Содержание к диссертации
ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 5
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 6
ВВЕДЕНИЕ 10
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 18
IЛ. Технологический процесс гидроочистки ДТ 18
1.2. Основные-химические реакции гидроочистки ДТ- 23
1.3. Основные технологические параметры гидроочистки ДТ 26
1.4. Существующие методы и системы управления процессом ГДТ .„32
1.5. Постановка задачи исследования , 40
2.МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГДТ 42
2.1. Расчет физико-химических свойств потоков в процессе ГДТ 42
2Л.1. Температура кипения компонентов смеси гидроочистки ДТ 44
2Л.2, Приведенная температура, давление и ацентрический фактор смеси 44
2.1.3- Коэффициент сжимаемости смеси 46
2Л.4. Константа фазового равновесия компонентов смеси 49
2.1.5. Энтальпия отдельных компонентов в смеси гидроочистки ДТ 50
2Л.6. Молекулярные массы отдельных компонентов в смеси процесса гидроочистки ДТ 53
2.1-7. Плотности отдельных компонентов в смеси гидроочистки ДТ 55
2.2. Разработка общего математического описания процесса ГДТ 56
2.2Л. Математические модели второго уровня 57
2.2ЛЛ. Математическая модель теплообменника..,. 57
2.2Л.2. Математическая модель сепаратора 65
2.2.1.3, Математическая модель реактора 78
2.2Л А Математическая модель стабилизационной колонны ДТ 100
2.2.1.5. Математическая модель абсорбера очистки РВСГ ЮС
2.2.1.6, Математическая модель отгоной колонны 110
2.2.2. Математические модели первого уровня 113
2.2.2.1. Математическая модель РБ 113
2.2.2.2. Математическая модель ГС 120
2.2.2.3. Математическая модель БХС 122
2.2.2.4. Математическая модель БСДТ 125
2.2.2.5. Математическая модель БОГ 131
2.3. Обобщенная математическая модель процесса гидроочистки ДТ 134
2.4. Коррекция математической модели процесса гидроочистки ДТ 137
2.5. Программная реализация математической модели процесса ГДТ 143
3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ГДТ 145
3.1. Постановка задачи системы управления процессом гидроочистки ДТ.. 145
3.2. Разработка системы управления: процессом гидроочистки ДТ 147
3.3. Обобщенный алгоритм управления процессом гидроочистки ДТ 152
3.3.1. Обобщенный алгоритм управления РБ 155
3.3.1.1.Алгоритм расчета управляющих воздействий в РБ 160
3.3.1.2. Алгоритм поиска значения входного содержания серы в сырьевой фракции ДТ 162
3.3.2. Обобщенный алгоритм управления БХС 164
3.3.3. Обобщенный алгоритм управления БСДТ 166
3.3.4. Обобщенный алгоритм управления БОГ 168
3.3.4.1. Алгоритм управления абсорбером очистки РВСГ 172
3.3.4.2. Алгоритм управления абсорбером очистки неочищенного газа. 173
3.3.4.3. Алгоритм управления отгонной колонной бензина 174
3.4. Алгоритм управления процессом гидроочистки ДТ во времени 175
3.5. Программная реализация системы управления процессом ГДТ 176
4. ТЕСТОВАЯ ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЛЕКСА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ГДТ 178
4.1. Сравнение результатов расчета параметров процесса ГДТ по математической модели с их реальными значениями 178
4.2. Тестовые сравнения, результатов реализации управляющих воздействий на реальном процессе с результатами управления по математической модели 190
4.3. Исследование работы СУ процессом ГДТ при изменении фракционного состава и содержание серы в сырьевой фракции ДТ на входе на установку гидроочистки ДТ 194
4.4. Исследование работы СУ процессом ГДТ при изменении температуры сырьевой фракции ДТ на входе на установку гидроочистки ДТ 197
4.5. Исследование работы СУ процессом ГДТ при изменении содержания водорода в свежем ВСГ 201
4.6. Исследование работы СУ процессом ГДТ при изменении объемного содержания водорода в рециркуляционном ВСГ 204
ВЫВОДЫ 208
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 211
Введение к работе
Гидроочистка имеет важное значение в процессах нефтепереработки при производстве дизельного топлива и подготовки сырья для каталитических процессов риформинга, крекинга и др./1/.
В последние 5-10 лет роль процессов гидроочистки в связи с необходимостью улучшения качества и увеличения выпуска нефтепродуктов значительно возросла и кардинально изменилась. Это определяется двумя главными тенденциями современной нефтепереработки: увеличением глубины их переработки и ужесточением экологических норм/2/.
