Оптимизация производства линейного алкилбензола тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Гурко, Наталья Сергеевна

• Гурко, Наталья Сергеевна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гурко, Наталья Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1. Описание технологического процесса.

1.2. Математические модели основных элементов ХТС.

1.3. Моделирование сложной ХТС.

1.4. Оптимизация химико-технологической системы.

1.5. Анализ существующей технологии.

1.6. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНОЙ ХТС ПРОИЗВОДСТВА

ЛИНЕЙНОГО АЛКИЛБЕНЗОЛА.

2.1. Моделирование работы установки ПФК.

2.1.1. Анализ исходных данных.

2.1.2. Модели колонн установки ПФК, их параметрическая настройка и проверка адекватности.

2.2. Моделирование работы реакторного блока установки Пакол-Дифайн.

2.2.1. Обзор данных по кинетике дегидрирования н-парафинов в моноолефины.

2.2.2. Построение кинетической модели реактора.

2.2.3. Настройка модели. Выбор поправочных коэффициентов. Проверка адекватности модели реактора.

2.3. Моделирование работы установки алкилирования.

2.3.1. Моделирование состава сырья.

2.3.2 Проверка адекватности модели установки.

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ КОМПЛЕКСА

ПОЛУЧЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ АЛКИЛБЕЗОЛОВ.

3.1. Оптимизационные решения на установке ПФК.

3.1.1. Оценка максимально возможной загрузки блока предфракционирования.

3.1.2. Выбор определяющих регламентных ограничений. Влияние технологических показателей на работу установки.

3.1.3. Возможность повышения загрузки установки предфракционирования при изменении технологических режимов.

3.2. Оптимизационные решения на установке Пакол-Дифайн.

3.2.1. Обзор способов регулирования температуры по профилю реактора Пакол.

3.2.2. Расчет оптимального температурного профиля по реактору. Учет ограничений.

3.3. Моделирование работы блока ректификации установки алкилирования при увеличении содержания фр. Сю-Сн в сырье.

3.3.1. Расчет расходов и составов потоков установки алкилирования при изменении состава сырья.

3.3.2. Расчёт паровых и жидкостных нагрузок для ректификационных колонн установки алкилирования.

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ РАБОТЫ УСТАНОВОК

ПРЕДФРАКЦИОНИРОВАНИЯ, ПАКОЛ-ДИФАЙН.

4.1. Проверка результатов моделирования работы установки ПФК в ходе опытного пробега.

4.2. Имитационное моделирование двухреакторной схемы работы установки Пакол-Дифайн.

4.2.1. Задача увеличения удельной выработки ЛАБ на 1 кг катализатора

4.2.3. Задача увеличения степени конверсии по целевой реакции.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация производства линейного алкилбензола»

Современное крупное предприятие нефтеорганического синтеза представляет собой настолько сложный технологический комплекс, что его разработка, проектирование и эксплуатация с целью достижения высокой эффективности производства требует системного подход.

В процессе разработки технологии, проектирования и анализа функционирования производств системный подход позволяет учесть большинство факторов, влияющих на работоспособность как всего производства (системы в целом), так и отдельных ее элементов (установок, цехов), а также взаимосвязи между отдельными аппаратами, установками, входящими в производство.

Промышленный комплекс по получению линейного алкилбензола (ЛАБ) представляет собой сложную химико-технологическую систему (ХТС), состоящую из взаимосвязанных установок предфракционирования (ПФК), Пакол-Дифайна и алкилирования.

Линейный алкилбензол, один из основных компонентов производства синтетических моющих средств, составляет третью часть ингредиентов, применяемых в мире при производстве моющих средств. Столь масштабное использование ЛАБ обусловлено его экологической безопасностью для окружающей среды, что подтверждено многочисленными исследованиями.

