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; CH2S.пит, CCH4.пит, CC2H6.пит, CC3H8.пит, CC4H10.пит, CiC4H10.пит, CNH3.пит, СH2O.пит, Cбен.пит, Cдт.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) {Gвсг - расход ВСГ, кг/ч; СH2.всг, ССН4.всг, СС2Н6.всг, СС3Н8.всг, С C4H10.всг, CiC4H10.всг - мольные доли компонентов ВСГ; Твх.всг - температура входа ВСГ в колонну; Рвх.всг - давление входа ВСГ в колонну}; Х3 - выход стабильного дизельного топлива {Gдт}; Х4 - выход дистиллята или отгон-бензина {Gсм.отгон - расход смеси отгон - бензина; СH2S.отгон , Сг.отгон , Сбен.отгон - мольные доли сероводорода, газа и бензина-отгона в смеси, мол.доля; }; Х5 - углеводородный газ, Х6 - поток, выходящий из сепаратора и разделяемый на флегму{Gфл - расход флегмы (фл.), кг/ч; Тфл - температура флегмы; CH2S.фл, CCH4.фл, CC2H6.фл, CC3H8.фл, CC4H10.фл, CiC4H10.фл, CNH3.фл, СH2O.фл, Cбен.фл, Cдт.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 kстаб; в) принимаем, что значение kстаб = 1 при температуре вспышки дизельного топлива (ДТ) 700 С и ниже, kстаб = 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 kстаб; 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;
ki - 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 ki , 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 аi 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.