Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 8
1.1. Газофракционирующие установки НПЗ и НХК 8
1.2. Методы синтеза оптимальной технологической схемы разделения 26
1.2.1. Эвристический метод 27
1.2.2. Информационно-энтропийный метод 31
1.2.3. Эволюционный метод 32
1.2.4. Алгоритмические методы 35
1.2.5. Декомпозиционно-топологический метод 41
1.3. Методы расчета парожидкостного равновесия в смесях легких углеводородов, являющихся основными компонентами сырья ГФУ 42
1.4. Критерии оптимизации 67
1.5. Общие замечания 73
1.6. Постановка задачи 74
Глава 2. Методы и алгоритмы исследования 75
2.1. Методика исследования трансформации структуры ОТСР при изменении исходного состава питания и определении геометрии распределения изокритериальных многообразий в концентрационном симплексе 76
2.2. Программный комплекс «Syntrect» 77
2.3. Расчет минимального флегмового числа по методу Андервуда 83
2.4. Определение оптимальных параметров процесса ректификации 86
2.5. Программный комплекс PRO II 88
2.6. Выбор метода расчета парожидкостного равновесия в смесях легких углеводородов, являющихся основными компонентами сырья ГФУ 92
Глава 3. Разработка энергосберегающей технологии газофракционирования легких углеводородных газов 109
3.1. Выявление закономерностей изменения структуры ОТСР при изменении состава питания 109
3.2. Исследование взаимного расположения изокритериальных многообразий на фанях концентрационного симплекса и в сечениях, близких к ним 128
3.3. Определение нелокальных закономерностей взаиморасположения изокритериальных многообразий в концентрационном симплексе 136
3.4. Разработка энергосберегающей технологии разделения изобуна -гексановой фракции 144
3.5. Разработка энергосберегающй технологии разделения пропан - гексановой фракции 151
3.5.1. Структурная оптимизация блока разделения пропан-гексановой фракции 151
3.5.2. Определение рабочих параметров фракционирующего абсорбера 159
3.5.3. Определение конструктивных и рабочих параметров колонн блока разделения пропан-гексановой фракции ЦГФУIII 168
3.5.4. Определение конструктивных и рабочих параметров колонн блока разделения пропан-гексановой фракции ЦГФУ II 175
3.6. Разработка энергосберегающей технологии разделения этан-гексановой фракции (ШФЛУ) 187
3.6.1. ГФУ российских предприятий 187
3.6.2. Структурная оптимизация ГФУ 196
3.6.3. Определение конструктивных и рабочих параметров этановой колонны 209
3.6.4. Определение рабочих параметров колонн ЦГФУ-И при замене фракционирующего абсорбера на этановую колонну 219
Выводы 225
Литература 226
- Методы расчета парожидкостного равновесия в смесях легких углеводородов, являющихся основными компонентами сырья ГФУ
- Расчет минимального флегмового числа по методу Андервуда
- Исследование взаимного расположения изокритериальных многообразий на фанях концентрационного симплекса и в сечениях, близких к ним
- Разработка энергосберегающей технологии разделения этан-гексановой фракции (ШФЛУ)
Введение к работе
Невысокая цена энергоресурсов в СССР позволяла уделять относительно мало внимания подсистеме разделения, на долю которой приходится до 70% от общих энергозатрат предприятия. В настоящее время с ростом цен на энергоносители возросла энергетическая составляющая в себестоимости продукции. Созданные более 25 лет назад газофрационирующие установки (ГФУ) превратились в фактор, сдерживающий экспортный потенциал нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий и снижающий конкурентоспособность продукции. Это обусловлено как износом основных фондов, так и изменением составов перерабатываемого сырья по сравнению с проектными, недостаточной загруженностью установки по сырью (от 2,7 до 80% от проектной мощности). Недогруженность установок по сырью приводит к необходимости поддержания рабочих параметров колонн за счет избыточных тепловых нагрузок, которые сопоставимы с энергозатратами на весь процесс разделения. В ряде случаев отсутствие взаимодействия между различными Российскими нефтяными и нефтехимическими компаниями обуславливает существенные колебания исходного состава питания установок, что дополнительно увеличивает энергозатраты на разделение. Неэффективность работы установок также обусловлена неоптимальными для современных источников сырья структурами технологических схем газофракционирующих установок.
