Помощь студентам в учебе
Разработка математической модели реактора каталитического крекинга
|
Введение 10
1. Обзор литературы 13
1.1 Современные технологии процесса каталитического крекинга 14
1.2 Опыт моделирования процесса каталитического крекинга. Подходы к формализации схем
превращений углеводородов 18
2 Объект и методы исследования 27
2.1 Технология каталитического крекинга 27
2.2 Физико-химические основы процесса каталитического крекинга 29
2.2.1 Химизм процесса каталитического крекинга 29
2.2.2 Механизм реакций каталитического крекинга 30
2.3 Исходные данные для исследования 32
3 Определение термодинамических и кинетических закономерностей процесса каталитического
крекинга 34
3.1 Термодинамический анализ реакций процесса каталитического крекинга 35
3.2 Построение формализованной схемы превращения углеводородов в процессе каталитического
крекинга 37
3.3 Разработка кинетической модели процесса каталитического крекинга 39
3.4 Составление уравнений теплового баланса реактора каталитического крекинга 41
3.5 Обоснование гидродинамического режима работы реактора 42
3.6 Разработка модели реактора каталитического крекинга и её программная реализация 50
3.7 Разработка модели колонны разделения продуктов каталитического крекинга в HYSYS 51
3.8 Проверка разработанной модели реактора и колонны разделения на адекватность 54
3.9 Оценка влияния технологических параметров на выход продуктов процесса каталитического
крекинга 55
3.10 Прогнозирование выхода продуктов каталитического крекинга с учетом состава
перерабатываемого сырья 69
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 72
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 73
4.2 Инициация проекта 78
4.3 Планирование научно-исследовательских работ 80
4.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 83
4.5 Организационная структура проекта 87
4.6 Оценка сравнительной эффективности исследования 87
5 Раздел «Социальная ответственность» 90
5.1 Характеристика опасностей производства 91
5.2 Методы и средства защиты работающих от производственных опасностей 95
5.3 Методы и средства контроля за содержанием взрывоопасных и токсичных веществ в воздухе
рабочей зоны 97
5.4 Защита в чрезвычайных ситуациях 97
5.5 Нормы и требования, ограничивающие воздействие процессов производства и выпускаемой
продукции на окружающую среду 98
Заключение 100
Список публикаций 102
Список используемых источников 105
Приложение А 111
Приложение Б_Схемы некоторых установок каталитического крекинга: (a) каскадная установка UOP ; (b) модель IV; (c) Exxon установка на флюидизированном катализаторе; (d) R2R установка (Монтгомери) 125
Приложение В_Календарный план-график проведения НИОКР по теме 126
Приложение ^Характеристика токсических, пожаро- и взрывоопасных свойств сырья, полупродуктов, готовой продукции и отходов производства 128
1. Обзор литературы 13
1.1 Современные технологии процесса каталитического крекинга 14
1.2 Опыт моделирования процесса каталитического крекинга. Подходы к формализации схем
превращений углеводородов 18
2 Объект и методы исследования 27
2.1 Технология каталитического крекинга 27
2.2 Физико-химические основы процесса каталитического крекинга 29
2.2.1 Химизм процесса каталитического крекинга 29
2.2.2 Механизм реакций каталитического крекинга 30
2.3 Исходные данные для исследования 32
3 Определение термодинамических и кинетических закономерностей процесса каталитического
крекинга 34
3.1 Термодинамический анализ реакций процесса каталитического крекинга 35
3.2 Построение формализованной схемы превращения углеводородов в процессе каталитического
крекинга 37
3.3 Разработка кинетической модели процесса каталитического крекинга 39
3.4 Составление уравнений теплового баланса реактора каталитического крекинга 41
3.5 Обоснование гидродинамического режима работы реактора 42
3.6 Разработка модели реактора каталитического крекинга и её программная реализация 50
3.7 Разработка модели колонны разделения продуктов каталитического крекинга в HYSYS 51
3.8 Проверка разработанной модели реактора и колонны разделения на адекватность 54
3.9 Оценка влияния технологических параметров на выход продуктов процесса каталитического
крекинга 55
3.10 Прогнозирование выхода продуктов каталитического крекинга с учетом состава
перерабатываемого сырья 69
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 72
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 73
4.2 Инициация проекта 78
4.3 Планирование научно-исследовательских работ 80
4.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 83
4.5 Организационная структура проекта 87
4.6 Оценка сравнительной эффективности исследования 87
5 Раздел «Социальная ответственность» 90
5.1 Характеристика опасностей производства 91
5.2 Методы и средства защиты работающих от производственных опасностей 95
5.3 Методы и средства контроля за содержанием взрывоопасных и токсичных веществ в воздухе
рабочей зоны 97
5.4 Защита в чрезвычайных ситуациях 97
5.5 Нормы и требования, ограничивающие воздействие процессов производства и выпускаемой
продукции на окружающую среду 98
Заключение 100
Список публикаций 102
Список используемых источников 105
Приложение А 111
Приложение Б_Схемы некоторых установок каталитического крекинга: (a) каскадная установка UOP ; (b) модель IV; (c) Exxon установка на флюидизированном катализаторе; (d) R2R установка (Монтгомери) 125
Приложение В_Календарный план-график проведения НИОКР по теме 126
Приложение ^Характеристика токсических, пожаро- и взрывоопасных свойств сырья, полупродуктов, готовой продукции и отходов производства 128
Ввиду увеличения потребления бензина и дизельного топлива, а также роста доли добычи и переработки тяжелой нефти, нефтеперерабатывающая промышленность характеризуется направленностью на увеличение мощностей деструктивных и облагораживающих процессов, увеличения производства светлых нефтепродуктов и снижения производства топочного мазута. При этом одним из наиболее развивающихся вторичных деструктивных каталитических процессов нефтеперерабатывающей промышленности России является каталитический крекинг.
