Помощь студентам в учебе
Разработка математической модели каталитического крекинга вакуумного газойля
|
ВВЕДЕНИЕ 14
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ
КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА 17
1.1 Современные технологии каталитического крекинга нефтяного сырья... 17
1.2 Характеристика катализаторов крекинга 23
1.3 Механизм каталитического крекинга 28
1.4 Моделирование процесса каталитического крекинга 31
4 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 63
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования 63
4.2 Анализ конкурентных технических решений 64
4.3 SWOT-анализ 66
4.4 Планирование работ по научно-техническому исследованию 70
4.4.1 Структура работ в рамках научного исследования 70
4.4.2 Определение трудоемкости выполнения работ 71
4.4.3 Разработка графика проведения научного исследования 72
4.5 Бюджет научно-технического исследования 75
4.5.1 Расчет материальных затрат НТИ 75
4.5.2 Расчёт затрат на специальное оборудование 76
4.5.3 Основная заработная плата исполнителей проекта 77
4.5.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 79
4.5.5 Накладные расходы 79
4.5.6 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 80
4.6 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования 80
5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 83
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 84
5.2 Производственная безопасность 86
5.2.1 Анализ вредных факторов 86
5.2.2 Разработка мероприятий по снижению воздействия вредных и опасных
факторов 87
5.3 Экологическая безопасность 92
5.3.1 Воздействие на литосферу 92
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 95
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 97
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ
КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА 17
1.1 Современные технологии каталитического крекинга нефтяного сырья... 17
1.2 Характеристика катализаторов крекинга 23
1.3 Механизм каталитического крекинга 28
1.4 Моделирование процесса каталитического крекинга 31
4 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 63
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования 63
4.2 Анализ конкурентных технических решений 64
4.3 SWOT-анализ 66
4.4 Планирование работ по научно-техническому исследованию 70
4.4.1 Структура работ в рамках научного исследования 70
4.4.2 Определение трудоемкости выполнения работ 71
4.4.3 Разработка графика проведения научного исследования 72
4.5 Бюджет научно-технического исследования 75
4.5.1 Расчет материальных затрат НТИ 75
4.5.2 Расчёт затрат на специальное оборудование 76
4.5.3 Основная заработная плата исполнителей проекта 77
4.5.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 79
4.5.5 Накладные расходы 79
4.5.6 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 80
4.6 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования 80
5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 83
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 84
5.2 Производственная безопасность 86
5.2.1 Анализ вредных факторов 86
5.2.2 Разработка мероприятий по снижению воздействия вредных и опасных
факторов 87
5.3 Экологическая безопасность 92
5.3.1 Воздействие на литосферу 92
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 95
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 97
Несмотря на то, что область процесса каталитического крекинга достаточно развита, объем исследований по-прежнему высок из-за изменяющегося сырья и постоянных изменений в рыночных требованиях.
Нефтехимия является самым быстрорастущим источником повышения мирового спроса на сырую нефть. В 2018 году производство основных продуктов нефтехимии составляло 14,0 млн баррелей в сутки мирового спроса на сырую нефть и, по прогнозам, увеличится до 20,0 млн баррелей в сутки к 2050 году или около 50% ожидаемого роста спроса на нефть [1].
В настоящее время на российских предприятиях широко внедряются процессы глубокой переработки нефтяного сырья, в том числе каталитический крекинг, который является одним из основных крупнотоннажных процессов на современном НПЗ, работающих как по топливному, так и по нефтехимическому вариантам при переработке высокомолекулярного нефтяного сырья. Это диктует необходимость разработки ассортимента катализаторов крекинга различного назначения.
На протяжении последних десятилетий сформировалась прочная зависимость российских компаний как от импортных поставок катализаторов, так и систем моделирования, которые применяются в нефтеперерабатывающей отрасли, поэтому вопрос импортозамещения стоит достаточно остро. Например, по катализаторам гидроочистки и гидрокрекинга — ключевым процессам для производства дизельного топлива и глубокой переработки нефти — доля иностранных поставщиков составляет около 100%. Ситуация с каталитическим крекингом лучше — здесь зарубежных поставок порядка 50%.
Как при производстве, так и в процессе эксплуатации катализаторы тестируют в лабораторных условиях, при этом существует проблема прогнозирования показателей процесса при непрерывном изменении свойств катализатора на промышленных установках. Для этого необходимо выявить взаимосвязи результатов лабораторных испытаний катализаторов с моделью промышленного процесса. Соответственно, актуальна разработка модели, которая будет учитывать изменение свойств катализатора на базе результатов лабораторных испытаний и прогнозировать их влияние на показатели процесса в промышленных условиях.