Все вышеперечисленные факторы обуславливают необходимость модернизации ГФУ.
Работа выполнялась в соответствии с Координационными планами АН СССР и РАН по направлению «Теоретические основы химической технологии» на 1995 - 2000 гг., в рамках МНТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма: 203 «Химия и химические продукты», разделы: 203.01; 203.02.
Цель работы
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке энергосберегающей технологии газофракционирования легких углеводородных газов при существующих в настоящее время составах сырья.
Для достижения поставленных целей в работе использованы методы графовой трансформации структур технологических схем ректификации, теория графов, топологический анализ, математическое моделирование схем ректификации и расчетный эксперимент. Научная новизна
Приложение тополого - графового подхода к анализу геометрии областей оптимальности технологических схем разделения изобутан -гексановой фракции позволило:
• определить возможное и реальное число изокритериальных многообразий различной размерности;
• выявить нелокальные закономерности распределения изокритериальных многообразий в симплексе исходных составов питания;
• установить, что для исходных составов питания, характерных для Российских предприятий, в качестве оптимальных по энергозатратам могут выступать 9 из 14 возможных схем ректификации.
Выявлено, что изменение структуры оптимальной технологической схемы при варьировании исходного состава питания происходит в результате двух типов топологической трансформации.
Сопоставление распределения изокритериальных многообразий на гранях симплекса и в близких к ним сечениях выявило их высокую нелинейность.
Практическая значимость.
• Предложены оптимальные технологические схемы разделения (ОТСР) фракции С4-С6+ в зависимости от состава разделяемой смеси.
• Выполнена структурная и параметрическая оптимизация технологии разделения фракции С3-Се+. Предложенное для ОАО «Новокуйбышевская нефтехимическая компания (НК НХК) решение позволяет снизить энергозатраты ЦГФУ-ИІ и ЦГФУ-П на 24,7% (на тонну широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ)) и увеличить производительность ЦГФУ-И с 250 до 300 тыс.т/год при использовании имеющегося оборудования.
• Выполнена структурная и параметрическая оптимизация технологии разделения ШФЛУ (Сг-Сб+)- Показано, что реконструкция ЦГФУ-И НК НХК при замене фракционирующего абсорбера на деэтанизатор высокого давления обеспечивает дополнительное увеличение производительности установки до 320 тыс.т/год и снижение энергозатрат блока разделения пропан гексановой фракции еще на 9,8% (на тонну пропан - гексановой фракции).
Объем работы
Диссертационная работа включает введение, 3 основные главы, приложение и список библиографии, содержащий 200 наименований. Работа изложена на 240 страницах машинописного текста и включает 70 рисунков, 100 таблиц. В первой главе дан обзор литературы, посвященной оптимизации работы газофракционирующих установок, методам синтеза ОТСР и расчета фазового равновесия в системе ШФЛУ при низких, умеренных и высоких давлениях. Существующие литературные данные по оптимизации ГФУ не носят систематического характера: синтез ОТСР ГФУ или сопоставление ГФУ и абсорбционно - газофракционирующих установок (АГФУ) выполнены для единственного состава питания, в некоторых работах рассмотрена оптимизация отдельных блоков ГФУ. Разбиение концентрационного симплекса изокритериальными многообразиями на подмножества исходных составов питания, для каждого из которых оптимальной является своя технологическая схема разделения {области оптимальности), получено только для смесей с числом компонентов не более четырех. Вне поля зрения исследователей также остались вопросы, касающиеся взаимосвязи расположения изокритериальных многообразий в концентрационном симплексе и на его гранях, а также трансформации структуры ОТСР при изменении состава питания.