В настоящее время на НПЗ России осуществляется модернизация установок вторичной переработки, предполагающая значительное повышение глубины переработки и качества производимых нефтепродуктов (все моторные топлива будут соответствовать европейскому экологическому классу Евро-5).
Вместе с тем необходимо повышать эффективность процессов глубокой переработки нефти в части увеличения выхода бензина крекинга и улучшения его качества.
Оптимизация действующих установок производства светлых нефтепродуктов из тяжелых нефтяных фракций, их адаптация к изменяющемуся сырью, а также отработка технологических режимов на вновь вводимых технологических объектах наиболее эффективна с применением стратегии системного анализа, в частности методов математического и кинетико-термодинамического моделирования.
Целью данной работы является определение оптимального технологического режима для получения максимального выхода бензиновой фракции при переработке вакуумного дистиллята на установке каталитического крекинга с учетом состава перерабатываемого сырья.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:
1. Установить термодинамические закономерности процесса каталитического крекинга с применением квантово-химических методов.
2. Составить формализованную схему превращений углеводородов в процессе КК с учетом их реакционной способности на основании результатов термодинамического анализа.
3. Разработать кинетическую модель процесса КК, установить кинетические параметры реакций процесса каталитического крекинга в ходе решения обратной кинетической задачи.
4. Установить и обосновать гидродинамический режим работы реактора.
5. Составить уравнения материального и теплового баланса реактора КК.
6. Разработать модель реактора КК, которая включает в себя кинетическую составляющую и уравнение теплового баланса, выполнить программную реализацию разработанной модели.
7. Разработать компьютерную модель колонны разделения продуктов каталитического крекинга в HYSYS.
8. Проверить разработанные модели реактора и колонны разделения на адекватность промышленным данным.
9. Оценить влияние технологических параметров на выход продуктов процесса каталитического крекинга.
10. Спрогнозировать выход продуктов каталитического крекинга с учетом режимов работы реактора и колонны ректификации.
Научная новизна данной работы заключается в установлении уровня формализации механизма превращения углеводородов в процессе каталитического крекинга, обеспечивающего универсальность и адекватность математического описания промышленного лифт-реактора каталитического крекинга в широком интервале изменения технологических условий.
Результаты научного исследования могут быть использованы для повышения ресурсоэффективности установки каталитического крекинга, а именно прогнозирования выхода светлых фракций в технологии каталитического крекинга, а также определения оптимального режима работы реактора для достижения максимального выхода бензиновой фракции.
Научная работа отмечена Дипломом I степени на Всероссийском
конференции-конкурсе студентов выпускного курса и Дипломом II степени на Международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы
недропользования».
В рамках проведенных исследований было получено два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ:
- №2015661356 "Кинетическая модель процесса каталитического крекинга вакуумного дистиллята". Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 26 октября 2015 г.
- №2014661321 "Расчет показателей процесса каталитического крекинга вакуумного газойля". Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 28 октября 2014г.
В настоящее время на НПЗ России осуществляется модернизация установок вторичной переработки, предполагающая значительное повышение глубины переработки и качества производимых нефтепродуктов (все моторные топлива будут соответствовать европейскому экологическому классу Евро-5).
Вместе с тем необходимо повышать эффективность процессов глубокой переработки нефти в части увеличения выхода бензина крекинга и улучшения его качества.