Первая тенденция из-за вовлечения в переработку и, следовательно, в гидроочистку все более тяжелого нефтяного сырья/3/ с большим содержанием серы, азота, металлов, смол и асфальтенов приводит к ужесточению технологи ческого режима и требует создания более устойчивых катализаторов/4-7/.
Вторая тенденция превращает процессы гидроочистки из вспомогательных в основные, определяющие качество и потребительские свойства моторных и энергетических топлив/8/. Здесь требуется более тонкая очистка от серы и азота, частичное гидрирование ароматических соединений, легкий гидрокрекинг нормальных парафинов, переработка вторичных дистиллятов, содержащих непредельные соединения и т.п/9-12/.
Совместное действие этих двух тенденций выдвигает процессы гидроочистки в ряд важнейших каталитических процессов, занимающих к тому же од-но из первых мест в мире по суммарной мощности перерабатываемого сырья и мощности единичных аїрегатов.
Целью гидроочистки является улучшение качества н повышение стабильности топлив и масел, путем их очистки от сернистых, азотистых, кислородсодержащих соединений, гидрирования непредельных углеводородов/13/.
Установка гидроочистки ДТ представляет собой определенным образом организованную структуру отдельных функциональных блоков, в каждом из которых реализуется отдельный этап рассматриваемого технологического про цесса. К таким блокам относятся реакторный блок, блок горячей сепарации, блок стабилизации ДТ, блок холодной сепарации, блок очистки газов. Среди этих блоком наиболее важным является реакторный блок. В нем осуществляется преобразование смеси сырьевой фракции ДТ и ВСГ в парожидкостную смесь, состоящую из сероводорода, газа, бензина, ДТ, аммиака и воды. Последующие блоки установки гидроочистки ДТ служат для выделения ДТ, газа, бензина, сероводорода из парожидк итной смеси.
На ход технологического процесса гидроочистки ДТ оказывают влияние состав сырьевой фракции ДТ и содержание серы в ней, состав серы по группам (меркаптаны, сульфиды, дисульфиды, тиофен, дибензотиофены), температура на входе в реактор и давление в нем, составрл свежего и рециркуляционного ВСГ и др. Различный состав сырьевой фракции ДТ объясняется неоднородностью используемой нефш, свойства которой определяются её месторождением /14/. Непостоянный состав ВСГ, а именно различная объемная концентрация водорода в ВСГ, объясняется нестабильностью работы установки риформішга бензина. Отклонения по концентрации водорода в рециркуляционном ВСГ обуславливается работой БОГ гидроочистки ДТ, а именно работой абсорбера очистки рециркуляционного ВСГ. С момента организации промышленного производства гидроочистки (1945г.) неоднократно вводились технологические усовершенствования/15-27/ и модификации СУ, направленных на повышение эффективности производства/27-33/. Однако до сих нор в существующих СУ не решен ряд проблем, которые влияют на технико-экономические показатели процессов гидроочистки. К подобным проблемам относятся такие, как учет влияния дезактивации катализатора/34/, входного состава сырьевой фракции ДТ и ВСГ, температуры и давление на входе в реактор, количество поддуваемого ВСГ газа для стабилизации ДТ/30/ и т.д;
Дезактивация катализатора приводит к уменьшению каталитической активности катализатора, а именно к уменьшению степени превращения сырьевой фракции ДТ в готовое товарное ДТ. Для уменьшения влияния дезактивации катализатора увеличивают расход свежего ВСГ или давление ПЖС на вхо де в реактор/8Д или увеличивают парциальное давление водорода в ПЖС/9Л С дезактивацией борются также путем плавного повышения температуры на вход в реактор в процессе гидроочистки ДТ, а также регенерацией катализатора/10/. Дезактивация катализатора ведет к увеличению выхода побочных продуктов газа и бензина, и поэтому снижает эффективность работы установки гидроочистки ДТ.
Решение этих проблем позволит повысить выход ДТ и увеличить степень использования сырья, повысить качество продукции и значительно снизить ее себёстоимость/32/."
