Δυναμική προσομοίωση, βελτιστοποίηση και ρύθμιση ευέλικτων μονάδων καταλυτικής πυρόλυσης
Creators: name: Μπόλλας, Γεώργιος Μ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2006
Subjects: Δυναμική προσομοίωση
Δυναμική βελτιστοποίηση
Προρρητικός έλεγχος
Dynamic simulation
Dynamic optimization

description: Η διεργασία της καταλυτικής πυρόλυσης ρευστοστερεάς κλίνης (fluid catalytic cracking - FCC) εφαρμόζεται για τη διάσπαση βαρέων υδρογονανθράκων προς παραγωγή ελαφρύτερων και υψηλότερης αξίας κλασμάτων. Αποτελεί την καρδιά του σύγχρονου διυλιστηρίου, με σημαντικό ρόλο στη δυναμικότητά του και την ποιότητα των προϊόντων του. Παράλληλα, η ποιότητα των τροφοδοσιών, ο μεγάλος αριθμός χημικών αντιδράσεων, οι πολύπλοκες ρευστομηχανικές συνθήκες, η ποικιλία καταλυτικών φαινομένων και η συνύπαρξη διαφορετικών αντιδραστήρων καθιστούν τη μονάδα καταλυτικής πυρόλυσης ένα από τα πιο σύνθετα προβλήματα της παραδοσιακής χημικής μηχανικής. Η τεχνολογία της καταλυτικής πυρόλυσης εξελίσσεται συνεχώς, οι απαιτήσεις όμως για σταθερή λειτουργία των βιομηχανικών μονάδων περιορίζουν τη δυνατότητα μελέτης της διεργασίας. Σημαντική καθίσταται, λοιπόν, η κατασκευή και χρήση πιλοτικών μονάδων, που παρέχουν τη δυνατότητα μελέτης της διεργασίας υπό ευρέα πλαίσια λειτουργικών συνθηκών, τροφοδοσιών και καταλυτών. Η πιλοτική μονάδα FCC που λειτουργεί στο Ινστιτούτο Τεχνικής Χημικών Διεργασιών (ΙΤΧΗΔ) του Εθνικού Κέντρου Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (ΕΚΕΤΑ) εξυπηρετεί το σκοπό αυτό. Η χρήση της ως εργαλείο προηγμένης θεμελιώδους έρευνας περιλαμβάνει την εκπόνηση πειραμάτων για τη μελέτη της λειτουργίας της μονάδας υπό σταθερή ποιότητα τροφοδοσίας ή/και καταλύτη και την απομόνωση των επιδράσεων των επιμέρους παραμέτρων της διεργασίας. Σε ανώτερο επίπεδο, μελετάται η δυναμική συμπεριφορά της σε ευρύ φάσμα λειτουργικών συνθηκών, με σκοπό την ανάπτυξη λεπτομερών και αξιόπιστων δυναμικών μοντέλων προσομοίωσης, αλλά και τη μελέτη και εφαρμογή προηγμένων σχεδίων ρύθμισης. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός λεπτομερούς δυναμικού μοντέλου πρόβλεψης της συμπεριφοράς της μονάδας καταλυτικής πυρόλυσης και στη συνέχεια η χρήση του προσομοιωτή για τη ρύθμιση της διεργασίας με σκοπό τη βελτιστοποίηση και αυτοματοποίηση της λειτουργίας της πιλοτικής μονάδας του ΙΤΧΗΔ, αλλά και τη μελλοντική βιομηχανική εφαρμογή των αλγορίθμων. Για την προσομοίωση της επίδρασης των λειτουργικών συνθηκών του αντιδραστήρα εκτελείται ανάλυση της ρευστομηχανικής του αντιδραστήρα και της κινητικής των αντιδράσεων διάσπασης της τροφοδοσίας. Ο αντιδραστήρας μελετάται ως ρευστοστερεά κλίνη ανακυκλoφορίας, με ολίσθηση μεταξύ στερεάς και αέριας φάσης. Η ρευστομηχανική ανάλυση αφορά στον υπολογισμό του χρόνου επαφής καταλύτη - τροφοδοσίας και της χωρικής ταχύτητας στον αντιδραστήρα. Με γνωστά τα ρευστομηχανικά χαρακτηριστικά του αντιδραστήρα και την κινητική των καταλυτικών αντιδράσεων, η ανάλυση οδηγεί στην πρόβλεψη της μετατροπής της τροφοδοσίας και της απόδοσης σε κωκ, καθώς και στην κατάστρωση του ενεργειακού ισοζυγίου του αντιδραστήρα. Για τον υπολογισμό της θερμότητας πυρόλυσης αναπτύσσεται μια παραμετρική εμπειρική σχέση, βασισμένη σε βιβλιογραφικά και πειραματικά δεδομένα. Η ακρίβεια του προτεινόμενου μοντέλου πιστοποιείται με πειραματικά δεδομένα της πιλοτικής μονάδας σε μόνιμη κατάσταση με σταθερή ποιότητα τροφοδοσίας και καταλύτη. Η επίδραση της ποιότητας της τροφοδοσίας στη διεργασία καταλυτικής πυρόλυσης είναι επίσης ιδιαίτερα