Оптимизация действующих установок производства светлых нефтепродуктов из тяжелых нефтяных фракций, их адаптация к изменяющемуся сырью, а также отработка технологических режимов на вновь вводимых технологических объектах наиболее эффективна с применением стратегии системного анализа, в частности методов математического и кинетико-термодинамического моделирования.
Целью данной работы является определение оптимального технологического режима для получения максимального выхода бензиновой фракции при переработке вакуумного дистиллята на установке каталитического крекинга с учетом состава перерабатываемого сырья.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:
1. Установить термодинамические закономерности процесса каталитического крекинга с применением квантово-химических методов.
2. Составить формализованную схему превращений углеводородов в процессе КК с учетом их реакционной способности на основании результатов термодинамического анализа.
3. Разработать кинетическую модель процесса КК, установить кинетические параметры реакций процесса каталитического крекинга в ходе решения обратной кинетической задачи.
4. Установить и обосновать гидродинамический режим работы реактора.
5. Составить уравнения материального и теплового баланса реактора КК.
6. Разработать модель реактора КК, которая включает в себя кинетическую составляющую и уравнение теплового баланса, выполнить программную реализацию разработанной модели.
7. Разработать компьютерную модель колонны разделения продуктов каталитического крекинга в HYSYS.
8. Проверить разработанные модели реактора и колонны разделения на адекватность промышленным данным.
9. Оценить влияние технологических параметров на выход продуктов процесса каталитического крекинга.
10. Спрогнозировать выход продуктов каталитического крекинга с учетом режимов работы реактора и колонны ректификации.
Научная новизна данной работы заключается в установлении уровня формализации механизма превращения углеводородов в процессе каталитического крекинга, обеспечивающего универсальность и адекватность математического описания промышленного лифт-реактора каталитического крекинга в широком интервале изменения технологических условий.
Результаты научного исследования могут быть использованы для повышения ресурсоэффективности установки каталитического крекинга, а именно прогнозирования выхода светлых фракций в технологии каталитического крекинга, а также определения оптимального режима работы реактора для достижения максимального выхода бензиновой фракции.
Научная работа отмечена Дипломом I степени на Всероссийском
конференции-конкурсе студентов выпускного курса и Дипломом II степени на Международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы
недропользования».
В рамках проведенных исследований было получено два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ:
- №2015661356 "Кинетическая модель процесса каталитического крекинга вакуумного дистиллята". Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 26 октября 2015 г.
- №2014661321 "Расчет показателей процесса каталитического крекинга вакуумного газойля". Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 28 октября 2014г.
В результате проведенных исследований были установлены термодинамические закономерности процесса каталитического крекинга с применением квантово-химических методов. Установлено, что набольшей термодинамической вероятностью характеризуются реакции крекинга высокомолекулярных парафинов (ДGср = -74,86 кДж/моль), перераспределения водорода (ДGср= - 111,76 кДж/моль), дегидрирования нафтенов (ДGср = -124,63 кДж/моль), деалкилирования ароматических углеводородов (ДGср = -89,04 кДж/моль) и нафтенов (ДGср = -120,4 кДж/моль), а также реакции коксообразования (ДGср= - 702,67 кДж/моль).
На основании проведенного термодинамического анализа составлена формализованная схема превращений, которая включает в себя 12 псевдокомпонентов, участвующих в прямых и обратных реакциях.
Разработана квазигомогенная кинетическая модель процесса КК и установлены кинетические параметры реакций процесса каталитического крекинга в ходе решения обратной кинетической задачи. Установлено, что с наибольшей скоростью протекают реакции перераспределения водорода (кпр= 29,72 л-с- ^моль-1), крекинга парафиновых (кпр= 1,02 ■ 10-1 с-1) и олефиновых углеводородов (кпр= 2,1610-1 с-1), деалкилирования нафтеновых (кпр 5,82 ■ 10-1 с-1) и ароматических углеводородов (кпр= 2,1610-1 с-1), а также реакции поликонденсации ароматических углеводородов (кпр= 4.6810-1 л-с-1-моль-1) и коксообразования (кпр= 5.3 10-1 с-1). Наименее интенсивными реакциями при технологических условиях процесса являются реакции изомеризации (кпр=2,90 10-4 с-1) и крекинга низкомолекулярных парафиновых углеводородов (кпр= 5,96 10- с-), а так же реакции циклизации олефинов (кпр=5,7910- л-с- •моль-).
По результатам проведенных расчетов обоснован выбор в качестве модели реактора модель идеального вытеснения. Составлено уравнение теплового баланса реактора КК, учитывающее теплообмен между газосырьевой смесью и катализатором процесса.
Разработана адекватная модель реактора КК, которая включает в себя уравнения материального и теплового баланса с учетом гидродинамического режима движения реакционной смеси. Модель позволяет проводить прогнозный расчет выхода и состава продуктов КК с учетом состава сырья и технологических параметров процесса. Программная реализация осуществлена в среде программирования Delphi 7.