Поэтому в рамках данной работы были поставлены следующие задачи:
• выявление основных закономерностей трансформации структуры ОТСР при изменении состава питания;
• определение нелокальных закономерностей распределения изокритериальных многообразий в концентрационном симплексе пятикомпонентной смеси;
• определения взаимосвязи расположения изокритериальных многообразий на гранях симплекса и в близких к ним сечениях;
• разработка энергосберегающей технологии газофракционирования легких углеводородных газов.
Вторая глава содержит описание используемых алгоритмов и методов исследования.
В третьей главе рассмотрена трансформация структуры ОТСР при изменении исходного состава разделяемой смеси, определено взаиморасположение изокритериальных многообразий на гранях концентрационного симплекса и в близких к ним сечениях. С использованием тополого-графового подхода выявлены нелокальные закономерности распределения изокритериальных многообразий в концентрационном симплексе пятикомпонентной смеси С4-С6+. Выполнена структурная и параметрическая оптимизация технологии разделения фракций Сз-С6+1 С2-С6+ (ШФЛУ) и разработаны технические предложения по реконструкции ЦГФУ-П ОАО «Новокуйбышевская нефтехимическая компания. Проведен анализ устойчивости структур полученных ОТСР к колебаниям исходного состава питания.
Методы расчета парожидкостного равновесия в смесях легких углеводородов, являющихся основными компонентами сырья ГФУ
Для проектирования газофракционирующих установок необходимо располагать данными о физико-химических и термодинамических свойствах компонентов разделяемых смесей, а также о фазовом равновесии. Важным фактором, определяющим адекватность модели процесса, является выбор надежного метода расчета фазового равновесия. Точность их определения оказывает наиболее сильное влияние на результаты расчета основных параметров ректификации. Например, при низкотемпературном разделении природных газов ошибка в 4,5% приводит к увеличению числа теоретических тарелок на 10%, орошения на 5%, а ошибка в 20% - к снижению производительности установки на 2,4% [108].
Основным видом сырья газофракционирующих установок является широкая фракция легких углеводородов (ШФЛУ), состоящая из предельных компонентов Сі - Се+, или пирогаэ, являющаяся смесью предельных и непредельных углеводородов. Фазовые диаграммы предельных углеводородов сравнительно просты из-за отсутствия азеотропии. Азеотропия имеет место только в смесях парафинов с олефинами или неуглеводородными компонентами, являющимися примесями природных и попутных газов (например, в системах ССУСгНе или H2S/C3H8) [102]. Ограниченная взаимная растворимость н-парафинов наблюдается только при низких температурах в смесях с существенной разницей в относительных летучестях компонентов (метан - н-гексан, этан - н-октан) [103,104]. Системы ШФЛУ, попутного нефтяного и природного газов характеризуются неограниченной взаимной растворимостью компонентов как при низких, так и при высоких температурах. Качественные закономерности фазовых диаграмм н-парафинов подробно рассмотрены в обзоре [105].
Процессы гаэофракционирования характеризуются рядом особенностей, которые необходимо учитывать при выборе метода расчета фазового равновесия. Во-первых, это существенные отличия в температурах кипения разделяемых компонентов: от -161,5 С у метана до 68,7 - 125,5 С у компонентов, составляющих фракцию Се+- Разница в температурах кипения компонентов Сі - Сз составляет 20-50 С, смеси изобутан - н-бутан, изопентан -н-пентан являются близкокипящими, а фракция Се+ представляет собой смесь, состав которой характеризуется кривой разгонки. Это обуславливает применение повышенного давления для выделения фракций с низкой температурой кипения (метановой, этановой и пропановой), умеренного - для среднекипящих фракций (изобутановой, н-бутановой, изопентановой и н-пентановой) и близкого к атмосферному - для тяжелокипящей фракции Се+. Вопрос о выборе давления в ректификационных колоннах ҐФУ подробно рассмотрен в главе 2,
При использовании повышенного давления необходимо учитывать несколько факторов. Во-первых, компоненты смеси могут находиться в жидкой фазе при температурах и давлениях, превышающих их критические параметры. Во-вторых, при высоких температурах и давлениях в окрестности критической точки имеют место ретроградные явления. Поскольку ректификация осуществляется практически при постоянном давлении, особое внимание следует обращать на изобарные ретроградные явления.
