Алгоритм управления блоком очистки газа системы гидроочистки дизельного топлива на основе математической модели

Размещено на http://www.allbest.ru/

АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ БЛОКОМ ОЧИСТКИ ГАЗА СИСТЕМЫ ГИДРООЧИСТКИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Богомолов Д.С., Сотников В.В.,

Сибаров Д.А., Лисицын Н.В., Борзов А.Н.

Annotation

The purpose of article is to analyse the clear block control of diesel oil hydro clearing. As a result of research entrance and target parameters, channels of management and significant managing influences are determined. The algorithm of clear block management is developed. The algorithm has a great value. It will allow to get rid of the over expenditure of an expensive component - methyldiethanolamin, and the clear block will weaken the corrosion of units.

Основная часть

Гидроочистка имеет важное значение в процессах нефтепереработки при производстве дизельного топлива (ДТ) [1]. В последние 5-10 лет роль процессов гидроочистки в связи с необходимостью улучшения качества и увеличения выпуска нефтепродуктов значительно возросла и кардинально изменилась в связи с увеличением глубины переработки и ужесточения экологических норм[2]. Целью гидроочистки является улучшение качества и повышение стабильности топлив и масел путем их очистки от сернистых, азотистых, кислородосодержащих соединений, гидрирования непредельных углеводородов[3].

Установка гидроочистки ДТ представляет собой организованную структуру отдельных функциональных блоков: таких, как реакторный блок, блок горячей сепарации, блок стабилизации ДТ (БСДТ), блок холодной сепарации (БХС) и блок очистки газов. В данной статье рассматривается один из вариантов системы управления блоком очистки газов, который предназначен для очистки рециркуляционного водородосодержащего газа (РВСГ), бензина-отгона и углеводородных газов БСДТ от сероводорода. Общая схема блока очистки газов представлена на рисунке 1. РВСГ поступает в низ абсорбера очистки рециркуляционного газа из холодного сепаратора. Бензин-отгон поступает с низа сепаратора БСДТ в колонну отдува сероводорода из бензина. Углеводородный газ БСДТ с сероводородом поступает с верха сепаратора БСДТ в абсорбер очистки газа [4]. Во всех выше приведенных абсорберах сверху колонн подводится 60% водный раствор метилдиэтаноламина (МДЭА).

Рисунок 1 Общая схема блока очистки газов

Отметим, что блок очистки газов связан непосредственно с БХС и БСДТ. В первом абсорбере (К-202) происходит очистка РВСГ, пришедшего с БХС от сероводорода с помощью МДЭА. Во втором абсорбере (К-203) происходит очистка газа, приходящего из БСДТ. В отгонной колонне (К-205) газовая смесь (CH4, C2H6, C3H8, C4H10, iC4H10) выдувает сероводород из бензина-отгона после стабилизационной колонны. Полученная смесь подается в абсорбер (К-204), где очищается с помощью водного раствора МДЭА.

Смесь МДЭА и сероводорода из всех трех абсорберов подается на регенерацию в десорбер (К-206), где разделяются сероводород и МДЭА. Полученный сероводород идет на производство серной кислоты, а очищенный МДЭА смешивается со свежим МДЭА и снова подается в абсорбер.

Очевидно, что при очистке РВСГ от сероводорода встает задача экономного расхода МДЭА и минимизации энергетических затрат на регенерацию повышенных объемов циркулирующего раствора МДЭА. При этом на качество РВСГ налагается ограничение по содержанию сероводорода (не более 0.001% масс).

Повышение или понижение расхода водного раствора МДЭА, а также изменения концентрации МДЭА в нем, на входе абсорбера очистки рециркуляционного газа в существующих системах управления блоком очистки газов возлагаются на главного технолога. При принятии решения операторы во многом ориентируются на субъективный опыт и интуицию, учитывая лишь качественные, а не количественные показатели работы установки. Эти решения довольно часто становятся источниками материальных потерь, а также являются причиной ухудшения качества рециркуляционного газа (повышенное содержание сероводорода), и, как следствие, быстрая деактивация катализатора в реакторе, а также ухудшение степени обессеривания ДТ.

