Моделирование стабилизационной колонны процесса гидроочистки дизельного топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование стабилизационной колонны процесса гидроочистки дизельного топлива

КУДРЯВЦЕВА Т.А.

СОТНИКОВ В.В.

СИБАРОВ Д.А.

Suggested article describes a modeling approach of stabilization columns - one of the main sydroprocessing apparatus used to separate vapor-liquid fraction coming from a separator. Mathematical model being developed is important while creating gas purification management block system.

Одним из распространенных процессов нефтепереработки является процесс гидроочистки, обеспечивающий улучшение качества бензинов, керосинов и дизельных топлив. газ очистка сепаратор

В технологическом процессе гидроочистки существенные значения имеет блок стабилизации дизельного топлива (БСДТ), предназначенный для отгона растворенных в парожидкостной смеси (ПЖС), получаемой на выходе из горячего и холодного сепаратора реакторного блока [1], газов и «легких» соединений с целью получения продукта с заданными характеристиками. Упрощенно БСДТ можно представить в виде стабилизационной колонны, теплообменника и сепаратора. Схема БСДТ приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - стабилизации дизельного топлива, где: 1 - колонна стабилизации; 2 - охлаждающий теплообменник, охлаждающий дистиллят; 3 - сепаратор; Х1 - ПЖС {.пит - расход смеси ПЖС, кг/ч; C_H2S.пит, C_CH4.пит, C_C2H6.пит, C_C3H8.пит, C_C4H10.пит, Ci_C4H10.пит, C_NH3.пит, С_H2O.пит, C_{бен.пит}, C_дт.пит - концентрация сероводорода, метана, этана, пропана, бутанов, бензина (бен.) и дизельного топлива (ДТ), соответственно , мол.доля; Tсм - температура смеси, К; Рсм - давление смеси, МПа}; Х2 - водородосодержащий газ (ВСГ) {G_всг - расход ВСГ, кг/ч; С_H2.всг, С_СН4.всг, С_{С2Н6.всг}, С_{С3Н8.всг}, С _C4H10.всг, Ci_C4H10.всг - мольные доли компонентов ВСГ; Т_вх.всг - температура входа ВСГ в колонну; Р_вх.всг - давление входа ВСГ в колонну}; Х3 - выход стабильного дизельного топлива {G_дт}; Х4 - выход дистиллята или отгон-бензина {G_{см.отгон} - расход смеси отгон - бензина; С_{H2S.отгон} , С_{г.отгон} , С_{бен.отгон} - мольные доли сероводорода, газа и бензина-отгона в смеси, мол.доля; }; Х5 - углеводородный газ, Х6 - поток, выходящий из сепаратора и разделяемый на флегму{G_фл - расход флегмы (фл.), кг/ч; Т_фл - температура флегмы; C_H2S.фл, C_CH4.фл, C_C2H6.фл, C_C3H8.фл, C_C4H10.фл, Ci_C4H10.фл, C_NH3.фл, С_H2O.фл, C_бен.фл, C_дт.фл, мол.доля } и поток отбираемого бензина, идущего на отдув из него сероводорода

Процесс функционирования БСДТ кратко можно описать следующим образом. ПЖС поступает в стабилизационную колонну. При этом от гидрогенизата, подаваемого в колонну, отгоняется бензиновая фракция, образовавшаяся при гидроочистке (рефлюкс), и газ гидрокрекинга (Х4). Отгон легких фракций осуществляется подачей в низ стабилизационной колонны горячего водородосодержащего газа. Степень удаления легкокипящих углеводородов оказывает влияние на качество стабильного топлива, выходящего снизу колонны, при этом критерием качества является температура вспышки. Смесь газов и паров, уходящих сверху колонны, после холодильника попадает в сепаратор. Выделившиеся здесь газы идут на очистку от H2S (Х5), жидкая фракция (Х6) частично направляется в колонну в виде флегмы, а остальная часть - на удаление из бензиновой фракции сероводорода, при этом эти 2 потока жидкой фракции равны по составу. Тепловой режим колонны обеспечивается теплотой ПЖС и потоками горячего ВСГ. Выходящее из нижней части колонны стабильное ДТ направляется с установки в товарный парк. Требуемое качество функционирования блока стабилизации дизельного топлива обеспечивается системой регулирования путем изменения подачи флегмы и расхода ВСГ. При моделировании стабилизационной колонны были приняты следующие допущения: а) математическое описание представляет собой уравнение материального баланса ректификационной колонны тарельчатого типа; б) выход дизельного топлива с низа установки осуществляется полностью или частично из ПЖС в зависимости от значения коэффициента k_стаб; в) принимаем, что значение k_стаб = 1 при температуре вспышки дизельного топлива (ДТ) 70⁰ С и ниже, k_стаб = 0,9 при температуре вспышки ДТ 90⁰ С и более. При температурах вспышки в интервале от 70 до 90⁰ С , рассчитываем исходя из пропорции температуры вспышки ДТ и k_стаб; г) температура ДТ равняется температуре низа колонны, которая рассчитывается по математической модели и сравнивается с принятыми экспериментальными значениями для выяснения качества гидроочистки; д) влияние температуры вспышки дизельного топлива описывается уравнением регрессии, которая получена на основании пассивного эксперимента работы стабилизационной колонны [1]; е) температура входа сырья = 220⁰; ж) температура верха колонны = 130⁰; з) температура низа колонны не ниже 260⁰ ; к) давление в колонне около 0,16МПа. Процесс гидроочистки подвержен различного рода возмущениям (детерменированным и стохастическим) как со стороны подаваемой сырой нефти, так и со стороны последующих цехов нефтеперерабатывающего завода. Основные возмущения в самом технологическом процессе - изменение состава ПЖС, изменение характеристик охлаждающих агентов в теплообменниках (суточные колебания температуры и давления внешней среды, коммутационные изменения в технологических схемах). Поэтому разрабатываемая математическая модель должна быть адаптирована к конкретной установке гидроочистки c учетом реальных сырьевых потоков (ПЖС), хладоагента (ВСГ), их температуры и давления [2]. Запишем уравнения материального баланса для всей стабилизационной колонны по общему количеству молей потоков и по каждому компоненту [1]:

· Из уравнений материальных балансов (1) - (5) всего объема колонны, записанных по общему количеству молей потоков и по каждому компоненту, определяем количества и составы бензина-отгона и дизельного топлива.

· Концентрацию газа, выделившегося из жидкости, определяют по формуле [3]:

,

где:

- упругость насыщенного пара i-го компонента, атм;

- концентрация жидкой фазы i -го компонента;

- концентрация газовой фазы i -го компонента;

P - общее давление, атм;

R - универсальная газовая постоянная;

T - температура на тарелке, К;

k_i - константа фазового равновесия i-го компонента.

· Проверяем условия: .

· Температуру вспышки определяем по уравнению регрессии [1]:

· Константу стабилизации рассчитываем по формуле [1]:

· При заданном давлении подбираем такое значение константы фазового равновесия k_i , при котором это значение по заданной температуре превратит следующее уравнение в тождество [3]: , где i=1,..n - это компоненты смеси;

- мольная доля жидкой фазы i-го компонента в бензине-отгоне, мол.доля.

· Температуру верха колонны определяем методом постепенного приближения по уравнению равновесия фаз [3]: , где i=1,..n - это компоненты смеси;

- мольная доля газовой фазы i-го компонента в дистилляте, мол.доля.

путем подбора такого ее значения, при котором найденные константы фазового равновесия для заданного давления в колонне, будучи подставлены в это уравнение, превращают его в тождество.

· Температуру низа колонны определяем методом постепенного приближения по уравнению равновесия фаз [3]: , где i=1,..n - это компоненты смеси; - мольная доля газовой фазы i-го компонента в стабильном дизельном топливе, мол.доля, путем подбора такого ее значения, при котором константы фазового равновесия для давления низа колонны (принимаем его на некоторое число - можно задавать оператором - больше давления верха колонны), будучи подставленными в это уравнение превращают его в тождество.

· Коэффициент относительной летучести вычисляем по формуле [3]:

,

где i=1,..n - это компоненты смеси; - константа фазового равновесия компонента, принятого за эталонный (т.е. компонент с относительной летучестью равной 1).

· Мольную долю отгона e исходного сырья и составы фаз при заданных значениях температуры и давления средней тарелки рассчитываем методом Трегубова [3] по формулам:

путем подбора такого значения e, при котором удовлетворяются эти равенства.

· По уравнению Андервуда [3]:

методом подбора находим параметр , беря значение а_i для компонентов системы при средней температуре в колонне.

· Минимальное флегмовое число рассчитываем по следующему уравнению Андервуда:

.

Математическая модель стабилизационной колонны разработана на основе адаптации метода расчета материального баланса ректификационной колонны к исследуемому объекту. Она позволяет вычислять выход дистиллята (отгон-бензина), кубового остатка (дизельного топлива), минимальное флегмовое число, определяемое задаваемыми температурой, давлением и составом смеси, уточнить состав компонентов смеси отгон-бензина и дизельного топлива, а также осуществлять сравнение температуры верха и низа колонны с экспериментальными данными для определения качества продуктов процесса гидроочистки.

Проведенный тестовый пример показал приемлемость предложенной модели для описания стабилизационной колонны и необходимость её коррекции с учетом экспериментальных данных, полученных с конкретной установки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сотников, В.В. Автоматизированное проектирование и управление процессом гидроочистки дизельного топлива [Текст] / В.В. Сотников, Н.В. Лисицын, Д.А. Сибаров, А.Н. Борзов. - СПб. : Химиздат, 2006.

2. Аспель, Н.Б. Гидроочистка моторных топлив [Текст] / Н.Б. Аспель, Г.Г. Демкина. - Л. : Химия, 1977.

3. Кузнецов, А.А. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности [Текст] / А.А. Кузнецов, С.М. Кагерманов, Е.Н. Судаков. - Л. : Химия, 1974.

Размещено на Allbest.ru