По прогнозам уровень потребления моющих средств для населения должен составлять не менее 7 кг в год на одного человека. Сейчас этот показатель в среднем по России составляет около 4 кг. Емкость рынка моющих средств в России оценивается в 1,2 млн. тонн. Для выработки таких объемов необходимо наличие в сырьевой базе страны 100-120 тыс. тонн ЛАБ, однако мощности единственного в России производителя ЛАБ — ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез» — составляют не более 60 тыс. тонн в год. Таким образом, задача повышения эффективности производства ЛАБ является весьма актуальной.

Увеличение выпуска ЛАБ на существующем оборудовании возможно только при превышении его производительности, поэтому для более рационального использования имеющихся материальных ресурсов необходимо произвести математическое моделирование комплекса и найти оптимальные решения по изменению структуры и параметров работы ХТС.

Диссертационная работа состоит из четырех глав

В первой главе проведен анализ научной проблемы моделирования и оптимизации нефтеперерабатывающих систем и дано подробное описание объекта исследования.

Рассмотрены основные особенности математического моделирования многоаппаратурных химико-технологических систем: модульный принцип, иерархия математических моделей (аппарат, технологическая установка, цех), способы учета взаимовлияния элементов системы. Исследованы принципы ресурсобережения для нефтеперерабатывающих комплексов. Проведен анализ функциональных возможностей известных компьютерных программ технологического моделирования и полнота их баз данных.

Выполнен обзор численных методов параметрической оптимизации отдельных элементов ХТС (реакторов, ректификационных колонн). Рассмотрены алгоритмы оптимизации режимных параметров системы в целом. Исследованы различные подходы к решению задач структурной оптимизации ХТС.

Вторая глава посвящена построению моделей отдельных технологических объектов производства получения линейного алкилбензола. С целью дальнейшей оптимизации процессов проведено моделирование работы трех взаимосвязанных установок: предфракционирования, Пакол-Дифайн, алкилирования. При этом обработаны и проанализированы исходные данные: для моделирования работы реакторного блока Пакол представлен анализ кинетических данных из ряда литературных источников, осуществлен выбор кинетики; для установки алкилирования, ввиду отсутствия данных по составу потока, рассмотрено создание гипотетических компонентов в моделирующей программе Hysys. После создания моделей процессов проведена проверка адекватности. В результате, после интеграции моделей, получена общая модель производства НАБ.

Третья глава посвящена оптимизации режимов работы установок комплекса ЛАБ-ЛАБС с целью увеличения производительности по целевым продуктам. Для этого для установки предфракционирования определена рабочая область функционирования, проведены исследования влияния отборов редистилляционной колонны на выход целевой фракции. Для установки Пакол-Дифайн рассчитан оптимальный температурный профиль по высоте реактора, который возможно обеспечить секционированием реактора. При соблюдении предложенных температурных режимов работы показана возможность увеличить выход целевой фракции. При повышенной загрузке установки алкилирования проведен расчет паро-жидкостных нагрузок ректификационных колонн установки. Показана стабильная работа установки алкилирования в новых условиях работы.

В четвертой главе рассмотрено практическое применение результатов моделирования:

• для установки предфракционирования предложения по оптимизации структуры потоков были проверены и подтверждены в ходе опытного пробега на промышленной установке.

• для установки Пакол-Дифайн был разработан многофункциональный программный комплекс (свидетельство №2010610778 от 22.01. Юг о государственной регистрации), позволяющий оценить влияние режимных параметров на показатели процесса (конверсия, селективность, снижение активности катализатора), как для существующей однореакторной, так и для предлагаемой двухреакторной схемы.

- математическая модель сложной ХТС, представляющей собой совокупность технологических установок предфракционирования, Пакол-Дифайн, алкилирования и предназначенная для оптимизации и научных исследований, а также поддержки принятия решений при планировании и управлении процессом получения ЛАБ

- методика расчета требуемого числа стадий контактирования для реактора дегидрирования н-парафинов установки Пакол-Дифайн на основе построения и анализа оптимального профиля температур по объему катализатора

- алгоритм имитационного моделирования и оптимизации режимов реакторного блока Пакол в течение межремонтного срока работы

- методика повышения эффективности использования существующих материальных ресурсов установки Пакол-Дифайн.