σημαντική. Για το λόγο αυτό αναπτύσσεται ένα πρότυπο για το χαρακτηρισμό της τροφοδοσίας FCC βασισμένο σε τυποποιημένες αναλυτικές διαδικασίες μέτρησης φυσικοχημικών ιδιοτήτων, προσιτές στα διυλιστήρια. Παράλληλα, αναπτύσσεται ένα ομαδοποιημένο μοντέλο για την πρόβλεψη της κατανομής των προϊόντων (βενζίνη, υγραέρια, ξηρά αέρια, κωκ και αεριέλαιο). Στο δίκτυο αντιδράσεων μελετάται η επίδραση της καταλυτικής απενεργοποίησης. Τελικά, προτείνεται ένα μοντέλο εκλεκτικής απενεργοποίησης, στο οποίο η επίδραση της καταλυτικής απενεργοποίησης στην κάθε αντίδραση οδηγείται ή εξαρτάται από τα προϊόντα αυτής. Η εφαρμογή των συναρτήσεων πρόβλεψης της επίδρασης της τροφοδοσίας και του ομαδοποιημένου δικτύου αντιδράσεων σε πειραματικά δεδομένα της πιλοτικής μονάδας με σταθερό καταλύτη επικυρώνει την ακρίβεια των χρησιμοποιούμενων παραδοχών και τελικών διαπιστώσεων. Το μοντέλο ολοκληρώνεται με την δυναμική προσομοίωση του αναγεννητή. Ο αναγεννητής προσομοιάζεται ως ρευστοστερεά κλίνη τύπου φυσαλίδων υιοθετώντας τις παραδοχές του μοντέλου δύο φάσεων της ρευστομηχανικής. Θεωρείται δε πως ο αναγεννητής καθορίζει τη δυναμική συμπεριφορά της μονάδας. Ο ολοκληρωμένος προσομοιωτής της μονάδας περιλαμβάνει το μοντέλο ψευδο-μόνιμης κατάστασης του αντιδραστήρα, το δυναμικό μοντέλο του αναγεννητή και ένα σύνολο δυναμικών και ψευδο-μόνιμης κατάστασης μοντέλων του απογυμνωτή, του αγωγού καθόδου του αναγεννητή, της γραμμής μεταφοράς και των βανών. Η ανάπτυξη του δυναμικού προσομοιωτή της πιλοτικής μονάδας εξυπηρετεί τη μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς της διεργασίας και περιλαμβάνει την επαλήθευση του προσομοιωτή με πειραματικά δεδομένα μόνιμης κατάστασης και δυναμικών αποκρίσεων της πιλοτικής μονάδας, τον προσδιορισμό των αλληλεξαρτήσεων και των αβεβαιοτήτων της διεργασίας, και την εκτέλεση πειραματικών μελετών ελέγχου υποθέσεων, ούτως ώστε να εξεταστούν οι ομοιότητες της πιλοτικής μονάδας με τις αντίστοιχες βιομηχανικές. Το μοντέλο μπορεί να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο για την κατανόηση της δυναμικής συμπεριφοράς της διεργασίας και την επίδραση των διαφόρων παραμέτρων λειτουργίας σε αυτή. Ο δυναμικός προσομοιωτής εντάσσεται στη συνέχεια σε ένα προηγμένο σύστημα προρρητικού ελέγχου. Ο στόχος ρύθμισης της πιλοτικής μονάδας ενέχει την εκπόνηση πειραμάτων αξιολόγησης νέων καταλυτών με άγνωστη ενεργότητα και εκλεκτικότητα, σε αυστηρά καθορισμένο πλαίσιο λειτουργικών συνθηκών. Η στρατηγική ελέγχου στηρίζεται στην αρχή του κυλιόμενου χρονικού ορίζοντα, κατά τον οποίο υπολογίζονται οι βέλτιστες δράσεις του ελεγκτή που ελαχιστοποιούν τη διαφορά μεταξύ επιθυμητής και πραγματικής απόκρισης. Τη συνάρτηση βελτιστοποίησης απαρτίζουν οι διαφορές της πρόβλεψης του προσομοιωτή από την επιθυμητή απόκριση, το σφάλμα προσομοιωτή - διεργασίας και περιορισμοί που αφορούν στην ασφαλή λειτουργία της μονάδας. Το σύστημα ελέγχου με χρήση σφάλματος ανάδρασης διορθώνει τη δράση του αντιμετωπίζοντας επιτυχώς την πιθανή ανακρίβεια του προσομοιωτή. Η ρύθμιση επιτυγχάνεται με διαδοχική επίλυση του δυναμικού μοντέλου, όπου υπολογίζονται οι μεταβλητές εξόδου για σταθερές μεταβλητές εισόδου, και του προβλήματος βελτιστοποίησης, όπου υπολογίζονται οι μεταβλητές εισόδου που ελαχιστοποιούν την αντικειμενική συνάρτηση. Η ευρωστία και λειτουργικότητα του προτεινόμενου σχεδίου ρύθμισης επαληθεύεται σε θεωρητικό επίπεδο με χρήση δύο εκδοχών του προσομοιωτή, με διαφορές στις κινητικές σταθερές του μοντέλου του αντιδραστήρα, εξετάζοντας έτσι το «ισοδύναμο» του προβλήματος δυναμικής βελτιστοποίησης της πιλοτικής μονάδας
