СКАЧАТЬ:  kursovayat.zip [1,16 Mb] (cкачиваний: 103)
 

Курсовая работа

по дисциплине: Моделирование систем

на тему:

Составление математической модели атмосферной колонны

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. 4

1.Теоретическая часть. 7

1.1. Общая характеристика секции атмосферно-вакуумной трубчатки(АВТ) 7

1.2. Описание технологического процесса и технологической схемы секции. 9

2. Экспериментальная часть. 16

2.1. Получение статической модели колонны Т-101. 16

2.2. Составление динамической модели колонны ректификации. 36

3. Расчетная часть. 40

3.1. Тепловой баланс колонны ректификации. 40

3.2. Материальный баланс  колонны ректификации. 44

3.3. Уравнение рабочей линии. 47

3.4. Оптимизация квадратичной функции. 48

4. Проектная часть. 50

Заключение. 51

Список литературы.. 52

Приложение 1. Статистические таблицы.. 53

Приложение 2. Спецификация. 56

Приложение 3. Функциональная схема автоматизации. 57

ВВЕДЕНИЕ

При проектировании и анализе объектов на один и тот же объект могут быть составлены различные математические модели. Выбор модели зависит от поставленных задач, требуемой точности решения, от наличия обоснованных исходных данных.

Использование методов математического моделирования применительно к анализу и расчёту процессов нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей технологии позволяет выявлять оптимальные условия их проведения. Более того, представляется возможным не только оптимально осуществлять сами процессы, но  и оптимально управлять ими при нарушении режимов работы или изменении отдельных параметров.

На современном этапе важнейшая задача нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей  промышленности заключается в составлении и использовании двух алгоритмов: оптимального проектирования процесса и оптимального управления данным процессом.

Математическое моделирование особенно важно там, где не совсем ясна физическая картина изучаемого явления, не познан внутренний механизм взаимодействия и, следовательно, нет возможности описать данное явление обобщённым уравнением. Математическое моделирование позволяет резко сократить сроки научных и проектных разработок. По сравнению с натурным экспериментом это обычно и дешевле, и быстрее.[3]

Курсовая работа содержит:

расчётно-пояснительную записку, состоящую из введения, технологической, экспериментальной, расчётной и проектной части;

приложения: спецификация схем автоматизации, функциональная схема автоматизации.

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Общая характеристика секции атмосферно-вакуумной трубчатки(АВТ)

АВТ - предназначена для атмосферной перегонки сырой нефти с содержанием серы до 1,95 %; блок отбензинивания нефти обеспечивает получение легкого прямогонного бензина (фр. НК –85^оС) и сухого газа с параметрами, позволяющими провести его очистку и использовать в качестве технологического топлива.

В то же время низкая температура сырья колонны стабилизации позволяет использовать опыт нефтеперерабатывающих заводов по борьбе с коррозией оборудования и трубопроводов блока АВТ при переработке сернистых нефтей.

  В результате технологического процесса на секции 100 получаются следующие продукты, являющиеся сырьем вторичных процессов комбинированной установки “Петрофак”:

-   углеводородный газ – топливо печей установки после очистки от H2S на секции 500; 

-   компонент бензина (фр. НК-85^оС) - сырье секции 300 (гидроочистка бензина); а также по мере необходимости, смешивается с товарным

-   бензином секции 200;

-   отбензининная нефть – сырье блока АВТ (секция 100);

-   бензин прямогонный – сырье секции 300 (гидроочистка бензина);

-   дизельное топливо прямогонное - сырье секции 400 (гидроочистка дизельного топлива);

-   гудрон (вакуумный остаток куба колонны Т-104) – сырье секции 700 (окисление битума);

-   готовый продукт - мазут марки М40 или М100.

Состав секции

  В состав секции 100 входят следующие блоки:

-   теплообменников и электрообессоливания;

-   печей;

-   блок отбензинивания нефти;

-   атмосферной перегонки нефти;

-   вакуумной перегонки мазута.

Количество технологических линий и их назначение

1.  Электрообессоливание нефти осуществляется по одноступенчатой схеме. Предназначено для удаления солей и пластовой воды из нефти.

2.  Разогрев нефти и мазута производится в печах вертикального типа с использованием только газообразного топлива.