Апробация

Результаты диссертации докладывались на международных научных конференциях: «Математические методы в технике и технологиях» «ММТТ-19» (2006г., г. Воронеж), «ММТТ-20» (2007г., Ярославль), «ММТТ-21» (2008г., г. Саратов), «ММТТ-22» (2009г., г. Псков), Менделеевской конференции (2009г., г. Москва).

Публикации по теме диссертации

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них в журналах, рецензируемых ВАК, размещено 2 статьи, получено одно свидетельство об официальной регистрации программного комплекса в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Гурко, Наталья Сергеевна

выводы

1. В результате анализа промышленного производства ЛАБ установлено, что лимитирующими объектами, ограничивающими увеличение его производительности являются: редистилляционная колонна С-202 установки предфракционирования, реактор дегидрирования установки Пакол-Дифайн и блок ректификации установки алкилирования.

2. Разработаны математические модели основных процессов химико-технологической системы получения линейного алкилбензола, адекватные объектам исследования: блокам ректификации установок ПФК, алкилирования, реакторному блоку Пакол-Дифайн, предназначенные для оптимизации, научных исследований и поддержки принятия решений при планировании и управлении.

3. Для установки предфракционирования предложены оптимальные параметры ведения технологического процесса и обоснована целесообразность изменения структуры отборов редистилляционной колонны С-202 при повышенных загрузках, что обеспечивает увеличение выхода целевой фракции более, чем на 25%масс.

4. Для установки Пакол-Дифайн предложена новая, двухреакторная схема процесса позволяющая, при неизменном плане на выпуск линейных алкилбензолов увеличить удельную выработку ЛАБ на 1 кг катализатора в 1.8 — 2 раза; повысить производительность установки на 15-20%.

5. Для установки алкилирования исследованы режимы работы ректификационных колонн в условиях повышенной конверсии парафинов в моноолефины на установке Пакол-Дифайн и соответствующего увеличения выработки ЛАБ. Показано, что увеличение производительности ЛАБ на 15-20% не требует замены основного технологического оборудования: ректификационных колонн, теплообменников.

6. Оценена целесообразность внесения изменения в схему производства линейного алкилбензола, заключающегося в корректировке температурного режима работы реактора Пакол, и предложена методика эффективного использования материальных ресурсов, позволяющая снизить удельные затраты за счет сокращения рецикла н-парафинов на установку Пакол-Дифайн.

7. Опытно-промышленная проверка результатов исследования на действующей установке предфракционирования подтвердила правильность модельных расчетов и возможность значительного увеличения выработки фракции С10-С13 за счет изменения структуры отборов колонны С-202 при повышенных загрузках установки.

8. Разработан многофункциональный программный комплекс, позволяющий выполнить оценку влияния режимных параметров на показатели работы реактора Пакол в течение межремонтного пробега (свидетельство о государственной регистрации №2010610778 от 22.01. Юг)

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гурко, Наталья Сергеевна, 2010 год

1. Баннов П.Г. Процессы переработки нефти.-М.:1ДНИИТЭнефтехим, 2001.-415с.

2. Химико-технологические системы. Синтез, оптимизация и управление / под ред. Мухленова.- Л.: Химия, 1986.-424с.

3. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств. М: Высш. шк., 1991. 400 с.

4. Островский Г.М., Бережинский Т.А. Оптимизация химико-технологических процессов. Теория и практика. М.: Химия, 1984. 240 с.

5. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Анализ и синтез химико-технологических систем. М.: Химия, 1991. 432 с.

6. Лисицын Н.В, Викторов В.К., Кузичкин Н.В. Химико-технологические системы: Оптимизация и ресурсосбережение. СПб.: Менделеев, 2007. - 312 с.

7. Викторов В.К., Кузичкин Н.В., Вениаминова Г.Н. и др. Методы оптимизации химико-технологических систем: Учебное пособие. СПб: i СПбГТИ, 1999. 166 с.