Кроме того, сегодня наблюдается растущая потребность в газах каталитического крекинга как в нефтехимическом сырья. Легкие олефины являются основными нефтехимическими продуктами, используемыми в производстве полимеров. В этом состоит актуальность прогнозирования состава газа крекинга, зависящего от параметров технологического режима и состава сырья. Особенно остро такая задача стоит для установок, интегрированных с нефтехимическими заводами. Вместе с тем, в литературе ограничены исследования по моделированию процесса каталитического крекинга на основе схемы превращений углеводородов, ориентированной на прогнозирование индивидуального состава газов крекинга.
Поэтому целью работы является разработка математической модели процесса каталитического крекинга для прогнозирования показателей работы катализатора для перехода от лабораторной установки к промышленной, а также выхода и состава продуктов
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) выполнить численные исследования процесса каталитического крекинга, включающие мониторинг, обработку и анализ данных с промышленной и лабораторной установок каталитического крекинга;
2) разработать реакционную схему каталитического крекинга, чувствительную к составу сырья и обеспечивающую прогнозирование состава газов крекинга, бензина и количество кокса на основе термодинамического анализа реакций процесса;
3) определить кинетические параметры реакций процесса каталитического крекинга в лабораторных условиях, выявить их взаимосвязь с характеристиками катализатора;
4) разработать математическую модель процесса каталитического крекинга на основе полученной кинетической модели;
5) проверить модель на адекватность, соответствие лабораторным данным;
6) исследовать влияние состава сырья и технологических параметров ведения процесса на выход продуктов.
Нефтехимия является самым быстрорастущим источником повышения мирового спроса на сырую нефть. В 2018 году производство основных продуктов нефтехимии составляло 14,0 млн баррелей в сутки мирового спроса на сырую нефть и, по прогнозам, увеличится до 20,0 млн баррелей в сутки к 2050 году или около 50% ожидаемого роста спроса на нефть [1].
В настоящее время на российских предприятиях широко внедряются процессы глубокой переработки нефтяного сырья, в том числе каталитический крекинг, который является одним из основных крупнотоннажных процессов на современном НПЗ, работающих как по топливному, так и по нефтехимическому вариантам при переработке высокомолекулярного нефтяного сырья. Это диктует необходимость разработки ассортимента катализаторов крекинга различного назначения.
На протяжении последних десятилетий сформировалась прочная зависимость российских компаний как от импортных поставок катализаторов, так и систем моделирования, которые применяются в нефтеперерабатывающей отрасли, поэтому вопрос импортозамещения стоит достаточно остро. Например, по катализаторам гидроочистки и гидрокрекинга — ключевым процессам для производства дизельного топлива и глубокой переработки нефти — доля иностранных поставщиков составляет около 100%. Ситуация с каталитическим крекингом лучше — здесь зарубежных поставок порядка 50%.
Как при производстве, так и в процессе эксплуатации катализаторы тестируют в лабораторных условиях, при этом существует проблема прогнозирования показателей процесса при непрерывном изменении свойств катализатора на промышленных установках. Для этого необходимо выявить взаимосвязи результатов лабораторных испытаний катализаторов с моделью промышленного процесса. Соответственно, актуальна разработка модели, которая будет учитывать изменение свойств катализатора на базе результатов лабораторных испытаний и прогнозировать их влияние на показатели процесса в промышленных условиях.
Кроме того, сегодня наблюдается растущая потребность в газах каталитического крекинга как в нефтехимическом сырья. Легкие олефины являются основными нефтехимическими продуктами, используемыми в производстве полимеров. В этом состоит актуальность прогнозирования состава газа крекинга, зависящего от параметров технологического режима и состава сырья. Особенно остро такая задача стоит для установок, интегрированных с нефтехимическими заводами. Вместе с тем, в литературе ограничены исследования по моделированию процесса каталитического крекинга на основе схемы превращений углеводородов, ориентированной на прогнозирование индивидуального состава газов крекинга.
Поэтому целью работы является разработка математической модели процесса каталитического крекинга для прогнозирования показателей работы катализатора для перехода от лабораторной установки к промышленной, а также выхода и состава продуктов
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) выполнить численные исследования процесса каталитического крекинга, включающие мониторинг, обработку и анализ данных с промышленной и лабораторной установок каталитического крекинга;
2) разработать реакционную схему каталитического крекинга, чувствительную к составу сырья и обеспечивающую прогнозирование состава газов крекинга, бензина и количество кокса на основе термодинамического анализа реакций процесса;
3) определить кинетические параметры реакций процесса каталитического крекинга в лабораторных условиях, выявить их взаимосвязь с характеристиками катализатора;
4) разработать математическую модель процесса каталитического крекинга на основе полученной кинетической модели;
5) проверить модель на адекватность, соответствие лабораторным данным;
6) исследовать влияние состава сырья и технологических параметров ведения процесса на выход продуктов.
