Скачать: kolonna-rektblok100.rar [667,29 Kb] (cкачиваний: 80)

Кафедра АИТ

КУРСОВАЯ РАБОТА

по моделированию процессов и систем управления

на тему:

« Математическая модель реактора секции каталитического риформинга бензина».

Содержание

Введение……………………………………………………………………………

1. Теоретическая часть

1.1. Каталитический риформинг ……………….....……………………………...

1.1.1.Основные реакции………………………………………………………..

1.1.2. Влияние основных условий процесса………………...………………...

1.2. Секция каталитического риформинга бензина……………...……………...

2. Расчетная часть

2.1. Регрессионный и корреляционный анализ………………………………….

2.1.1. Методика нахождения эмпирической линии регрессии………………

2.1.2. Эмпирическая линия регрессии…………………………………………

2.1.3. Методика нахождения коэффициентов в уравнении линейной регрессии от одного параметра………………………………………………

2.1.4. Линейная регрессия от одного параметра……………………………..

2.1.5. Множественная корреляция…………………………………………….

2.1.6. Вывод уравнения множественной корреляции………………………..

2.2. Математическая модель реактора идеального вытеснения……………….

2.3. Математическая модель реактора идеального вытеснения с учетом переноса тепла…………………………………………………………………...

3. Оптимизация технологического процесса

3.1. Метод "золотого сечения"……………………………………………………

Выводы…………………………………………………………………………….

Литература…………………………………………………………………………

Приложение 1…..………………………………………………………………….

Спецификация……………...……………………………………………………...

Приложение 2 …………………………………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ.

Любой процесс, исходя из внешних признаков, может быть условно изображен на схеме, где выделены основные группы параметров, определяющих его течение и характеризующих состояние в любой момент времени.

Математическое описание каждого процесса задается системой конечных или дифференциальных уравнений, отражающих взаимное влияние различных параметров, причем присутствие в математическом описании уравнений одного вида не исключает возможности присутствия и уравнений другого вида. Таким образом, математическая модель представляет собой систему уравнений математического описания, отражающую сущность явлений, протекающих в объекте моделирования, которая с помощью определенного алгоритма позволяет прогнозировать поведение объекта при изменении входных и управляющих параметров. Методы математического моделирования применяют для изучения свойств математически описанных процессов.

В широком смысле под моделированием понимают исследование объектов познания на их моделях. Моделирование находит широкое применение как при проведении научных исследований, так и при решении большого числа практических задач в различных областях техники: в гидравлике и гидротехнике (определение конструктивных и эксплуатационных характеристик гидротехнических сооружений); в авиации, ракетной и космической технике (определение характеристик летательных аппаратов и их двигателей и др. ); в теплотехнике (при конструировании и эксплуатации различных тепловых аппаратов); в химической и нефтяной промышленности и т. п.

Моделирование можно осуществлять 2 основными методами - методом обобщенных переменных, или методом теории подобия (физическое моделирование), и методом численного эксперимента (математическое моделирование). Математическое моделирование по существу является одним из методов физического моделирования и составляет с ним единую систему исследования объектов познания.

Математическое моделирование особенно важно там, где не совсем ясна физическая картина изучаемого явления и нет возможности описать данное явление обобщенным уравнением. В процессе численного эксперимента происходит уточнение исходной физической предпосылки (модели). Путем расчетов на ЭВМ различных вариантов ведется накопление фактов, что дает возможность произвести отбор наиболее реальных и вероятных ситуаций. Математическое моделирование позволяет резко сократить сроки научных и проектных разработок.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

1. 1. Каталитический риформинг.

Процесс каталитического риформинга предназначен для повышения октанового числа прямогонных бензиновых фракций или для получения ароматических углеводородов.

Октановое число характеризует детонационную способность бензина, т.е. способность сгорать в двигателе плавно, без взрыва. Наибольшую способность вызывать детонацию имеют парафиновые углеводороды нормального строения, т.е. их октановое число самое низкое. Парафиновые углеводороды изостроения и ароматические углеводороды имеют высокую антидетонационную способность. Выделенная из нефти бензиновая фракция имеет октановое число 50 - 60 пунктов, октановое число товарных автомобильных бензинов от 72 до 98, а авиационных - еще выше.

Для повышения октанового числа необходимо изменить химический состав бензина, обогатив его ароматическими углеводородами и парафиновыми углеводородами изостроения, что достигается на блоках каталитического риформинга путем преобразования на катализаторе молекул исходного сырья в ароматические углеводороды при воздействии температуры и давления в присутствии водорода.