description: The fluid catalytic cracking (FCC) process is applied for the conversion of heavy hydrocarbons to lighter products of higher value. It is considered as the workhorse of the refinery and plays an important role in its total capacity and products quality. Moreover, the quality of the feedstocks, the large number of chemical reactions involved, the complex fluid dynamics the complexity of catalytic phenomena and the coexistence of many different reactors, circularly arranged, constitute the fluid catalytic cracking process as one of the most challenging research subjects of the traditional chemical engineering science. Fluid catalytic cracking technology is continuously evolving during the last decades. However, the requirements for constant operation in the commercial units restrict the potential of applying, observing and studying in large spans the process operation. Thus, FCC pilot plants are often used, as they provide the ability to study the process within large spans of feed and catalyst qualities and operating conditions. The FCC pilot plant that operates in the Chemical Process Engineering Research Institute (CPERI) of CEntre for Research and Technology Hellas (CERTH) serves this goal. Its use as an advanced research tool includes the performance of experiments with constant feed and/or catalyst quality to isolate their respective effects on the process. In an even more advanced level, the dynamic behavior of the pilot plant is examined within large operating windows, in order to develop detailed and accurate dynamic models and to study and apply advanced control structures. The main object of this PhD thesis was the development of a comprehensive dynamic model for the simulation of the behavior of the fluid catalytic cracking unit and the further use of the simulator for the process control, in order to optimize and automate the CPERI pilot plant operation, and finally to apply the developed models commercially in the future. For the simulation of the effect of the riser rector operating conditions on the process, an analysis of the reactor hydrodynamics and the feedstock cracking reactions kinetics are performed. The riser reactor is simulated as a circulating fluidized bed, in which the slip between the gas and solids phases is taken into account. The hydrodynamic analysis of the reactor leads to the calculation of the catalyst - feedstock contact time and the weight hourly space velocity in the riser. With the hydrodynamic attributes of the reactor known, the kinetic analysis leads to the prediction of the feed conversion and the coke yield, as well as to the solution of the riser energy balance. For the estimation of the heat of cracking an empirical parametric correlation is developed, on the basis of literature and experimental data. The predictive accuracy of the proposed model is verified with experimental data of the pilot plant in steady state conditions with constant feed and catalyst quality. The effect of feedstock quality on the fluid catalytic cracking process is also of high importance. Thus, a methodology is developed for FCC feedstocks characterization regarding their effect on the catalytic cracking reactions. The proposed model is based on standard analytical procedures that are accessible to the average refinery. Moreover, a lumped reaction network is developed for the prediction of the