3.  Отбензинивание сырой нефти осуществляется в результате процесса ректификации. Предназначено для увеличения производства моторных топлив, защиты основного оборудования секций 100 и 300 от коррозии и утилизации углеводородных газов секции 100.

4.  Атмосферная перегонка отбензинивания сырой нефти осуществляется с помощью ректификации в колонне T-101. Предназначена для выделения нефтяных фракций.

5.  Вакуумная перегонка мазута осуществляется в насадочной колонне под вакуумом 18 мм. рт.ст. для выделения нефтяных фракций.

6.  Предусмотрен узел подачи реагентов:

-   раствор деэмульгатора для проведения процесса электрообессоливания;

-   раствор щелочи;

-   содо-елочной раствор;

-    нейтрализующего амина и ингибитора коррозии с целью антикоррозионной защиты оборудования.

1.2. Описание технологического процесса и технологической схемы секции

Нефть представляет собой сложную жидкую смесь близко кипящих углеводородов и высокомолекулярных углеводородных соединений. В ней растворены газообразные (до 4 %) и твердые углеводороды. Углеводороды с числом атомов углерода от 1 до 4, т.е. метан, этан, пропан, бутан и изобутан, - газообразные углеводороды. Углеводороды С₅ - С₁₅ при нормальных условиях находятся в жидком состоянии. Углеводороды С₁₆ - С₃₄ и выше являются твердыми углеводородами, они образуют парафины и церезины. Их содержание в нефти составляет до 5 %, иногда до 12 %. В нефти содержатся также в небольших концентрациях неуглеводородные соединения, органические кислоты и некоторые другие вещества.

По химическому составу углеводороды нефти относятся к следующим классам соединений: парафиновые, нафтеновые и ароматические. Ненасыщенных углеводородных соединений в нефти мало, но они в большом количестве образуются при термической обработке нефти.

Парафиновые углеводороды нефти представлены соединениями как с неразветвлённой цепью (нормального строения), так и с разветвленной цепью (изостроения), например, н-бутан и изобутан:

СН₃ ¾ СН₂ ¾ СН₂ ¾ СН₃                             СН₃¾ СН ¾ СН₃

                                                                                        | 

                                                                                      СН₃

Парафиновых углеводородов нормального строения в нефти значительно больше, чем углеводородов изостроения. Однако целью ряда процессов переработки нефти является получение именно изомеров, поскольку их наличие значительно улучшает эксплуатационные характеристики топлива. Так, с увеличением содержания углеводородов изостроения в автомобильных бензинах повышается их октановое число.

Из нафтеновых углеводородов в качестве примера можно назвать циклопентан С₅Н₁₀ и циклогексан С₆Н₁₂.Наличие нафтеновых углеводородов в реактивных и дизельных топливах положительно сказывается на их эксплуатационных свойствах. Нафтеновые углеводороды обладают большей термической стойкостью, чем парафиновые; они менее склонны к нагарообразованию в двигателях, чем ароматические углеводороды.

Ароматические углеводороды, содержание которых в нефти незначительно, образуются из нафтеновых углеводородов в процессе каталитического риформинга. Ароматические углеводороды, входящие в состав бензинов, также повышают их октановое число.

Кислород, сера, азот и хлор входят в состав нефти в виде отдельных соединений. Присутствие в нефти и топливах соединений серы нежелательно, так как они приводят к коррозии аппаратов, трубопроводов и двигателей, а также являются ядом для катализаторов ряда процессов нефтепереработки.

Процесс ректификации и ректификационные колонны

На производстве разделение нефти на фракции осуществляется в атмосферной и вакуумной ректификационных колоннах.

Разделение нефти на фракции путем перегонки (дистилляции) основано на различии температур кипения ее компонентов. При нагревании компоненты с более низкой температурой кипения переходят в пары, а компоненты с высокой температурой кипения остаются в жидкости. Пары после конденсации образуют дистиллят, неиспарившаяся жидкость - остаток. Такой процесс называется простой перегонкой.