8. Викторов В.К. Оптимизация химико-технологических процессов. Учебное пособие. Л.: ЛТИ, 1977. 72 с.

9. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М: Химия, 1975, 576 с.

10. Лисицын Н.В. Оптимизация нефтеперерабатывающего производства. СПб: , 2003. 184 с Химиздат.

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

12. HYSYS 2006. Documentation.-Cambridg(USA):AspenTech, 2006.- 634 с.

13. Дудников Е. Е., Цодиков Ю. М. Типовые задачи оперативного управления непрерывным производством. М.:Энергия, 1979. - 272 с.

14. Сизиков А. П. Программный продукт СМОННП (Система оптимизации нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств). Управление большими системами, вып.24, 2009.- с. 298-326.

15. Богданов Н.Ф, Переверзев А.Н. Депарафинизация нефтяных продуктов.-М.гГостоптехиздат, 1961.-248с.

16. Далин М.А., Письман И.И., Мамедова В.М., Современное состояние и перспективы производства олефинов С4-С2о, Москва, ЦЕИИТЭНЕФТЕХИМ, 1972. 116 с.

17. Плексунов Т.К., Далин М.А., Высшие олефины. Производство и применение, Ленинград, Химия, 1984. 226 с.

18. Богомолов А.И., Гайле А.А., Громова В.В. Химия нефти и газа: Учеб. пособие для вузов.- СПб:Химия, 1995.- 448с.

19. Поконова Ю.В. Практическая химия нефти и газа.-СПб.:"СПб ИК "Синтез", 2004.-156с.

20. Гуревич И.Л.Общие свойства и первичные методы переработки нефти и газа.-М.:Химия, 1972.-3 60с.

21. Рудин М.Г., Сомов В.Е., Фомин А.С. Карманный справочник нефтепереработчика./Под редакцией М.Г. Рудина.- М.:ЦНИИТЭнефтехим, 2004. 336 с.

22. Тимошин С.Е. Алкилирование бензола додеценом-1 на цеолитных катализаторах с комбинированной микро-мезопористой структурой: Автореферат. Москва, 2006.-20с.

23. Пат.2173677. Двухстадийный способ алкилирования бензола с образованием линейных алкилбензолов. Джон Ф. Нифтон (US); Пракаса Рао Анантанени(иЗ), 2001

24. Пат. 2181350. Способ получения алкилбензолов. Тыщенко Ю.А., Ананьин А.А. и др., 2002

25. Сунгуров А.В. Гидроизомеризация н-бутана и алкилирование бензола додеценом-1 на катализаторах на основе мезопористого оксида циркония : Автореферат. Москва, 2005 .- 18 с.

26. Мустакимов Э.Р. Алкилирование ароматических углеводородов высшими а-олефинами в присутствии модифицированных природных бентонитов. Автореферат. Казань, 2003.- 21 с.

27. Ягубов Х.М. Алкилирование бензола высшими олефин-парафиновыми смесями в присутствии фторсодержащих катализаторов. Автореферат, 2006.- 21 с.

28. Байтимерова А.И, Мустафина С.А, Спивак С.И. Алгоритм решения задачи оптимизации процесса с переменным реакционным объемом в каскаде реакторов. Вестник Башкирского университета, 2008, т.13, №3. с.855-858.

29. Байтимерова А.И, Мустафина С.А, Спивак С.И. Оптимизация каталитического процесса димеризации а-метилстирола на основе его кинетической модели. -Башкирский химический журнал, 2008, т.15. №2. с.155-162.

30. Байтимерова А.И. Математическое моделирование и численное исследование каталитических процессов в каскаде реакторов. Автореферат, Уфа. 2009.- 20 с.

31. Панченко Н.С, Федоров В.И, Лисицын Н.В. Повышение эффективности функционирования установки Предфракционирования комплекса Лаб-Лабс. ММТТ 20, Т5. Ярославль. 2007. с. 101-103.