Поэтому метод расчета констант фазового равновесия в системе природного газа или ШФЛУ должен быть применимым: a. в области низких и умеренных давлений; b. в области высоких давлений, в том числе для критических и сверхкритических условий; c. для определения точек максимальной температуры (крикодентерма), максимального давления (крикоденбара) и критической точки разделяемой смеси, взаимное расположение которых в фазовой диаграмме Р,Т определяет размеры областей ретроградных явлений [105]; d. когда качество товарной фракции (например Се+) характеризуется кривой разгонки и ее покомпонентный состав неизвестен, а следовательно, неизвестны свойства компонентов, необходимые для расчета констант фазового равновесия (например, объем и площадь молекулы, критические свойства, ацентрический фактор и т.д.). Авторы [106] предложили метод описания непрерывных смесей (нефтяных фракций с низким и средним молекулярным весом (в Т.Ч. Се+) и температурами кипения 275 - 600 К) на основе групповой модели UNIFAC с использованием кривой ИТК и данных о процентном содержании парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов (Paraffin - Naphthene - Aromatic Analysis (PNA - анализ)). Кривая ИТК исследуемой смеси разбивается на несколько фракций, для каждой из которых синтезируются псевдокомпоненты из функциональных групп UNIFAC (-СНз, -СН2-, АСН и т.п.). Подбор количества групп UNIFAC и их сочетаний для каждого псевдокомпонента осуществляется на основе данных PNA-анализа и итерационно повторяется до тех пор, пока их расчетные среднеобъемные температуры кипения не будут приведены в соответствие со среднеобъемными температурами кипения, полученными по кривой ИТК. Критические свойства и ацентрический фактор псевдокомпонентов могут быть определены по методу Тву [107] и т.п. и использованы при расчете констант фазового равновесия по уравнениям состояния или другим методам. Проанализируем известные методики расчета констант фазового равновесия с учетом факторов (а)-(Ь). Коэффициент фазового равновесия для і-ого компонента К. определяется как отношение составов паровой yt и жидкой х. фаз из равенства фугитивностей пара fl и жидкости ftL в условиях термодинамического равновесия
Расчет минимального флегмового числа по методу Андервуда
Метод Андервуда [159-162], разработанный для расчета минимального флегмового числа при ректификации многокомпонентных зеотропных смесей в простых двухсекционных колоннах бесконечной эффективности, относится к числу упрощенных. Упрощенные алгоритмы расчета используются главным образом на этапе структурной оптимизации ректификационной установки, когда необходима оперативная приближенная экономическая оценка всех вариантов схем. Как правило, эти методы характеризуются быстродействием, надежностью в сходимости итерационного процесса и требуют малого объема оперативной памяти компьютера, что особенно важно в случае анализа множеств технологических схем высокой размерности. Упрощенные методы полезны для системного расчета сложной химико-технологической системы, и при использовании более строгих алгоритмов расчета применяются в качестве вспомогательного средства на этапе выбора начальных приближений. Упрощенные методы, и, в частности, метод Андервуда, основаны на следующих идеализирующих допущениях: постоянство относительных летучестей компонентов; равновесие между жидкостью и паром в любой момент времени; не учитывают гидродинамическую структуру взаимодейструющих потоков жидкости и пара и эффективность массопередачи; постоянство температуры и давления; постоянство потоков жидкости и пара по высоте колонны. Первые три допущения позволяют освободиться от трудоёмкой процедуры расчёта составов фаз, а остальные - исключают необходимость составления уравнений теплового баланса, учитывающих изменяемость величины молярных потоков при переходе от одной контактной ступени к другой.