В настоящее время необходимая степень очистки РВСГ достигается путем подачи раствора МДЭА в блок очистки газов с избытком. Это неэффективно с экономической точки зрения, так как происходит перерасход дорогостоящего МДЭА, повышаются энергетические затраты.

Для устранения указанных недостатков предлагается алгоритм управления БОГ на основе математической модели, который позволит рассчитывать управляющие воздействия для каждого агрегата и управлять работой блока в целом на основе данных состава неочищенного газа (НГ) путем изменения расходов свежего и рециркуляционного водного раствора МДЭА в пределах регламентных ограничений. Для этого рассмотрим процесс очистки газа как объект управления.

Блок очистки газов, как объект управления, характеризуется совокупностью входных (), управляющих (), возмущающих () и выходных () параметров.

Ниже представлен блок очистки газов как объект управления:

-вектор входных параметров:

· - количество газа на входе, кг/ч;

· - температура газа на входе,;

· - состав газа на входе, % масс;

· - количество раствора МДЭА на входе, кг/ч;

· - концентрация МДЭА в растворе, % масс;

· - заданные концентрации на выходе, % масс;

· - температура раствора МДЭА на входе,.

-вектор выходных параметров:

· - концентрация сероводорода в очищенном газе на выходе, % масс;

· - выход смеси (МДЭА + сероводород), кг/ч;

· - температура раствора МДЭА на выходе,.

-вектор управляющих воздействий:

· - количество свежего МДЭА, кг/ч;

· - количество МДЭА из рецикла, кг/ч;

· - концентрация МДЭА в суммарном растворе, % масс;

· , , - распределение суммарного раствора МДЭА между аппаратами, кг/ч.

-вектор возмущающих воздействий:

· - количество газа на входе, кг/ч;

· - состав газа на входе, % масс.

Для построения математической модели определены существующие взаимосвязи между параметрами объекта управления, которые представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 Взаимосвязь параметров блока очистки газов Х10 - сероводород, газы; Х21 - газы с сероводородом; Х22 - нестабильный бензин с сероводородом; Х23, Х28 -воздух; Х24, Х27, Х26 - вода; Х25 - водяной пар; Х29, Х30 - сероводород; Х31 - бензин; Х32 - углеводородный газ; Х33 - очищенный от сероводорода РВСГ

гидроочистка математический дизельный топливо

Для полного математического описания блока очистки газов необходимы математические модели абсорбера, теплообменника, десорбера, дегазатора, колонны для отдува сероводорода из бензина. Из всех представленных на рисунке 2 аппаратов наиболее важную роль играет абсорбер очистки РВСГ, так как только очищенный РВСГ (Х33) возвращается в реакторный блок через рецикл, и от доли содержания сероводорода в очищенном РВСГ (Х33) будет зависеть степень обессеривания сырья фракции ДТ в реакторном блоке.

Математическая модель абсорбера очистки РВСГ представляется в виде системы уравнений (1.1)-(1.8). Данная модель описывает динамику процесса очистки газа от сероводорода[5]. При моделировании принималось допущение, что газ состоит из метана, этана, пропана, бутана, изобутана и сероводорода. Раствор МДЭА состоит из МДЭА и воды, различные примеси не учитывались.

