Математическое описание процесса изомеризации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Математическое описание процесса изомеризации

Микушева А.В., Сотников В.В., Сибаров Д.А.,

Лисицын Н.В., Распопина А.В.

This article deals with the task of regulating the process of middle-temperature isomerization by temperature and raw material consumption. Also general process description is given, schematic diagram is being considered for the "Penex" company process of middle-temperature C₅-C₆ isomerization performed "within one stage". Isomerization process has been presented as an object for control. Authors suggest the control system structure for this process and the mathematic description has been developed in order to implement the suggested control system.

Экологические требования и совершенствования в области двигателей внутреннего сгорания формируют требования к качественным характеристикам перспективных топлив, а, следовательно, и определяют основные направления развития нефтеперерабатывающей отрасли и, в частности, получение высокооктановых бензинов.

Одним из самых рентабельных способов получения высокооктановых и экологически чистых компонентов бензина является процесс изомеризации прямогонных бензиновых фракций.

В ходе процесса изомеризации происходит превращение низкооктановых легких прямогонных и вторичных компонентов в высокооктановые изомеры, которые не содержат бензола и имеют высокие значения октановых характеристик.

Термодинамические закономерности реакции изомеризации характеризуются следующим:

§ реакции изомеризации равновесны и самопроизвольны;

§ практически не изменяется объем, поэтому термодинамическое равновесие зависит только от температуры; низкие температуры благоприятствуют образованию изомеров;

§ тепловой эффект реакции изомеризации невелик и мало изменяется с изменением температуры.

Основными факторами, влияющими на процесс изомеризации, являются: температура и давление в реакторе, объемная скорость подачи сырья, содержание серы, воды и ароматических углеводородов [1].

В данной статье рассматривается задача регулирования процесса среднетемпературной изомеризации (250-300°С) по температуре и расходу сырья. В дальнейшем созданный алгоритм будет использоваться как составная часть системы управления процессом изомеризации в целом.

К преимуществам среднетемпературной изомеризации относятся простота технологии, отсутствие постоянных сбросов в атмосферу и сточных вод. Отмечается также, что среднетемпературный процесс изомеризации по сравнению с низкотемпературным характеризуется более низкими капитальными затратами, возможностью использования установок гидроочистки и риформинга для проведения процесса, надежностью технологии, в частности, сравнительной устойчивостью к проскокам серы и влаги.

В настоящее время в промышленности получил применение новый тип катализаторов изомеризации среднетемпературной области (180-210°С) на основе сульфатированного оксида циркония с добавкой 0,3% платины (СИ-2) [2]. Катализатор СИ-2 предназначен для среднетемпературного режима изомеризации легких бензиновых фракций [3]. Он представляет собой платину, равномерно распределенную по поверхности цирконийсодержащего носителя, модифицированного добавкой оксида алюминия. Несколько при более высокой температуре (~ 250 ⁰С) проводится изомеризация С₅-С₆ углеводородов на цеолитах, содержащих платину в количестве 0,3 - 0,4 масс %.

В данной статье рассматривается принципиальная схема процесса среднетемпературной изомеризации С₅-С₆ "за проход" [4].

Необходимо отметить следующие достоинства данного процесса [5]:

- примеси бензола и нафтенов в сырье не влияют на активность катализатора; увеличение содержания серы и углеводородов С₇ в сырье за пределы нормы приводит лишь к временному снижению активности катализатора, что не требует тщательной подготовки сырья;

- низкая скорость реакций гидрокрекинга и небольшое коксообразование позволяют осуществлять процесс с выходами продуктов, близкими к получаемым по условиям термодинамического равновесия.

Рисунок 1 - Схема процесса изомеризации

1 - печь, 2 - реактор, 3 - теплообменник, 4 - воздушный холодильник, 5 - водяной холодильник, 6 - газожидкостной сепаратор, 7 - стабилизационная колонна, 8 - циркуляционный компрессор; I - сырье, II - циркулирующий водородсодержащий газ (ВСГ), III - свежий ВСГ, IV - легкие углеводороды, V - стабильный изомеризат.

Процесс осуществляется по схеме "за проход" при температуре на входе в реакторы 170-190 ⁰С, давлении 2-3 МПА и объемной скорости 2-3 ч^-1. Гидроочищенное сырье, после нагрева в теплообменнике 3 и смешения с циркулирующим водородсодержащим газом, нагревается в печи 1 до температуры 170-190 ⁰С. Горячие продукты реакции охлаждаются в теплообменнике 3, воздушном и водяном холодильниках. В сепараторе 6 происходит отделение ВСГ от изомеризата. К циркулирующему ВСГ добавляется свежий водородсодержащий газ. Эта смесь после сжатия в компрессоре 8 вновь идет на смешение с сырьем установки. Жидкая фаза из сепаратора 6 в колонне 7 подвергается ректификации, при этом сверху выделяются легкие углеводороды (С₁-С₄), снизу отводится стабильный изомеризат.