Например, расчет ректификации методом Андервуда осуществляется при некоторой средней температуре в колонне. Таким образом, упрощенные алгоритмы предполагают решение только уравнений материального баланса. При ректификации n-компонентной зеотропной смеси в простой двухсекционной колонне на N тарелках в режиме минимальной флегмы система уравнений, используемая в методе Андервуда, имеет вид: потока отбираемого дистиллата к потоку возвращаемой в колонну жидкости; xitP - мольная доля компонента і в дистилляте D; ft - корни, лежащие между значениями относительных летучестей легкого и тяжелого ключевых компонентов а,(ф.{а2{ (ап_1{ф„_1{а„; a —i- - относительная летучесть каждого компонента может быть выражена через летучесть тяжелого ключевого компонента, для самого тяжелого ключевого компонента а, = 1; К; - константа парожидкостного равновесия і -ого компонента; Км - константа парожид костного равновесия тяжелого ключевого компонента. В случае четкого разделения [159-161], когда между дистиллатом и кубовым продуктом распределяются только соседние по относительным летучестям ключевые компоненты, система (2.11) выражается в одно уравнение с неизвестными апам и R . В случае нечеткого разделения, рассмотренного в работе [162], количество распределяющихся между кубовым продуктом и дистиллатом компонентов неизвестно и необходимо решать систему N-1 уравнений с п+1 неизвестным. Для определения корней , необходимо решить уравнение где q - температурные условия сырья; на - мольная энтальпия сырья в виде насыщенных паров; HF - мольная энтальпия сырья; я„ - мольная скрытая теплота испарения сырья; x:Jl - мольная доля компонента і в сырье. Для проверки правильности выбора ключевых компонентов используется соотношение, которое должно быть решено для компонентов легче легкого ключевого и тяжелее тяжелого ключевого: Критерием правильности выбора ключевых компонентов является следующее неравенство: Для определения Rmin на стадии структурной оптимизации технологической схемы могут быть использованы потарелочные методы [180], методы последовательного расчета зон постоянных концентраций [178-180] и всевозможные приближенные методы расчета. В упрощенных методах расчета минимальное число теоретических тарелок jVmin определяется по методу Фенске: xjD,xJlfr - содержание j-oro компонента в дистиллате D и в кубе W; af = Ja af- средняя летучесть. Она берется как среднегеометрическое от значений летучести верхнего а\ и нижнего продуктов a j. На основе эмпирической корреляции Джилленда, представляющей собой график / = / —; ИЛИ аналитических форм таких корреляции [181,182] определяются действительное число теоретических тарелок N, рабочее флегмовое число R, а также тепловые нагрузки кипятильников и дефлегматоров для данного набора R и Rmia. Оптимизируемыми параметрами простой двухсекционной колонны -основного разделительного элемента газофракционирующих установок в проектной постановке задачи, являются: давление, флегмовое число или коэффициент избытка флегмы, тарелка питания.
Оптимальная тарелка питания соответствует минимальным тепловым нагрузкам кипятильника и дефлегматора. Выбор оптимального давления в колонне определяется следующими факторами: наличием в разделяемой смеси термически нестабильных или полимериэующихся при высоких температурах компонентов, целесообразностью использования обычных хладоагентов (воды или воздуха) для конденсации парового потока в дефлегматоре; необходимостью проведения процесса при условиях ниже критических с тем, чтобы обеспечить двухфахное состояние системы. В качестве первого приближения для определения оптимального давления в монографии [108] рекомендуется эмпирическая зависимость между оптимальным давлением р и температурой кипения сырья: Некоторые рекомендации по выбору оптимального давления в колоннах приведены в работах [168,169]. При ректификации при повышенном или атмосферном давлении авторы [168,169] рекомендуют в качестве оптимального принимать такое давление в колонне, при котором конденсацию паров дистиллата можно проводить при помощи дешевых хладоагентов (воздуха или воды). В работе [169] проанализировано влияние давления на производительность промышленной бутановои колонны. На основании полученных результатов рекомендуется в качестве оптимального принимать давление ниже, чем давление, соответствующее максимальной производительности колонны. Максимальная производительность определяется «захлебыванием» тарелок. Для выбора оптимального давления необходим подробный технико-экономический анализ. Такой анализ был проведен в работе [25] на примере ректификации смеси изобутана и н-бутана. Показано, что зависимость приведенных затрат от давления имеет экстремальный характер. Оптимальное 86 давление в колонне соответствует минимуму приведенных затрат. Выбор оптимального флегмового числа определяется двумя факторами: обеспечение минимума приведенных затрат; обеспечение условий устойчивой работы колонны. Вопрос определения оптимального флегмового числа рассмотрен в ряде работ [170-172].