Управление процессом гидроочистки ДТ осуществляется в условиях неопределенности и неполноты информации, определяемых отсутствием текущей информации о содержание серы в фракции ДТ, группового состава поступающей серы, примесей и т.д. Повышение качества выпускаемого продукта (ДТ) її снижение энергетических затрат могут быть достигнуты путем разработки и созданий автоматизированной СУ производством/28/, учитывающей влияние всех вышеперечисленных факторов. Многообразие и сложность процессов гвд-роочисткя ДТ обуславливают и сложность создания надежной СУ. С учетом вышеизложенного можно утверждать, что задача разработки современной СУ процессом гидроочистки ДТ является актуальной и экономически обоснована»
Целью диссертационной работы является изучение основных закономерностей процесса гидроочистки ДТ для создания ММ и построение на ее основе СУ, обеспечивающей заданное качество ДТ по содержанию серы и температуре вспышки ДТ.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи: проведен анализ особенностей процесса гидроочистки ДТ в реакторе, теплообменниках, сепараторах и абсорберах; рассмотрена взаимосвязь технологических параметров, а также их влияние на характер протекания процесса гидроочистки ДТ; проведен анализ существующих методов и СУ процессом гидроочистки ДТ; рассмотрен процесс ГДТ как объект управления; выявлены закономерности, характеризующие состояние смеси в любой точке процесса гидроочистки ДТ (коэффициент сжимаемости, плотность смеси, состав смеси и т.д.); разработаны математические модели реактора, теплообменников, сепараторов и абсорбера очистки газов применительно к процессу ГДТ; осуществлена их программная реализация на ЭВМ; разработаны структура и алгоритм СУ процессом гидроочистки ДТ, обеспечивающие минимальное содержание серы в товарном топливе; проведена оценка качества работы предложенной СУ посредством численного моделирования.
Диссертационная работа состоит из четырех глав.
В первой главе рассмотрены физико-химические и технологические особенности исследуемого процесса ГДТ, Рассмотрено влияние технологических параметров на процесс ГДТ. Проведен обзор существующих СУ процессом ГДТ, который свидетельствует о том, что в настоящее время преимущественно распространены локальные СУ, с использованием регрессионных и эмпирических математических моделей, в которых не учитывается ряд важных факторов, определяющих качество функционирования СУ. Это существенно затрудняет возможность их адаптации дли аналогичных целей на различных производствах гидроочистки, В соответствии с целью работы сформулированы задачи исследования.
Вторая глава посвящена разработке математической модели процесса гидроочистки ДТ на основе физико-химических уравнений материального, теплового и гидравлических балансов процесса и ряда эмпирических зависимостей, известных из литературы/50,51,53-56,66-77/. Анализ основных элементов технологической схемы, а также рассмотрение реактора гидроочистки ДТ как основного объекта управления позволил определить входные и выходные параметры, каналы управления и значимые возмущающие воздействия на процесс гидроочистки ДТ» Представлены структура ММ ГДТ, предлагаемый алгоритм ее решения и алгоритм адаптации математической модели к текущей ситуации на установке гидроочистки ДТ. Математическая модель процесса гидроочистки ДТ представляет собой совокупность математических моделей реактора, тепло обменников, сепараторов, абсорбера очистки газов и стабилизационной колонны ДТ.
В третьей главе рассмотрена предлагаемая СУ процессом гидроочистки ДТ, В соответствии с целью работы, сформулированы задачи СУ. Проведена разработка структуры и алгоритма СУ и выбран критерий оценки качества ее функционирования. Основой предлагаемой СУ является математическая модель гидроочистки ДТ, позволяющая осуществлять:
1. управление содержанием серы в товарном ДТ в зависимости от восьми параметров (содержание входной серы в сырьевой фракции ДТ, фракционного состава сырьевой фракции ДТ, расход сырьевой фракции ДТ, содержание водорода в свежем ВСГ, расход свежего ВСГ, содержание водорода в РВСГ, содержание сероводорода в РВСГ, расход РВСГ);
2. управление расходом фракции ДТ в зависимости от семи параметров (содержание входной серы в сырьевой фракции ДТ, фракционного состава сырьевой фракции ДТ, содержание водорода в свежем ВСГ, расход свежего ВСГ, содержание водорода в РВСГ, содержание сероводорода в РВСГ, расход РВСГ);
3. управление расходами свежим и рециркуляционным ВСГ, а также ВСГ для стабилизации ДТ в зависимости от пяти параметров (концентрации водорода в свежем ВСГ, концентрация водорода в рециркуляционном ВСГ, содержание серы в сырьевой фракции ДТ, расхода сырьевой фракции ДТ, фракционного состава сырьевой фракции ДТ);
4. управление температурой на входе в реактор в зависимости от шести параметров (расхода сырьевой фракции ДТ, содержания серы в сыръевоь фракции ДГ, фракционный состав сырьевой фракции ДТ, концентрации водорода в свежем ВСГ, концентрация водорода в рециркуляционном ВСГ);
При управлении процессом гидроочистки ДТ с использованием предлагаемой математической модели ГДТ предусмотрена ее адаптация к текущей ситуации процесса ГДТ.