Для более четкого разделения сложной смеси, каковой является нефть, применяют перегонку с ректификацией. Процесс ректификации проводится в ректификационных колоннах при взаимодействии на тарелках двух встречных потоков: газового - снизу вверх и жидкостного - сверху вниз. В средней части колонны (зона эвапорации) вводится сырье. Выше ввода сырья находится концентрационная зона колонны, а ниже - отгонная зона. С верха концентрационной части колонны получают продукт необходимой чистоты - ректификат, а с низа отгонной части - остаток. Для работы ректификационной колонны необходимо, чтобы с тарелки на тарелку непрерывно стекала орошающая жидкость - флегма. Она образуется за счет возвращения в колонну части готового продукта, называемого орошением. Изменением подачи флегмы регулируется температура верха колонны, тем самым определяется качество получаемого дистиллята.

При перегонке нефти в результате термического разложения сернистых соединений образуется сероводород, который в сочетании с хлористым водородом является причиной сильной коррозии аппаратуры.

В присутствии воды и при повышенных температурах сероводород реагирует с металлом аппаратов, образуя сернистое железо.

Fe + H₂S ® FeS + H₂

FeS + 2HCl ® FeCl₂ + H₂S

Для подавления хлористо-водородной коррозии аппаратуры АВТ и отбензинивания нефти предусматривается подача 1%-го щелочного раствора на всас насоса Р-101А,В и 1-2% содо-щелочной раствор насосом Р-117А,В в следующие из точек: в поток нефти после теплообменника Е-106А и на узел смешения перед подачей нефти в колонну Т-100/1. Нейтрализующий амин и ингибитор коррозии в шлёмовые линии и линии орошения колонн Т-100/1, Т-101, Т-104.

Сульфиды, хлориды выводятся с дренажной водой из рефлюксных емкостей V-100/1, V-102, V-103, колонн Т-100/1, Т-101, Т-104.[1]

Ректификация бинарных смесей

При однократном испарении или однократной конденсации можно получить пар, более богатый низкокипящим компонентом (НКК), и жидкость, более богатую высококипящим компонентом (ВКК), чем исходная смесь. Однако достаточно хорошая степень разделения компонентов не достигается. В случае многократных или постепенных процессов испарения и конденсации можно получить желаемые составы паровой и жидкой фаз, но масса получаемых продуктов незначительна по сравнению с массой исходной смеси. Для получения продуктов желаемой степени чистоты с высокими выходами служит процесс ректификации. Как следует из теории массообменных процессов, при взаимодействии неравновесных паровой и жидкой фаз в результате процессов массо и теплообмена система приходит в состояние равновесия. При этом присутствующие в фазах компоненты перераспределяются между этими фазами. В результате составы вновь образованных равновесных паровой и жидкой фаз отличаются от составов вступивших в контакт паров и жидкости. Пары обогащаются НКК, а жидкость — ВКК. При данном давлении для осуществления этого процесса температура вступающих в контакт паров должна быть выше, чем жидкости.    После контакта температуры обеих фаз выравниваются.

Подвергая многократному контактированию соответствующие неравновесные потоки паровой и жидкой фаз, можно изменить их составы в желаемой степени. В этом и состоит сущность процесса ректификации. Процесс ректификации проводят в специальных аппаратах — ректификационных колоннах, заполненных контактными устройствами (тарелками, насадками и т.п.).При расчетах процесса ректификации обычно пользуются понятием теоретической тарелки.

Схема ректификационной колонны представлена на рис.1.2.

Рис. 1. Ректификационная колонна тарельчатого типа

 В среднюю часть колонны поступает сырье, нагретое до температуры .  В колонне происходит процесс однократного испарения (ОИ) сырья, в результате которого образуются пары и жидкость , находящиеся в равновесии. На любой тарелке колонны, например n-й, происходит контакт между парами , поднимающимися на эту тарелку, и жидкостью , стекающей на ту же тарелку. При контакте этих потоков составы фаз изменяются и пары обогащаются НКК, а жидкости — ВКК (потоки  и ). Пары , поднимающиеся с n-й тарелки, богаче НКК, чем пары, а жидкость богаче ВКК, чем жидкость . Затем пары  поступают на вышележащую тарелку n+1, а жидкость  — на нижележащую тарелку n-1, где они контактируют с соответствующими потоками жидкости и паров.