В результате выполнения данной работы выполнены численные и экспериментальные исследования процесса каталитического крекинга, включающие мониторинг, обработку и анализ данных с промышленной и лабораторной установок каталитического крекинга, а также проведение исследований по определению состава и свойств сырья и продуктов процесса. На основании которых, а также термодинамического анализа реакций процесса разработана реакционная схема каталитического крекинга, чувствительная к составу сырья и обеспечивающая прогнозирование индивидуального состава газов крекинга, бензина и количество кокса.
С применением модели определены кинетические параметры реакций процесса каталитического крекинга для трех существенно различающихся по микроактивности точек.
Выявлено, что константы скоростей реакций зависят от характеристик катализатора, поступающего на лабораторную установку. С увеличением содержания редкоземельных элементов и оксида алюминия с 0,703 до 0,766 % мас. и с 40,5 до 41,9 % мас., соответственно, в катализаторе возрастают скорости реакций переноса водорода и конденсации (k9=12 ^ 14 лс’1моль’1, ki0=54 ^ 58 лс’1моль’1, k12=0,01 0,08 лс’1моль’1, k13=10 12 лс’1моль’1, k14=28 ^ 73 лс’1моль’1), приводя к увеличению выхода кокса (на 2,7 % мас.) и снижая выход бензина на 2,18 % мас. Исследование характеристик катализатора показало, что с увеличением содержания кокса на регенерированном катализаторе из системы с 0,024 до 0,033 % мас., микроактивность снижается на 5 %, что влияет на выход бензина (проходит через максимум: 52,9 ^ 54,2 % мас.) и газов крекинга (увеличивается с 22,2 до 27,3 % мас) на лабораторной установке.
В результате разработана математическая модель процесса каталитического крекинга на основе полученной кинетической модели. Данная математическая модель позволяет определять кинетические параметры процесса с лабораторной установки и учитывает изменение активности катализатора в ходе эксплуатации. Была произведена верификация разработанной модели, результаты показали, что абсолютная погрешность по расчету продуктов процесса и состава газов не превышает 5 % мас.
С помощью разработанной математической модели процесса каталитического крекинга было исследовано влияние состава сырья, температуры и активности регенерированного катализатора на выход целевых продуктов. Исследование параметрической чувствительности показало, что изменение выхода продуктов и состава продуктов крекинга согласуются с теоретическими закономерностями процесса.
Таким образом разработанная модель учитывает параметры дезактивации катализатора и адекватно описывает влияние температуры процесса, состава сырья на выход целевых продуктов и пригодна для определения кинетических параметров и прогнозирования состава газов крекинга.
Результаты будут использованы при создании модуля непрерывного учета изменения свойств катализатора в модели промышленного процесса.
С применением модели определены кинетические параметры реакций процесса каталитического крекинга для трех существенно различающихся по микроактивности точек.
Выявлено, что константы скоростей реакций зависят от характеристик катализатора, поступающего на лабораторную установку. С увеличением содержания редкоземельных элементов и оксида алюминия с 0,703 до 0,766 % мас. и с 40,5 до 41,9 % мас., соответственно, в катализаторе возрастают скорости реакций переноса водорода и конденсации (k9=12 ^ 14 лс’1моль’1, ki0=54 ^ 58 лс’1моль’1, k12=0,01 0,08 лс’1моль’1, k13=10 12 лс’1моль’1, k14=28 ^ 73 лс’1моль’1), приводя к увеличению выхода кокса (на 2,7 % мас.) и снижая выход бензина на 2,18 % мас. Исследование характеристик катализатора показало, что с увеличением содержания кокса на регенерированном катализаторе из системы с 0,024 до 0,033 % мас., микроактивность снижается на 5 %, что влияет на выход бензина (проходит через максимум: 52,9 ^ 54,2 % мас.) и газов крекинга (увеличивается с 22,2 до 27,3 % мас) на лабораторной установке.
В результате разработана математическая модель процесса каталитического крекинга на основе полученной кинетической модели. Данная математическая модель позволяет определять кинетические параметры процесса с лабораторной установки и учитывает изменение активности катализатора в ходе эксплуатации. Была произведена верификация разработанной модели, результаты показали, что абсолютная погрешность по расчету продуктов процесса и состава газов не превышает 5 % мас.
С помощью разработанной математической модели процесса каталитического крекинга было исследовано влияние состава сырья, температуры и активности регенерированного катализатора на выход целевых продуктов. Исследование параметрической чувствительности показало, что изменение выхода продуктов и состава продуктов крекинга согласуются с теоретическими закономерностями процесса.
Таким образом разработанная модель учитывает параметры дезактивации катализатора и адекватно описывает влияние температуры процесса, состава сырья на выход целевых продуктов и пригодна для определения кинетических параметров и прогнозирования состава газов крекинга.
Результаты будут использованы при создании модуля непрерывного учета изменения свойств катализатора в модели промышленного процесса.