Исследование взаимного расположения изокритериальных многообразий на фанях концентрационного симплекса и в сечениях, близких к ним
Взаимное расположение изокритериальных многообразий на гранях концентрационного симплекса и в сечениях, близких к ним, может представлять интерес, если удастся установить, что граничные структуры являются отображением внутренних. Наличие такой взаимосвязи позволило бы использовать информацию о структуре ОТСР п-1-компонентной смеси для синтеза оптимальной схемы разделения смесей более высокой размерности.
В качестве объектов исследования выбраны четырехкомпонентные смеси легких углеводородов с различными соотношениями относительных летучестей компонентов: пропан - н-бутан - н-пентан - н-гексан (XII), н-гексан -циклогексан - н-гептан - н-октан (XIII) [200]. Для определения взаимного расположения изокритериальных многообразий на гранях симплекса и в их окрестностях, представляющих собой сечения с содержанием одного из компонентов 0,1 мол.%, использовали метод секущих и сечений (см. главу 2). Все расчеты выполнены с использованием программного комплекса Syntrect (см. главу 2). Чистота продуктовых фракций состаляла 99,9 % мол., а общее количество питания - 100 кмоль/час. В качестве критерия оптимизации использовали энергозатраты на разделение. Во всех случаях смесь поступала на разделение в виде кипящей жидкости. При условии четкого разделения четырехкомпонентных зеотропных смесей в ПДК число возможных вариантов TCP равно 5, а для трехкомпонентных составляющих смесей (XII) и (XIII) число возможных TCP равно двум. Возможные TCP четырех- и трехкомпонентных смесей в ПДК, а также соответствующие им структуры графов приведены на рис.3.19. Компоненты смесей (XII) и (XIII) пронумерованы от 1 до 4 в порядке уменьшения их относительных летучестей. Обозначим концентрацию і-ого компонента в исходной смеси х(, где і - порядковый номер компонента, і-1, 2,
Взаимное расположение иэокритериальных многообразий на гранях концентрационного симплекса и в сечениях, близких к ним, с содержанием одного из компонентов 0,1 мол.% для четырехкомпонентных смесей (XII) и (XJII) представлены на рис. 3.20 - 3.21.
Рассмотрим трансформацию структуры ОТСР, обеспечивающей четкое разделение в простых двухсекционных колоннах, при переходе от смеси с числом компонентов п к смеси с числом компонентов п-1, т.е при переходе от четырехкомпонентной смеси (XII) или (XIII) к трехкомпонентной. При п=3 существуют два возможных варианта разделения, которые при переходе от трехкомпонентной смеси к бинарной, т.е. при х. -» 0 порождают единственную схему разделения. Более сложная картина наблюдается при аналогичном переходе для четырехкомпонентной смеси. В этом случае каждая j-ая TCP, состоящая из 3 колонн при х. - 0 порождает характерный только для нее набор технологических вариантов из 2 колонн (табл. 3.9).