Серо-, азот- и кислородосодержащие соединения, а также металлы и непредельные углеводороды снижают активность и длительность работы катализатора без регенерации. Поэтому сырье подвергают гидроочистке. В процессе риформинга применяются, в основном, платиново - рениевые катализаторы. Процесс осуществляют в среде водородсодержащего газа.

Целью каталитического риформинга является получение высокооктанового компонента бензина и риформатов для последующего извлечения ароматических углеводородов: бензола, толуола, ксилолов.

1.1.1. Основные реакции.

Процесс каталитического риформинга основывается на реакциях дегидроциклизаций парафиновых углеводородов, дегидрирования и дегидроизомеризации нафтеновых, изомеризации нафтеновых, изомеризации парафинов на платиново - рениевом катализаторе под давлением водорода. В результате указанных реакций в сырье (бензиновой фракции) увеличивается количество ароматических углеводородов.

Ниже приведены схемы некоторых основных и побочных реакций процесса.

Изомеризация пяти-членных нафтенов с последующим дегидрированием:

CН

Н₂С ¾ СН¾СН₃

| | Н СН

Н₂С СН₂ ® || | + 3Н₂

НС СН

СН₂

СН

Дегидрирование нафтеновых:

СН₂ СН

Н₂С СН₂ НС СН

| | ® || | + 3Н₂

Н₂С СН₂ НС СН

СН₂ СН

3. Деструктивная гидрогенизация (гидрокрекинг):

С₁₁Н₂₄+ Н₂ ® С₃Н₈ + С₈Н₁₈

4. Дегидроциклизация аминов и алкенов с образованием ароматических углеводородов:

С¾СН₃

НС СН

СН₃¾(СН₂)₅¾СН₃ ® || | + 4H₂

НС СН

СН

5. Изомеризация алканов:

СН₃ ¾ (СН₂)₄¾СН₃® С₂Н₅¾СН¾С₂Н₅

|

СН₃

6. Гидрирование сернистых соединений:

НС ¾ С ¾ С₂Н₅ СН₃

|| || |

НС СН + 4Н₂ ® С₂Н₅ ¾ С¾С₂Н₅ + Н₂S

|

S СН₃

1.1.2. Влияние основных условий процесса.

1. Влияние температуры:

Температура оказывает значительное влияние на скорость протекающих реакций, которые в конечном итоге влияют на выход отдельных продуктов. При увеличении температуры реакций выход катализата снижается, а степень ароматизации возрастает. Повышение температуры, наряду с увеличением выхода ароматики, ускоряет реакции расщепления углеводородов, главным образом, парафиновые.

Плотность циркуляционного газа возрастает с повышением температуры и может служить одним из показателей процесса. Повышение температуры приводит также к увеличению коксообразования. Температура должна поддерживаться на минимально возможном уровне, обеспечивающем получение катализата заданного качества (с заданным октановым числом или заданным содержанием ароматических углеводородов). Температура на входе в реакторах, при проведении любых операций на блоке риформинга, никогда не должна превышать 530 ⁰С.

2.Влияние давления:

Парциальное давление водорода в зоне реакции оказывает существенное влияние на процесс ароматизации.

По термодинамическим соображениям, увеличение парциального давления Н₂должно оказывать отрицательное влияние на ход процесса ароматизации бензина.

Результаты расчетов для реакции дегидрирования шестичленных нафтенов показывают, что в одинаковых условиях, по мере возрастания давления водорода, степень превращения исходного углеводорода падает. Для достижения данного содержания в продуктах реакции ароматических углеводородов, при увеличении давления Н_2, потребуется соответствующее повышение температуры реакции.

Снижение давления усиливает коксообразование, но повышает степень ароматизации.

Повышение давления снижает коксообразование, но, одновременно, усиливает гидрокрекинг и подавляет образование ароматических углеводородов.

Во всех случаях, при повышении парциального давления водорода, снижается содержание непредельных углеводородов в жидких продуктах реакции. Газообразование всегда возрастает и, следовательно, снижается выход катализата.

3. Влияние объемной скорости подачи сырья:

Выход ароматических углеводородов и концентрации их в продуктах зависит от объемной скорости подачи исходного сырья. С увеличением скорости подачи сырья выход катализата увеличивается, степень ароматизации падает, что приводит к снижению суммарного выхода ароматических углеводородов в пересчете на исходное сырье. Однако, снижение ее в определенных пределах может быть скомпенсировано повышением температур.

На блоке каталитического риформинга объемная скорость подачи сырья: 1,1-1,5 час^-1.

При увеличении средней объемной скорости повышаются эксплуатационные температуры и сокращается длительность межрегенерационного цикла.