product slate (gasoline, liquefied petroleum gas, dry gas, coke and gas-oil). In this reaction network the effect of selective catalyst deactivation is explored. Finally, a selective catalyst deactivation model is proposed, in which the effect of catalyst deactivation on each reaction is mainly owed to- or driven by- the products of this reaction. The application of the functions for the prediction of the effect of feedstock properties and of the lumped reaction network on the process product slate on pilot data of experiments with constant catalyst and a variety of feedstocks validates the correctness of the applied assumptions and the drawn conclusions. The simulator is completed with a dynamic model of the regenerator. The regenerator is simulated as a bubbling fluidized bed, using the assumptions of the two-phase theory of fluidization, with a dilute phase to account for post-combustion reactions. It is assumed that the dynamics of the integrated process are mainly attributed to the operation of the regenerator. The integrated simulator involves the pseudo-steady state model of the riser reactor, the dynamic model of the regenerator and a set of pseudo-steady state and dynamic models of the stripper, the regeneration standpipe, the lift line and the slide valves. The development of the dynamic simulator of the integrated unit also includes the verification of the models with experimental data of the pilot plant in steady state and dynamic conditions, the determination of the process interrelations and uncertainties and the performance of experimental case studies for the examination of the similarities of the pilot process to the corresponding commercial ones. The simulator can serve as a useful tool for the understanding of the process dynamics and the influence of the various input variables and parameters on behavior of this recycled and complex system. In the next step, the dynamic simulator is integrated in an advanced model based control (MPC) structure. The control objectives in the pilot plant operation mainly include the performance of benchmarking experiments with catalysts of unknown activity and selectivity, within a specified and very narrow operating window. The control strategy is based on the rolling horizon concept, that is, the optimal control actions that minimize the difference between desired and actual-predicted responses, are calculated for specified time intervals. The optimization index is constituted of the error between the desired and predicted responses, the model - process error and bounds and penalties in the control actions for the safe and optimal unit operation. Error feedback allows for integral action and eliminates the controller steady state offset. The process control is established with successive solution of the dynamic model, where the process outputs are calculated for constant inputs and the optimization problem, where the optimal input variables that minimize the control objective function are calculated. The robustness of the proposed control structure is verified on simulation basis, by using two different instances of the model, with differences in the reactor kinetic constants that express the effect of a catalyst with different activity and selectivity being used in the pilot plant. This way the equivalent of the control problem in a catalyst benchmarking experiment in the pilot plant, where the catalyst activity and selectivity are unknown, is fully reconstructed