При трансформации IV-»A и V-»A происходит не только исключение колонны, но и обращение разделения в одной из них. В случае смеси (XIII) при JC, -»0 схему А порождает единственный вариант III, а схему Б - вариант II (рис.3.216). Варианты I, IV, V в сечении с х,=0,1 мол. % в качестве оптимальных не реализуются. В сечениях х2=о,\ мол. % при ректификации смесей (XII) и (XIII) в качестве оптимальных выступают четыре варианта схем -II, III, IV и V (рис.3.20, 3.21 в). При х2 - 0 схемьі III и V порождают схему А, а варианты II и IV - схему Б. При IV-»A и V-»5 сначала происходит исключение из технологической схемы колонны, в которой компонент 2 выделяется в качестве дистиллата, а затем -обращение одной из вершин графа (на рис. 3.24). Для определения взаимосвязи расположения иэокритериальных многообразий были сопоставлены результаты расчетов для граней симплекса и выбранных сечений с х. =0.1 мол. % (рис. 3.20, 3.21). Выявлено, что в ряде случаев изоэнергетические многообразия имеют сильно выраженный нелинейный характер. Например, некоторые концентрационные области X" не имеют связного характера в сечениях с Х;=0.\ = const (рис. 3.21 г), хотя во всем объеме симплекса XJ являются связными. В ряде случаев (рис. 3.20 а, 3.20 в, 3.21 а, 3.21 б) изоэнергетические многообразия на гранях симплекса К практически совпадают со следами изоэнергетических многообразий АГ т, сечений с #,=0.1 мол. %, и в этом случае можно предположить принадлежность К 1} поверхности KJj+l. Для остальных изученных нами сечений и граней концентрационного симплекса наблюдается только качественное соответствие хода К 2+1 и следа АГ"!, (рис. 3.20 б, 3.20 г, 3.21 в, 3.21 г). Видимо, это обусловлено сильно выраженным нелинейным характером многообразий ":+, в окрестностях граней концентрационного симплекса. Таким образом, информация о расположении изоэнергетических многообразий К 1\ на гранях симплекса может служить только для грубого, качественного предсказания распределения многообразий Kf li в объеме концентрационного симплекса.
Разработка энергосберегающей технологии разделения этан-гексановой фракции (ШФЛУ)
В качестве объектов структурной оптимизации выбраны ГФУ шести Российских предприятий: ОАО «Тобольский нефтехимический комбинат», ОАО «Нижнекамскнефтехим», АО «Салаватнефтеоргсинтез», ЗАО 187 «Новокуйбышевская нефтехимическая компания», ОАО «Уралоргсинтез», ОАО «Ачинский нефтеперерабатывающий завод восточной нефтяной компании». Заводские схемы этих установок представлены на рисунках 3.40 - 3.47. Различия между газофракционирующими установками обуславливает необходимость их сравнительного анализа и оценки (табл.3.48) [199]. рабочими параметрами, последовательностью выделения товарных фракций и их количеством (5 или 7) (рис.3.40 - 3.47, табл. 3.48). Все рассмотренные установки обеспечивают получение товарных фракций достатачно высокого качества: пропановой марки "А" и "ПТ",, изобутановой , бутановой, изопентановой марок "А" и "Б", пентановой фракции марки "А" и гексановой - марш "В" согласно действующим техническим условиям (табл.3.48). ГФУ ОАО "Уралоргсинтез" и "Ачинского НПЗ восточной нефтяной компании", обеспечивают получение пентан-гексановой фракции чистотой 96,2-99,8% вес. На ГФУ АО "Славатнефтеоргсинтез" получают пропановую фракцию марки "ПТ для коммунально-бытового потребления с содержанием пропана 74,9% вес. Содержание пропана в сухом газе колеблется от 25,5% вес. на ГФУ ОАО "Новокуйбышевская нефтехимическая компания" и ГФУ АО "Славатнефтеоргсинтез" до 74% вес. на ГФУ АО "Нижнекамскнефтехим" (ТУ-38,101499-79). В ряде случаев деэтанизация сырья осуществляется во фракционирующем абсорбере при давлении 10,1 -15 атм (ГФУ ОАО "Новокуйбышевская нефтехимическая компания", АО "Славатнефтеоргсинтез" рис. 3.45 - 3.47). разделение пропан-бутановой, изобутан-бутаноаой и изопентан-пентановой фракций осуществляют с использованием разрезных колонн. Депропанизация с использованием двойной ректификации предусмотрена на ЦҐФУ-І, If и ill ОАО "Новокуйбышевская нефтехимическая компания". На ГФУ АО "Нижнекамскнефтехим" на стадии предварительной депропанизации сырья используются параллельно работающие колонны (рис. 3.41,3.42).