4. Кратность циркуляции ВСГ:

Процесс осуществляется в среде ВСГ - это позволяет повысить температуру процесса, не допуская реакций глубокого распада и коксообразования. Кратность циркуляции, а также концентрация водорода в циркуляционном газе риформинга, определяется мольным соотношением "водород/ сырье”. От величины этого параметра зависит интенсивность коксообразования, а следовательно, стабильность и срок службы катализатора. Кратность циркуляции практически не влияет на селективность процесса, т.е. на выход и качество продуктов. При повышении кратности циркуляции производительность установки снижается в связи с уменьшением времени пребывания сырья в реакторах.

Кратность циркуляции на блоке риформинга должна быть не менее 1500 нм³/м³сырья

5. Качество сырья:

Качество сырья - это его химический и фракционный состав. Цельность сырья для риформирования тем выше, чем выше концентрация в нем нафтеновых и ароматических углеводородов.

При сравнении различных видов сырья, для риформинга используются коэффициенты:

К=N+A,

где: A- содержание ароматических углеводородов, % вес.

N- содержание нафтеновых углеводородов, % вес.

При увеличении содержания нафтеновых и ароматических углеводородов в сырье (увеличение К) риформат заданного качества может быть получен либо:

·при более низкой средней температуре в реакторах;

·при более высокой объемной скорости подачи сырья;

При этом увеличивается выход риформата и возрастает концентрация водорода в циркуляционном газе.

Качество сырья определяют также стабильность и срок службы катализатора: чем выше содержание нафтеновых и ароматических углеводородов в сырье, тем мягче режим работы блока, тем больше срок службы катализатора.

1.2. Секция каталитического риформинга бензина

Сырьем секции каталитического риформинга бензина служат боковой и кубовый продукты колонны Т-301 блока гидроочистки бензина. Кубовый продукт колонны Т-301 стабильный гидрогенизат поступает через рибойлер Е-302 и теплообменники Е-304А,В,С на всас насоса Р-201А,В. В эту же линию дозировочным насосом Р-205 постоянно подается бутанол для поддержания оптимальной влажности циркулирующего через реактора потоки.

Насосом Р-201А,В бензин подаётся в линию циркуляции ВСГ перед теплообменником Е-201. Расход бензина в линию циркуляции ВСГ регулируется с коррекцией по уровню в кубе колонны Т-301 клапаном расхода поз.FТ-2407, установленным на линии нагнетания насоса Р-201А,В. В эту же линию дозировочным насосом Р-203 подается четыреххлористый углерод, являющийся промотором (ускорителем) реакции изомеризации нафтенов.

Циркуляция ВСГ через реакторы осуществляется двумя последовательно или по отдельности работающими центробежными компрессорами К-201А,В. ВСГ из сухой зоны сепаратора V-201 поступает в сепаратор V-204, расположенный на всасе компрессоров К-201А,В. При последовательной работе компрессоров К-201А,В на всас компрессора К-201В. С нагнетания компрессора К-201В ВСГ подается в межтрубное пространство теплообменника Е-201. Сконденсировавшаяся жидкость с низа сепаратора V-204 периодически вручную сбрасывается через теплообменник Е-203А, В в колонну Т-201.

Перед теплообменником Е-201 в линию циркулирующего ВСГ подается бензин. Расход циркулирующего ВСГ регулируется с коррекцией по расходу ВСГ на всас компрессора К-201А клапаном расхода поз.FIС-2404, установленным на линии подачи ВСГ в теплообменник Е-201.

Избыток ВСГ с нагнетания компрессора К-201В подается помимо реакторов в линию циркуляционного ВСГ перед АВО АС-201А. Расход избытка ВСГ с нагнетания компрессора регулируется клапаном расхода поз.FIС-2402, установленным на линии подачи ВСГ в АВО АС-201А.

Проходя через межтрубное пространство теплообменников Е-201, Е-202, смесь ВСГ и бензина подогревается до 399^оС за счет тепла отходящего из реакторов потока и поступает в печь Н-201А, где подогревается до 494 ^оС.

Температура смеси на выходе из печи Н-201А регулируется с коррекцией по давлению в линии топливного газа к горелкам печи (регулятор поз.РIС-2301) регулятором температуры поз.ТIС-2201. Клапан управления установлен на линии подачи топливного газа к горелкам печей.

Из печи Н-201А смесь ВСГ и бензина поступает в первый по ходу реактор R-201.В связи с тем, что реакции, протекающие на платиново - рениевом катализаторе, эндотермичны, зона контактирования смеси ВСГ и бензина разделена на три части - три реактора R-201, R-202, R-203 - в промежутках между которыми поток подогревается в печах Н-201В, С.

В первом реакторе в основном протекают реакции риформинга, ведущие к образованию ароматических углеводородов и нафтенов, протекающие с поглощением тепла, а в последующих преобладают реакции гидрокрегинга и гидрогенолиза, которые экзотермичны, и реакции изомеризации парафиновых и нафтеновых углеводородов, имеющих тепловой эффект близкий к нулю.