Октановое число стабильного катализата по схеме на "на проток" ИОЧ=81, с рециклом н-пентана ИОЧ=84, с рециклом н-пентана, н-гексана и 2- и 3-метилпентанов ИОЧ=88-90.

Процесс изомеризации как объект управления представлен на рисунке 2:

Рисунок 2 - Процесс изомеризации как объект управления

К выходным переменным, которые характеризуют состояние процесса изомеризации, относятся октановое число изомеризата N, отбор изомеризата F, групповой углеводородный состав С_i, количество избыточного ВСГ G_ВСГ, концентрация водорода в водородсодержащем газе C_ВСГ.

Входные переменные процесса включают управляющие воздействия и возмущающие (контролируемые и неконтролируемые).

К основным управляющим воздействиям относятся расход сырья на изомеризацию G_С, расход циркулирующего газа G_цг, температуры смеси T_из, давление в реакторах P. На управляющие воздействия наложены ограничения, принятые исходя из условий безопасности ведения процесса, технологических и конструктивных особенностей аппаратов, возможностей контрольно-измерительной аппаратуры.

Температура должна лежать в диапазоне [180-210]єC.

Расход сырья на изомеризацию должен лежать в диапазоне [60-160] м³/ч.

К контролируемым возмущениям относятся групповой углеводородный состав сырья С_п, С_г, С_i, плотность сырья d_C, молекулярная масса сырья M_C, плотность циркулирующего газа d_ЦГ, концентрация водорода в циркулирующем газе С_ВСГ.

К неконтролируемым возмущениям относятся изменение активности катализатора в каждом реакторе, случайные отклонения от технологического режима, случайные примеси в сырье и ошибки измерений приборов КИПиА.

На основании приведенной схемы можно составить структуру системы управления процессом изомеризации по контуру температуры и расхода сырья (рисунок 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Структура управления процессом изомеризации

ИМ - исполнительный механизм, Д_i - датчики (i = ), С_А, С_В, С_С, С_D, С_Е, С_F, С_G - концентрации н-пентана, изо-пентана, н-гексана, 2-метилпентана, 3-метилпентана, 2,3-диметилпентана, 2,2-диметилбутан, соответственно, G_вх - расход сырья на входе, T_вх - температура на входе, G_рас - расход сырья рассчитанный, T_рас - температура рассчитанная, G_изм - расход измеренный, T_изм - температура измеренная

Оператор вручную вводит начальные данные - температуру, расход сырья и его состав. Далее в блок обработки измерений поступают с объекта управления измеряемые величины. Затем по полученным данным производится расчет математической модели, вычисляется температура и концентрации углеводородов. Далее рассчитанные данные и измеренные данные поступают в систему управления, где происходит проверка параметров:

§ если октановое число изомеров ниже 81, то необходимо уменьшить расход сырья и снова идет измерение ОЧ;

§ если изменение температуры превысило допустимое значение, то происходит увеличение или уменьшение температуры на входе в реактор.

После выработки управляющих воздействий они поступают через ИМ и регулирующие органы на объект управления.

Математическое описание процессом изомеризации включает в себя уравнения балансов:

1) для расчёта количеств (концентраций C_i) компонентов [моль/л];

2) по теплу - для расчёта температуры Т [K];

3) по кинетической энергии - для расчёта давления Р [МПа].

Поэтому их можно записывать только для такого объёма аппарата, который характеризуется истинными (не средними!) значениями C_i, Т, Р. [6]

Современные процессы изомеризации проводят в основном в потоке реагентов, проходящих через неподвижный слой твердого катализатора. Учитывая возможное распределение потока по сечению, для создания математического описания используют модель аппарата с продольным перемешиванием в направлении основного потока. Эта модель предполагает наличие основного равномерного потока, характеризуемого линейной скоростью v, и встречного равномерного перемешивающего потока, величина которого пропорциональна коэффициенту перемешивания (D_Пi) и градиенту концентрации dC_i /dl (l - длина реактора). Эта модель позволяет учесть перемешивание в аппарате, не увеличивая число аргументов (ими остаются длина реактора l и продолжительность процесса ф). Схема потоков в реакторе отражена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема потоков в реакторе с неподвижным слоем катализатора

математический алгоритм изомеризация

Для записи уравнения материального баланса по i-компоненту в элементарном объёме цилиндрического реактора толщиной dl за время dф учтем следующие составляющие:

Приход Уход Накопление[с основным а и [с основным потоком в, е с перемешивающим с перемешивающим г потоком б потоком] и на реакцию д]

Приведенной схеме соответствует уравнение:

где r_i - скорость расходования i-ого компонента [моль/ч],

S - сечение реактора [м²],

v - линейная скорость основного потока в реакторе [моль/ч],

D_Пi - коэффициент перемешивания,

l - длина реактора [м].