В четвертой главе представлены результаты численного тестирования на ЭВМ алгоритма управления процессом гидроочистки ДТ. На основании полученных результатов исследований проведен анализ качества работы СУ. Представлены результаты численного тестирования на ЭВМ алгоритма управления процессом гидроочистки ДТ, представленного в главе 4. Приведены результаты работы СУ процесса гидроочистки для различных режимов его функционирования. Каждый тестированный режим отличается от других различным содержанием входной серы в сырьевой фракции ДТ, её фракционным составом и температурой фракции ДТ, концентрацией водорода в свежем и рециркуляционном ВСГ. В результате реализации работы алгоритма СУ формируются управляющие воздействия (по расходу сырьевой фракции ДТ, по расходу свежего ВСГ, по расходу РВСГ по расходу ВСГ на стабилизацию ДТ, по температуре на вход в реактор, по давлению па входе реактора, по температуре на входе в холодный сепаратор) с учетом заданных параметров (плотность сырьевой фракции ДТ, температуры фракции ДТ на входе в установку, состав сырьевой фракции, содержания водорода в свежем и рециркуляционном ВСГ, содержание серы в сырьевой фракции ДТ) при наличии ограничений на управляющие воздействия в соответствии с реглаыентом/33/.
На основании результатов тестирования математической модели и предлагаемой СУ проведен анализ качества работы СУ и сделан вывод о возможности ее применения при управлении процессом ГДТ.
Основными положениями, выносимыми па защиту, являются:
1. математическая модель процесса ГДТ, состоящая из совокупности моделей реактора, теплообменников, горячего сепаратора, холодного сепаратора и абсорбера очистки газов;
2. алгоритм расчета математической модели процесса ГДТ;
3. алгоритм адаптации математической модели процесса ГДТ к текущей ситуации процесса гидроочистки ДТ;
4. структура системы управленії; процессом гидроочистки ДТ;
5. алгоритм управления технологическим процессом гидроочистки ДТ;
Основные результаты работы апробированы:
- на 17-й Международной научно-технической конференции «Математические методы в технике я технологии», проходившей в г. Кострома в 2004 г.;
- на Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве», проходившей в г.Орел в 2004 г.;
- на 18-й Международной научно-технической конференции «Математические методы в технике и технологии», проходившей в г. Казани в 2005 г.;
Основные результаты работы опубликованы:
1) Борзов А.Н., Сотников В.В., Сибаров ДА, Лисицын Н.В. Алгоритм управления реакторным блоком гидроочистки дизельного топлива // Математические методы в технике и технологии-2003: Сб. тр. 17-й Междунар. науч. конф.- СПб., 2003.- Т, 3.- С. 102-110.
2) Сотников В.В., Борзов А.Н., Сибаров Д.А., Лисицын Н.В. Математическая модель для управления процессом гидроочистки ДТ// Информационные технологии в науке, образовании и производстве: Сб. тр. Междунар. науч. конф.- Орел:ОрелГТУ, 2004.- Т. 3.- С. 43- 48.
3) Система управления реакторным блоком процесса гидроочистки дизель-нот топлива /А.Н.Борзов, В.В. Сотников, Н.В. Лисицын, Д.А. Сибаров// Автоматизация в промышленности. - 2004. - №7. - С. 33- 37.
4) Борзов А.Н.? Лисицын Н.В., Сотников В.В., Сибаров Д.А, Управление процессом гидроочистки дизельного топлива // Математические методы в технике и технологии-2005: Сб. тр. 18-й Междунар. науч. конф - Казань., 2005-- Т. 10,-С. 160-163.
5) Сотников В.В., Борзов А.Н., Сибаров ДА., Лисицын Н.В, Программный продукт "Моделирование и управление процессом гидроочистки ДТ" Гидроочистка ДТ // Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ 2005611122. Офиц, бюл. российского агентства по патентам и товарным знакам
ТТроіраммьі для ЭВМ. Базы данных. Топология интегральных схем 9\ Москва. 2005.№2.СЛ53.
Похожие диссертации на Моделирование и управление процессом гидроочистки дизельного топлива