Температура потока на выходе из промежуточных печей Н-201В,С регулируется соответственно клапанами температуры поз.ТIС-2207, ТIС-2213 с коррекцией по давлению в линиях топливного газа к горелкам соответствующих печей (регуляторы поз.РIС-2303, РIС-2305). Клапаны управления установлены на линиях подачи топливного газа к горелкам печей.

После реактора R-203 реакционная смесь проходит последовательно через трубные пространства теплообменника Е-202 кипятильника Е-204, теплообменника Е-201, АВО АС-201А и с температурой 90^оС поступает в сепаратор V-201.

Температура воздуха, нагнетаемого вентиляторами АВО АС-201А поддерживается регулятором температуры поз.ТIС-2224, клапаны которого поз.ТZ-2224А,В,С управляют жалюзи АВО. В сепараторе V-201 бензин отделяется от циркулирующего ВСГ.

ВСГ в количестве, необходимом для циркуляции через реакторы подается на всас компрессора К-201А, часть ВСГ поступает на секцию гидроочистки бензина в сепаратор V-304, а избыток сбрасывается через сепаратор V-502 блока аминовой очистки газов в коллектор топливного газа или в факельный коллектор.

Давление в сепараторе V-201 регулируется клапаном давления поз.PIС-2311, установленным на линии сброса избытка ВСГ в сепаратор V-502 или в факельный коллектор.

Бензин из сепаратора V-201 вместе с боковым отбором с Т-301 через межтрубное пространство теплообменников Е-203А,В подается на 16-ую тарелку колонны стабилизации бензина Т-201.

Уровень в сепараторе V-201 регулируется клапаном уровня поз.LIC-2101, установленным на линии подачи бензина в межтрубное пространство теплообменников Е-203А,В.

В колонне стабилизации бензина Т-201 из него удаляют ВСГ и легкие углеводороды.

Пары легких углеводородов с верха колонны Т-201 охлаждаются в АВО АС-201В и поступают во флегмовую емкость V-202.

.

Температура углеводородов на выходе из АВО регулируется клапаном температуры поз.ТIС-2229, который управляет жалюзи АВО Жидкие углеводороды из емкости V-202 насосом Р-202А,В в виде флегмы возвращается в колонну Т-201. Расход флегмы в колонну Т-201 регулируется с коррекцией по уровню в емкости V-202 клапаном расхода поз.FIС-2410, установленным на линии подачи флегмы.

Давление верха колонны Т-201 регулируется клапаном давления поз.РIС-2313, установленным на линии сброса газов из емкости V-202 в сепаратор V-502 или в факельный коллектор.

С глухой тарелки колонны Т-201 бензин поступает в кипятильник Е-204, обогреваемый отходящим потоком с реакторов.

Из кипятильника Е-204 бензин возвращается под глухую тарелку колонны Т-201. Испарившиеся в кипятильнике углеводороды поднимаются вверх по колонне, а стабильный бензин из куба колонны через теплообменники Е-203А,В, АВО АС-201С отводится в резервуары РВС-3, 4 товарно-сырьевого цеха, в емкость Е-3 для подготовки бензина марки АИ-92 или в линию некондиции.

Уровень в кубе колонны Т-201 регулируется клапаном уровня поз.LIС-2104, установленным на линии вывода стабильного бензина из куба колонны.

Литература:

1.А. И. Скобло, И. А. Трегубова, Ю. К. Молоканов. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: Химия, 1982, 584 с.

2.Бояринов А. И., Кафаров В. В. Методы оптимизации в химической технологии. М. 1969.

3.Кафаров В. В. Методы кибернетики в химической технологии. М. 1969.

4. Клюев А. С., Глазов Б. В., Дубровский А. Х., Клюев А. А. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. Справочное пособие. М. 1990.

5. Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии. М.1995.

ВЫВОДЫ

В теоретической части ознакомились со структурной схемой реактора R - 201 секции каталитического риформинга бензина и технологическим процессом секции-200. Определили входные (Qвх. см. – входной расход смеси; Т – температура смеси; С_Н – концентрация водорода) и выходные технологические параметры (Q_вых..б. – выход продукта).

Составили математическую модель реактора идеального вытеснения с учетом и без учета переноса тепла.

В расчетной части, исходя из результатов исследований и расчетов, выбрали метод оптимизации – метод "золотого сечения", с помощью которого определили значения входных параметров при которых выход готового продукта максимален. Максимальный расход на выходе Q_max= при:

— входной расход смеси Qвх. см. =

— температура смеси T= ºС,

— концентрация водорода С_Н=