеризации, циклизации, крекинга. Технология радиального подвижного слоя обычно используется для каталитического риформинга. В этом типе реактора частицы катализатора движутся вниз под действием силы тяжести в канале между двумя коаксиальными цилиндрами, в то время как газообразное сырье впрыскивается радиально через слой, обычно внутрь. На работу таких реакторов могут влиять возмущения, влияющие на течение твердого тела: кавитация на входе газа и заклинивание (перестает двигаться зернистый слой) на выходе газа. Основным последствием является ограничение общего перепада давления в зернистом слое. Эти явления широко обсуждались в открытой литературе [1-4]. Недавно было предложено изменить технологию реактора, чтобы упростить эксплуатацию блока и, прежде всего, увеличить мощность реактора [5]. Как следствие, для этой новой технологии необходимо пересмотреть правила проектирования реакторов. В частности, необходимо изучить движение твердого тела в этом новом типе реактора, что означает как экспериментальную характеристику, так и моделирование с помощью вычислительной гидродинамики (CFD). Реакторы с радиальным каталитическим слоем имеют форму вертикального цилиндрического кольца, ограниченного с внутренней стороны (выход газа) внутренним экраном, удерживающим катализатор, а с внешней стороны (вход газа) либо экраном того же типа, либо устройством, состоящим из сборки экранных элементов (гребешков). Инжекция газового 23 сырья в новой реакторной технологии переосмыслена: множество распределительных трубок расположены внутри каталитического слоя вблизи стенки реактора. При новом типе вдувания газа можно также представить возмущения В/ между инжекционными трубами и корпусом реактора и С/ между двумя инжекционными трубами. Специальное экспериментальное устройство (девятиметровой высоты) использовалось с целью изучения трех возможных режимов возмущения, влияющих на течение твердого тела. Частицы катализатора сначала поднимаются в отстойник в верхней части макета для отделения мелкодисперсного материала. Затем твердое тело с малой скоростью (< 10 см.с 1) движется вниз сначала в «псевдореактор», затем в подъемную операцию для следующего циркуляционного движения. Такой макет, очевидно, идеален для оценки механической прочности твердых катализаторов (испытания на истирание). Каталитический риформинг является ключевой технологией в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. В последние годы в противоточном непрерывном риформинге была выдвинута и реализована новая концепция согласования активности катализатора со сложностью реакции. Для идентификации и определения улучшенных спецификаций топлива для снижения выбросов выхлопных газов были реализованы крупные проекты в США (CAAA Phase I και II) и ЕС (AUTO-OIL I и II) в сотрудничестве между автомобильной промышленностью и нефтеперерабатывающими заводами. Основным результатом этих проектов стала разработка математических моделей для прогнозирования выбросов загрязняющих веществ в зависимости от характеристик топлива (например, содержание ароматических соединений и серы, Τ90, давление паров и т. д.). Среди прочего, проекты США показали, что выбросы бензола связаны с общим содержанием ароматических соединений и исходным содержанием 24 бензола, в то время как два проекта AUTO-OIL в ЕС продемонстрировали линейную корреляцию выбросов HC и NOx с содержанием серы в топливе. На основании всех предыдущих замечаний в последние годы были установлены новые, более жесткие требования к автомобильным топливам. Изменения начались с уменьшения содержания серы и ароматических соединений. Несомненно, уровни спецификаций топлива постоянно определяются доступной технологией на нефтеперерабатывающих заводах, которая может соответствовать этим спецификациям. Необходимость снижения выбросов СО2 в атмосферу становится все более актуальной. Биомасса (лигноцеллюлозное сырье, например, древесина) рассматривается в качестве альтернативного сырья для производства энергии, поскольку она является возобновляемой и нейтральной по отношению к CO2. Топливо, полученное из биомассы (биотопливо), является альтернативным топливом для транспортного сектора. Директивы ЕС предлагают вывести на рынок топлива до 5,75% биотоплива до 2010 года. Следует отметить, что считается, что использование биодизеля способствует снижению выбросов парниковых газов не менее чем на 3,2 кг эквивалента СО2 на каждый кг биодизеля. Другими преимуществами биотоплива (кроме того, что оно не способствует выбросу CO2 и не содержит серы) является то, что оно ограничивает энергетическую зависимость от ископаемого топлива, одновременно помогая сельской экономике. В настоящее время продвигаются новые культивации, направленные исключительно на производство биотоплива. Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность важны, потому что они обеспечивают энергию и химикаты, особенно транспортное топливо и сырые органические химические материалы. 1Разработка моделирования процессов для этих процессов, связанных с нефтью, обеспечит лучшее руководство для работы завода и приведет к большей 25 экономической выгоде. Технология моделирования процессов возникла на основе первой системы моделирования процессов Flexible Flowsheet, успешно разработанной Kellogg. На сегодняшний день система моделирования процесса прошла четыре поколения развития, от исходного объекта моделирования в основном для переработки легких углеводородов до постепенного развития объекта моделирования для двухфазного процесса газ-жидкость и трехфазного процесса газ-жидкость-твердое вещество. В 1990-х годах моделирование объединило стационарные и динамические технологии и широко использовалось в конструкторских, исследовательских и производственных отделах. Типичное коммерческое программное обеспечение для моделирования технологических процессов включает Aspen plus, PRO/II, ChemCAD, Petro-Sim и VMG-Sim. В процессе непрерывного противоточного риформинга рециркулируемый водород из системы разделения риформинга поступает в компрессор рециркуляционного водорода, который является ключевым энергетическим оборудованием процесса риформинга. Под действием компрессора переработанный водород нагнетается до заданного давления и поступает в теплообменник для повышения температуры. Чтобы точно рассчитать потребление пара компрессором и температуру рециркулируемого водорода на выходе, необходимо установить стационарную модель компрессора. Процесс, происходящий в компрессоре рециркуляционного водорода, можно рассматривать как политропный процесс, в котором показатель адиабаты каждого вещества можно найти по справочнику термодинамических данных. В соответствии с фактическим расходом на входе можно получить соответствующий политропический КПД и степень сжатия, если известны входное и выходное давления. Показатель политропы m h рассчитывается 26 исходя из соответствующей эффективности политропы и показателя адиабаты. Температура рециркулируемого водорода на выходе из компрессора рассчитывается с учетом индекса политропы и степени сжатия. После расчета температуры на выходе индекс политропы можно откалибровать в соответствии с фактической температурой на выходе. С калиброванным индексом политропы теоретическую мощность компрессора можно рассчитать по уравнению. Мощность на валу равна теоретической мощности, деленной на механический КПД и КПД трансмиссии. При расчете величины расхода пара необходимо рассчитать разницу его энтальпий до и после сжатия. Температура водорода из компрессора составляет около 80 °С, а температура нефтяного сырья из раздачи предварительной обработки — около 110 °С, при этом температура газомазутной смеси на входе в нагревательную печь составляет более 400°С. Для точного расчета теплоты реакции риформинга и тепловой нагрузки нагревательной печи необходимо оценить температуру потока сырья для риформинга на входе в первую нагревательную печь. Это основная причина создания стационарной модели теплообменника. В процессе риформинга используется пластинчатый теплообменник. Поскольку основной целью оценки является температура на выходе, предполагается, что этот процесс представляет собой противоточный процесс теплопередачи без фазового перехода. Модель построена с помощью макроскопического уравнения баланса энергии и уравнения полного теплообмена теплообменника. Среди них значение K брутто получается путем подгонки фактической температуры на выходе из теплообменника. Октановое число является важнейшим показателем качества автомобильного бензина, а октановое 27 число бензинов тесно связано с его составом. Октановое число смешанных компонентов рассчитывается по уравнению. Результаты сравнения показывают, что абсолютная ошибка предсказания модели меньше 1, а это означает, что точное октановое число может быть получено без корректировки эффективного октанового числа каждого компонента или изменения математической модели из-за большой разницы в составе масел. Поскольку давление не слишком велико, газовую и жидкую фазы можно рассматривать как идеальный газ и идеальную жидкость соответственно. Можно сделать вывод, что погрешности между расчетным давлением пара и фактическим значением в большинстве случаев не превышают 1 кПа, что означает возможность использования оценочной модели для расчета давления пара. Температура, при которой исчезает последняя капля пробы масла в колбе, называется точкой высыхания или точкой конца кипения фракции. Конечная точка кипения, как правило, связана только с содержанием наиболее тяжелых компонентов во фракции. Относительные погрешности между расчетной температурой конца кипения и фактическим значением составляют менее 1%. 28 |