При моделировании рассмотрены[5]:

- материальный баланс по газу:

(1.1)

где - коэффициент продольного перемешивания; x,y - соответственно концентрация передаваемого вещества в жидкости и газе; - средняя скорость распространения вдоль колонны фронта гидродинамического возмущения; - скорость обмена веществом между газовой фазой и проточной зоной потока жидкости; -динамическая удерживающая способность абсорбера; t - время; z - координата в продольном направлении, - равновесный состав газа;

- материальный баланс по жидкости:

(1.2)

- динамика распространения гидродинамического возмущения:

(1.3)

Уравнения (1.1) и (1.2) решаются методом конечных разностей, но с точки зрения нахождения численных результатов удобнее перейти от данной системы к эквивалентной симметричной ячеечной модели, учитывающей распределенность в пространстве и времени объемов ячеек, тогда решение (1.3) для ступенчатого возмущения ?H на входе представляется в виде[5]:

(1.4)

здесь (1.5)

Переходя к дискретному распределению по длине абсорбера, для соответствия решению уравнений (1.1) и (1.2):

, при (1.6)

, при (1.7)

где -высота колонны, соответствующая одной -й ячейке; -площадь поперечного сечения аппарата; - начальное значение динамической удерживающей способности абсорбера.

Число ячеек определяется по формуле[1.5]:

(1.8)

где - количество ячеек, - число Пекле.

Ячеечная модель является симметричной (количество ячеек по газовой фазе равно числу ячеек по жидкой фазе)[4].

Далее производится расчет перепада давления ?P_г-ж, скорость газа в точке инверсии фаз u_инв, число Пекле.[5]

Управление абсорбером производится с помощью варьирования расхода МДЭА. Ограничение по входному расходу МДЭА определяется техническим регламентом. Выбор управляющих воздействий для абсорбера происходит по следующему алгоритму:

1. Ввод исходных данных: , , , , .

2. Расчет выходных параметров (), при заданных входных, по математической модели.

3. Если выходная концентрация сероводорода в РВСГ выше заданной (), переходим к пункту 4, иначе выводим результаты и переходим к вводу исходных данных - пункт 2.

4. Расчет для увеличения входного потока МДЭА.

5. Если не достигнут максимальный расход МДЭА (), выводим сообщение о невозможности достижения заданной степени очистки, иначе переходим к пункту 2.

Обобщенный алгоритм управления БОГ представлен на рисунке 3. После ввода исходных значений происходит расчет математической модели, которая включает модель распределения суммарного потока МДЭА, математической модели абсорберов РВСГ, БСДТ, НГ и математической модели отгонной колонны.

Далее производится корректировка обобщенной математической модели на основе данных лабораторных анализов. Это является преимуществом данной системы управления, потому что в интервалах между лабораторными анализами система поддерживает процесс в качественно неизменном режиме, не требуя перерасхода МДЭА.

На последующих этапах производится расчет управляющих воздействий для абсорбера РВСГ, абсорбера БСДТ, абсорбера НГ, отгонной колонны, абсорбера НГ после отгонной колонны и по расходу МДЭА.

При возникновении внештатной ситуации оператору выводится сообщение, содержащее советы по управлению технологическим процессом.

Рисунок 3 Обобщенный алгоритм управлений блоком очистки газов

В результате анализа БОГ процесса гидроочистки ДТ были определены входные и выходные параметры, каналы управления и значимые управляющие воздействия, разработан алгоритм управления БОГ процесса гидроочистки ДТ, учитывающий математическое описание агрегатов БОГ. Алгоритм управления БОГ позволит осуществлять управление содержанием сероводорода в РВСГ до 0.001 % масс на выходе из абсорбера при помощи управления изменением расхода водного раствора МДЭА свежего и из рецикла, что значительно сократит экономические и технологические затраты.

Литература

1. Баннов П.Г. Процессы переработки нефти. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2000. 224 с.

2. Митусова Т.Н., Пугач А.В. Эталонное дизельное топливо//Химия и технология топлив и масел. 1998. №5. С. 12-13.

3. Аспель Н.Б., Демкина Г.Г. Гидроочистка моторных топлив. Л.: Химия, 1977. 160 с.

4. Жоров Ю.М. Моделирование физико-химических процессов нефтепереработки и нефтехимии. М.: Химия, 1978. 376 с.

5. Кафаров М.В. Математическое моделирование химико-технологических процессов. М.: Химия, 1985. 312 с.

Размещено на Allbest.ru