Знак "минус" перед членами, учитывающими величину перемешивающего потока, появляется потому, что значение dC_i /dl для расходуемого вещества отрицательно. Раскрыв скобки в последнем уравнении, разделив все члены на произведение Sdl/dф и учтя, что

,

перейдем к дифференциальному уравнению в частных производных:

(1)

В уравнении теплового баланса учтем, что распространение тепла по слою связано с его переносом основным потоком с теплопроводностью, а также с его расходованием на реакцию и теплопередачей через стенку:

Приход Уход Накопление

[с основным потоком а [с основным потоком в, е

и с теплопроводностью б] с теплопроводностью г,

на реакцию д, через стенку е]

Приведенной схеме соответствует уравнение:

,

где G - массовый поток реагирующей смеси [м³/ч],

с - плотность реагирующей смеси [кг/м³],

Т_Н - температура наружной среды [К],

k_T - коэффициент теплопередачи через стенку к среде с наружной температурой [Вт/м²*К],

л - коэффициент теплопроводности реагирующей смеси [Вт/(м*К)],

с_Р - теплоемкость реагирующей смеси [Дж/(моль*К)].

Выполняя те же преобразования, что и при получении уравнения (1), находим:

, (2)

где - теплота реакции [кДж/моль],

f_S - поверхность теплопередачи, отнесенная к единице объёма реактора [1/м].

Вывод уравнения баланса кинетической энергии [6] аналогичен, и оно сводится к следующему:

, (3)

где ,

f, f'- коэффициенты трения,

g - ускорение свободного падения [9,822 м/с²],

d - диаметр реактора [м].

Системы уравнений (1-3) и образуют математическое описание. При проведении расчетов эти системы можно упростить с учетом решаемой задачи.

Для моделирования конкретного процесса изомеризации нужно определить его химическую схему. Если процесс протекает в несколько простых стадий, то r_i - алгебраическая сумма скоростей тех стадий, в которых участвует вещество i. Если в простой стадии вещество i расходуется, скорость этой стадии войдет в r_i со знаком "плюс", а в противоположном случае - со знаком "минус". То же справедливо для выражений ?H_ir_i, представляющих собой аналогичную алгебраическую сумму произведений теплот простых стадий на их скорости.

При анализе промышленных процессов изомеризации можно ограничиться сравнительно простыми схемами с участием во взаимных переходах двух или трех изомеров в реакциях крекинга или гидрокрекинга.

Продукты гидрокрекинга или крекинга

Схема 1 - Расчёт процессов изомеризации с участием двух изомеров:

где r₁₂, r_21, r_1k, r_2k - скорости соответствующих реакций.

Общее математическое описание:

(4)

Часто это описание упрощают, считая, что режим промышленного реактора близок к идеальному вытеснению и является адиабатическим, что позволяет исключить теплопроводность и теплопередачу. Тогда имеем:

(5)

Продукты гидрокрекинга или крекинга

Схема 2 - Расчёта изомеризации с учетом трех изомеров:

где r₁₂, r_21, r₂₃, r_32, r_1k, r_2k, r_3k - скорости соответствующих реакций.

В этом случае общее математическое описание режима нормальной эксплуатации имеет вид:

(6)

Это описание можно упростить, считая, что режим промышленного реактора близок к идеальному вытеснению и является адиабатическим, что позволяет исключить теплопроводность и теплопередачу:

(7)

Выводы.

Математические модели (5) и (7) учитывают влияние побочных реакций на скорость протекания процесса изомеризации, но не отображают изменение параметров во времени. И для проведения расчетов по этим математическим описаниям требуется определить вид неявных функций rij, cP, v, а также значения постоянных коэффициентов DПi, ?Hij и других, что в ситуации недостатка экспериментальных данных предопределяет необходимость использования итерационных методов исследования.

Литература

1. Жоров Ю.М. Изомеризация углеводородов: Химия и технология. - М.: Химия, 1983. - 301 с.

2. Потехин В.М., Потехин В.В. Основы теории химических процессов технологии органических веществ и нефтепереработки. - СПб.: Химиздат, 2005. - 910 с.

3. Интернет-ресурс www.kataliz.ru

4. Бурсиан Н.Р. и др. Изомеризация парафиновых углеводородов. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1979. - 71с.

5. Бурсиан Н.Р. и др. Технология изомеризации парафиновых углеводородов. - Л.: Химия, 1985. - 191с.

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

Размещено на Allbest.ru