Разработана адекватная модель колонны разделения продуктов каталитического крекинга в HYSYS, позволяющая проводить расчеты, направленные на определение технологических параметров процесса ректификации продуктов КК. В качестве исходных данных для расчета на модели колонны разделения служит групповой состав, рассчитанный на модели реактора каталитического крекинга. Применение модели колонны разделения продуктов КК совместно с моделью реактора процесса при прогнозировании выходов продуктов КК с установки КТ-1/1 позволяет комплексно рассматривать технологию каталитического крекинга и учитывать влияние не только технологических параметров работы лифт-реактора, но и режим работы колонны ректификации на количественный и качественный состав продуктов.
Проведение расчетов с применением математической модели процесса позволяет осуществлять корректировку технологического режима (кратность циркуляции катализатора, температура и расход сырья, температура регенерированного катализатора, расход шлама, расход водяного пара на распыл сырья и в зону десорбции углеводородов с поверхности катализатора, расход воздуха на регенерацию и др.) в зависимости от состава перерабатываемого сырья и количества кокса на катализаторе.
Так, в результате проведенных исследований были выработаны рекомендации по организации технологического режима процесса каталитического крекинга, который обеспечивает повышение производительности установки по бензину на 318 т/сут. для сырья с соотношением парафинов к ароматике 2,4 и на 380 т/сут. для сырья с соотношением 1,56.
На основании проведенного термодинамического анализа составлена формализованная схема превращений, которая включает в себя 12 псевдокомпонентов, участвующих в прямых и обратных реакциях.
Разработана квазигомогенная кинетическая модель процесса КК и установлены кинетические параметры реакций процесса каталитического крекинга в ходе решения обратной кинетической задачи. Установлено, что с наибольшей скоростью протекают реакции перераспределения водорода (кпр= 29,72 л-с- ^моль-1), крекинга парафиновых (кпр= 1,02 ■ 10-1 с-1) и олефиновых углеводородов (кпр= 2,1610-1 с-1), деалкилирования нафтеновых (кпр 5,82 ■ 10-1 с-1) и ароматических углеводородов (кпр= 2,1610-1 с-1), а также реакции поликонденсации ароматических углеводородов (кпр= 4.6810-1 л-с-1-моль-1) и коксообразования (кпр= 5.3 10-1 с-1). Наименее интенсивными реакциями при технологических условиях процесса являются реакции изомеризации (кпр=2,90 10-4 с-1) и крекинга низкомолекулярных парафиновых углеводородов (кпр= 5,96 10- с-), а так же реакции циклизации олефинов (кпр=5,7910- л-с- •моль-).
По результатам проведенных расчетов обоснован выбор в качестве модели реактора модель идеального вытеснения. Составлено уравнение теплового баланса реактора КК, учитывающее теплообмен между газосырьевой смесью и катализатором процесса.
Разработана адекватная модель реактора КК, которая включает в себя уравнения материального и теплового баланса с учетом гидродинамического режима движения реакционной смеси. Модель позволяет проводить прогнозный расчет выхода и состава продуктов КК с учетом состава сырья и технологических параметров процесса. Программная реализация осуществлена в среде программирования Delphi 7.
Разработана адекватная модель колонны разделения продуктов каталитического крекинга в HYSYS, позволяющая проводить расчеты, направленные на определение технологических параметров процесса ректификации продуктов КК. В качестве исходных данных для расчета на модели колонны разделения служит групповой состав, рассчитанный на модели реактора каталитического крекинга. Применение модели колонны разделения продуктов КК совместно с моделью реактора процесса при прогнозировании выходов продуктов КК с установки КТ-1/1 позволяет комплексно рассматривать технологию каталитического крекинга и учитывать влияние не только технологических параметров работы лифт-реактора, но и режим работы колонны ректификации на количественный и качественный состав продуктов.
Проведение расчетов с применением математической модели процесса позволяет осуществлять корректировку технологического режима (кратность циркуляции катализатора, температура и расход сырья, температура регенерированного катализатора, расход шлама, расход водяного пара на распыл сырья и в зону десорбции углеводородов с поверхности катализатора, расход воздуха на регенерацию и др.) в зависимости от состава перерабатываемого сырья и количества кокса на катализаторе.
Так, в результате проведенных исследований были выработаны рекомендации по организации технологического режима процесса каталитического крекинга, который обеспечивает повышение производительности установки по бензину на 318 т/сут. для сырья с соотношением парафинов к ароматике 2,4 и на 380 т/сут. для сырья с соотношением 1,56.