Контактирование встречных потоков фаз осуществляется до тех пор, пока не будут достигнуты желаемые составы продуктов колонны: верхнего, называемого дистиллятом или ректификатом , и нижнего, называемого остатком. Очевидно, изменение составов фаз будет происходить в том случае, если поток жидкости (или флегмы)  будет более богат НКК, чем жидкость , равновесная с паром .

Поскольку давление в колонне постоянное, это достигается, если температура  потока жидкости  меньше температуры  потока жидкости  и, следовательно, паров , т. е. .

Таким образом, в колонне температура убывает снизу вверх: наименьшая температура  будет в верхней части колонны, а самая высокая  — в нижней. Поскольку в процессе ректификации должны участвовать два потока паров и жидкости, состоящие из одних и тех же компонентов, но с разными их концентрациями, для обеспечения процесса ректификации из верхней части колонны отводят тепло , а в нижнюю часть подводят тепло .  При конденсации части паров в верхней части колонны образуется поток жидкости (поток орошения, флегма), перетекающей с тарелки на тарелку.
Подвод тепла   в нижнюю часть колонны обеспечивает испарение части жидкости и образование парового потока. Та часть колонны, в которую вводится сырье, называется питательной секцией. Часть колонны, находящаяся выше ввода сырья, называется концентрационной или укрепляющей, а ниже ввода сырья — отгонной или исчерпывающей.

В зависимости от назначения колонны могут быть полными, которые имеют концентрационную и отгонную секции, или неполными: укрепляющая колонна не имеет отгонной секции, а отгонная колонна — концентрационной секции. В концентрационную колонну сырье вводится под нижнюю тарелку, а в отгонную — на верхнюю. Кроме того, различают простые и сложные колонны. В простой колонне сырье разделяется на два продукта, в сложной колонне число отбираемых продуктов больше двух. Они могут выводиться в виде дополнительных боковых погонов. Иногда используются специальные дополнительные колонны, соединенные с основной колонной.[6]

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Получение статической модели колонны Т-101

Составим статическую модель объекта. Структурная схема модели объекта представлена на рис. 1.

Рис.2. Структурная схема модели объекта

где  -температура верха колонны,  ;

-уровень куба колонны, %;

- давление в колонне, кгс/см²;

- расход бензина на орошение, /час;

- расход бензина на выходе из колонны, /час;

-число тарелок в колоне (23 шт.);

-диаметр колонны (1800 мм.);

-высота колонны (19500 мм.).[1]

Для построения статической модели используем фактические данные о работе стабилизационной колонны. Эти данные получают путём наблюдения - целенаправленного восприятия установки без активного вмешательства в её эксплуатацию или при выполнении эксперимента, когда исследователь по заранее продуманному плану устанавливает величину управляющих факторов, чтобы добиться определённого результата. Очевидно, что повседневная эксплуатация объекта является примером пассивного накопления данных о его работе путём регистрации установленных в технической документации параметров, например, в «Оперативном (суточном) журнале».

Статическую модель можно легко построить по результатам наблюдения за эксплуатацией объекта, зафиксированным в эксплуатационной документации.

Для начала создаётся таблица данных о работе объекта, соответствующая форме журнала, в котором фиксируются параметры. В курсовой работе используется 60 значений параметров.

Регрессионный и корреляционный анализ

1. Зависимость  от  ; y=, x₁=.

Требуется определить по методу наименьших квадратов коэффициенты линейного уравнения регрессии

                                            (1)

По выборке объёмом N=60.

Система нормальных уравнений для этого случая имеет вид:

(2)

или

(3)

b0=285.044;

b1=767.222

Уравнение линии регрессии равно:

Для оценки линейной связи вычисляется выборочный коэффициент корреляции :

где - выборочные среднеквадратичные отклонения.

Для данного случая коэффициент корреляции равен r*=0.82.

Так как   сильно влияет на .

1. Зависимость  от Qop ; y=, x₂=Qop

a0= 694.799;

a1= -1.597;

a2= 0.004

Уравнение линии регрессии равно:

Для оценки линейной связи вычисляется выборочный коэффициент корреляции :

Для данного случая коэффициент корреляции равен r*=0.99.

 Так как   Qop сильно влияет на .

1. Зависимость  от Т; y=, x₃= Т