32. Гурко Н.С. Оптимизация процесса фракционирования н-парафинов комплекса Лаб-Лабс. Известия вузов, Т.52, №9. Иваново. 2009. с. 90-92.

33. Кузнецов В.Г., Кадыров Д.Б. Нефтеперерабатывающие заводы специфика развития //Химия и технология топлив и масел. 2003. № 3. С. 7-8.

34. Жоров Ю.М., Термодинамика химических процессов, Москва, Химия, 1985.- 464с.

35. Бурсиан Н.Р., Васильев И.А., Коган С.Б. и др. Расчет степени дегидрирования высших парафинов в соответствующие моноолефины, Л., ВНИИНефтехим, 1978, с. 51-53.

36. Справочник нефтехимика. В двух томах. Т.1 / Под ред. С.К. Огородникова.-Л: Химия, 1978.-496с.

37. Справочник нефтехимика. В двух томах. Т.2 / Под ред. С.К. Огородникова.-Л: Химия, 1978.-592с.

38. Пат. 2178399. Способ каталитического дегидрирования углеводородов. Золотарский И.А., Пахомов Н.А. и др., 2002

39. Пат. 2177827. Катализатор для дегидрирования парафиновых углеводородов. Котельников Г.Р.; Титов В.И.; Лаврова Л.А., 2002

40. Крылова Т.Л., Некрасов Н.В., Гудков Б.С., Механизм и кинетика дегидрирования высших н-парафинов на промотированных платиновых катализаторах, Кинетика и катализ, 21 том, 1980. с. 140-145.

41. Крылова Т.Л., Некрасов Н.В., Гуревич В.Р., Нанесенные металлические катализаторы, превращения углеводородов. Институт катализа, Новосибирск, 1978, с.132-137.

42. Ивашкина Е.Н., Моделирование процесса получения н- моноолефинов путем дегидрирования высших парафинов С9-С14 на промышленной установке, Автореферат, Томск, 2007.- 20 с.

43. Крылова Т.Л., Изучение кинетики и механизма реакции дегидрирования н-декана на алюмоплатиновых катализаторах, Автореферат, Москва, 1978.- 18 с.

44. Садыхова З.А., Изучение закономерностей дегидрирования высших н-парафинов на платино- оловянных катализаторах, Автореферат, Баку, 1980.- 20 с.

45. Тимофеева Е.А., Тюпаев А.П., Исагулянц Г.В., Селективность процесса дегидрирования высших н-парафинов, Нефтехимия, т.24, №2, Москва, 1984, с.160-167.

46. Жоров Ю.М., Кинетика промышленных органических реакций, Справочник, Москва, Химия, 1989.-384.

47. Садыхова З.А., Некрасов Н.В., Гуревич В.Р., Киперман С.Л., Механизм и кинетика дегидрирования высших н-парафинов на промотированных платиновых катализаторах, Кинетика и катализ, т.22,вып.2, 1981, с. 396-401.

48. Тюпаев А.П. Дегидрирование высших нормальных парафинов в присутствии алюмоплатиновых катализаторах, Автореферат, Москва, 1984.- 20 с.

49. Тюпаев А.П., Тимофеева Е.А, Исагулянц Г.В. Дегидрирование н-додекана на алюмоплатиновых катализаторах, Нефтехимия, т.21, №2, 1981, с.186-190.

50. Тимофеева Е.А., Иванковский В.Э., Тюпаев А.П. и др. Селективность катализаторов дегидрирования н-парафинов, Нефтехимия, т. 18, №3, 1978, с.350-353.

51. Гуревич В.Р., Рапопорт В.О., Крылова Т.Л., Получение высших олефинов и синтезы на их основе, Москва, ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ, 1980.- 248 с.

52. Мартьянова О.Н., Закономерности дезактивации промотированных платиновых катализаторов, Автореферат, Москва, 1984.- 20 с.