Эти установки за последнее время не претерпевали существенных усовершенствований. Их модернизация проводилась, в основном, на уровне отдельных режимных параметров без изменения структуры технологической схемы. В качестве примера такого усовершенствования привести ГФУ ОАО «Тобольский нефтехимический комбинат» и ОАО «Нижнекамскнефтехим» [52,53]. На основании анализа работы ГФУ различных предприятий сделаны следующие выводы: 1. Существующие установки отличаются технологическим оформлением: в ряде случаев используются нерациональные способы разделения - абсорбция и двойная ректификация, на других установках на всех стадиях разделение осуществляется методом ректификации в ПДК. Тем не менее, даже в случае более совершенного технологического оформления возникает необходимость структурной и параметрической оптимизации ГФУ, поскольку режимы их работы и составы перерабатываемой ШФЛУ в настоящее время существенно отличаются от проектных. 2. Все установки работают при неполной производительности по ШФЛУ - 2,7 - 63,6 % от проектной. Это приводит к необходимости поддержания рабочих параметров колонн за счет избыточных тепловых нагрузок, сопоставимых с затратами на весь процесс разделения. 3. Как правило, на установках получают товарные фракции достаточно высокой чистоты (98,0 - 99,0 % масс), что исключает возможность использования для их модернизации сложных колонн и комплексов со СТМП (см. главу 1). Корректное сравнение схем газофракционирующих установок возможно лишь в случае обеспечения оптимальных режимов работы элементов нижнего иерархического уровня. В работах [6,10,12] показано, что использование таких технологических приемов, как двойная ректификация, применение разрезных колонн для разделения близко кипящих смесей, деэтанизация во фракционирующем абсорбере, экономически нецелесообразно. Поэтому на этапе структурной оптимизации ГФУ было принято, что на всех стадиях газофракционирование осуществляется методом ректификации в простых двухсекционных колоннах. В этом случае эффективность той или иной технологической схемы ГФУ определяется лишь последовательностью выделения целевых фракций. Структурную оптимизацию ГФУ проводили с использованием программного комплекса Syntrect (см. главу 2.). В случае разделения ШФЛУ на 7 фракций (ГФУ АО "Славатнефтеоргсинтез", ОАО "Тобольский нефтехимический комбинат", АО "Нижнекамскнефтехим", ОАО "Новокуйбышевская нефтехимическая компания") число возможных вариантов разделения составляет 132. На ГФУ ОАО "Уралоргсинтеэ", "Ачинского НПЗ восточной нефтяной компании" углеводороды СБ-СЄ и выше получают в виде пентан-гексановой фракции. В этом случае число разделяемых фракций равно 5, а количество возможных вариантов разделения составляет 14. Синтез ОТСР газофракционирующих установок проводили при различной производительности по сырью и составов ШФЛУ (см. табл. 3.49, 3,51, 3.53, 3.55, 3.57 и 3.59) с учетом современных цен на энергоносители. Результаты структурной оптимизации ГФУ представлены на рис. 3.48. Полученные результаты показывают, существующие в настоящее время структуры технологических схем ГФУ не являются оптимальными для современных источников сырья. Структурная оптимизация с учетом современных источников сырья и цен на энергоносители обеспечивает снижение энергозатрат на разделение на 2,7 - 35,8 % от существующего уровня в зависимости от состава питания. Целесообразность реконструкции ГФУ с изменением ее структуры должна определяться следующими факторами: a. величиной снижения энергозатрат на разделение при реализации оптимального варианта; b. устойчивостью полученной структуры ОТСР к колебаниям исходного состава питания.