53. Гайдай Н.А., Киперман С.Л. Кинетические модели дезактивации катализаторов в реакциях дегидрирования парафинов. Кинетика и катализ, 2001, т.42, №4, с. 581-587

54. Островский Н.М. Новые модели дезактивации катализаторов коксом. 1. Полислойное коксообразование по консекутивному механизму. Кинетика и катализ, 2001, т.42, №3, с. 354-363.

55. Островский Н.М. Новые модели дезактивации катализаторов коксом. 2. Закоксовывание нанесенных платиновых катализаторов. Кинетика и катализ, 2001, т.42, №3, с. 364-371.

56. Бурсиан Н.Р., Коган С.Б., Мороз A.M., Каталитические превращения парафиновых углеводородов, ВНИИНЕФТЕХИМ. Ленинград, 1976.- 130 с.

57. Богомолов А.И., Гайле А.А., Громова В.В. Химия нефти и газа: Учеб. пособие для вузов.- СПб:Химия, 1995.- 448 с.

58. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты.-М.:Химия, 1971.-296с.

59. Багатуров С.А. Основы теории и расчета перегонки и ректификации.-М.:Химия, 1974.-480с.

60. Волжинский А.И., Константинов В.А. Ректификация. Колонные аппараты с клапанными прямоточными тарелками: Методические указания. СПб., СПбГТЩТУ), 2003. - 25 с.

61. Волжинский А.И., Константинов В.А. Ректификация. Колонные аппараты с колпачковыми тарелками: Методические указания. СПб., СПбГТЩТУ), 2003. -25 с.

62. Касаткин А.Г. Процессы и аппараты химической технологии. М.:Химия, 1973.-754 с.

63. Гайле А.А., Пекаревский Б.В. Расчет ректификационных колонн: учебное пособие.- СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2007. 86 с.

64. Гайле А.А. Оборудование нефтехимических заводов и основы проектирования. Процессы и аппараты для разделения углеводородов и нефтехимических продуктов: Учебное пособие.- ЛТИ им. Ленсовета. Л., 1986. -84 с.i

65. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и пр. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию./Под редакцией Дытнерского Ю.И., 2-е изд., перераб.и дополн.- М.:Химия, 1991.-496с.

66. Рабинович Г.Г., Рябых П.М., Хохряков П.А., Молоканов Ю.К., Судаков Е.Н.Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки.-М.:Химия, 1979.-568с.

67. Кашин О.Н, Гурко Н.С., Старцев Б.В., Кузичкин Н.В. Разработка модели нефтеперерабатывающего завода с целью выбора оптимальной структуры производства. ММТТ-21, Т2. Саратов. 2008. с. 140-142.

68. Гурко Н.С, Федоров В.И, Лисицын Н.В. Виртуальный анализатор качества продукции для установки Предфракционирования. ММТТ 21, Т5. Саратов. 2008. с. 229-230.

69. М. Лоу , В. Кельтон «Имитационное моделирование» -СПб.: Питер, 2004.847 с.

70. Дозорцев В.М. Компьютерные тренажеры для обучения операторов технологических процессов.-М.:Синтег, 2009,- 396с.

71. Гурко Н.С, Федоров В.И, Лисицын Н.В. Имитационное моделирование и оптимизация процесса дегидрирования н-парафинов в моноолефины. Автоматизация в промышленности, №9. 2009. с. 11-14.

72. Сомов В.Е., Злотников Л.Е. Нефтепереработка важная составляющая ТЭК России //Нефтепереработка и нефтехимия. М.: ЦНИИТЭнефтехим. 2003. № 1. С. 3-8.

73. Аракава С.Т., Малвани Р.К., Фелч Д.Е. Новый реактор с регулируемой температурой. Технология повышает производительность. UOP. США. 2003, 19с.

74. Гусева Л.Р. Нефтедобыча и нефтепереработка в России. Центр РБМ Российского союза промышленников и предпринимателей. «Промышленность&Бизнес». 2007. с. 41-43.

75. Отраслевое исследование «Нефтеперерабатывающая промышленность РФ 2004-2005». Информационное агентство «INFOLine». 2006. с. 41-43.