Исследование энергосберегающих режимов работы установки разделения изоамилен-изопреновой фракции производства изопрена

Н. Н. Зиятдинов, Д. А. Рыжов, В. А. Курбатов

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

УСТАНОВКИ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОАМИЛЕН-ИЗОПРЕНОВОЙ ФРАКЦИИ

ПРОИЗВОДСТВА ИЗОПРЕНА

Ключевые слова: оптимизация, статистические характеристики, разделение, изоамилен-

изопреновой фракция.

Найдены и исследованы на математической модели процесса разделения изоамилен-изопреновой фракции оптимальные режимы работы установки в зависимости от поступающих на разделение составов катализатов первой и второй стадий производства изопрена.

Кeywords: optimization, static characteristics, distillation, feed trays, isoamylene-isoprene fraction.

Optimal modes of isoamylene isoprene fraction separation unit have been found and investigated based on mathematical model of the process depending on composition of the first and second stage isoprene production catalyzates sent for separation.

Поиск оптимальных решений по интенсификации действующих установок ректификации является актуальной задачей энерго-, ресурсосбережения на предприятиях нефтехимической отрасли, поскольку, как известно, более 60 % энергозатрат в нефтехимии приходится именно на эти процессы. При этом, как показывает практика, одним из важнейших факторов, влияющих на режим работы установок газофракционирования, является постоянное изменение состава сырья, поступающего на разделение. Таким образом, для оптимального ведения процесса непрерывной ректификации мало иметь оптимальные значения управляющих переменных, найденных для одного состава входного потока установки. Необходимо владеть информацией о тенденции изменения оптимального значения управляющего параметра при изменении состава перерабатываемого сырья. В этом случае наряду с поиском энерго-, ресурсосберегающих режимов работы установок ректификации, актуальной встает и задача исследования оптимальных статических характеристик узлов га-зоразделения.

Процессы ректификации являются неотъемлемой частью в производстве изопрена методом двухстадийного дегидрирования изопентана. Одной из установок, входящих в данное производство, является узел экстрактивной ректификации изоамилен-изопреновой фракции с применением в качестве экстрагента диметилформамида (ДМФА). Данный узел включает три колонны ректификации: К-1, К-1а - колонны экстрактивной ректификации, К-2 - колонна десорбции. Каждая колонна имеет несколько возможных тарелок подачи питания и ввода рециклов. Установка замкнута тремя потоками рециклов. На разделение поступают катализаты 1-й и 2-й стадий дегидрирования изопентана. Продуктовыми потоками узла являются поток изоамиленовой фракции, отбираемой с верха колонны К-1, и поток изопрена-сырца, отбираемого с верха десорбционной колонны К-2.

Со времени ввода в промышленную эксплуатацию технологии получения изопрена методом двухстадийного дегидрирования изопентана (середина прошлого столетия) [1] установки разделения изопрен-изоамиленовой фракции претерпевали множество реконструкций. Это являлось следствием появления новых технологических решений по организации процессов разделения, а также уточнения оптимальных параметров ведения процесса получения изопрена по результатам научных исследований и практических наблюдений. Вместе с тем, внедрение новых технологий накладывало свой отпечаток также на состав перерабатываемых катализатов [2]. В связи с этим стала актуальной задача исследования зависимостей качества разделения и энергозатрат от изменения значений режимных параметров и поиска на основе проведенных исследований энергосберегающих режимов работы установки. Постановка задачи оптимизации, описание использованных математических моделей и результаты решения задачи представлена авторами в работе [3].

Решенная задача относится к классу задач дискретно-непрерывной оптимизации, в которой номера тарелок ввода питания в колонны являются дискретными, а режимные параметры - непрерывными поисковыми переменными. Для решения поставленной задачи был использован подход предложенный ранее в [4]. Данный подход основан на совместном использовании методов ветвей и границ и структурных параметров.

В настоящей статье проведен анализ оптимальных статических характеристик узла разделения изоамилен-изопреновой фракции, полученных с применением предложенного подхода. Построение оптимальных статических характеристик заключалось в поиске на математической модели оптимальных режимов работы рассматриваемого технологического объекта при различных составах входных потоков установки.

Как показал анализ данных промышленной эксплуатации, наиболее подвержен изменениям, как по расходу, так и по составу, поток катализата второй стадии дегидрирования. Кроме того, массовый расход катализата 2 намного больше расхода катализата 1, и тем самым изменение его параметров намного существеннее сказывается на режиме работы установки. Таким образом, при построении статических характеристик в качестве варьируемого параметра было выбрано содержание изопрена в потоке катализата 2.

Полученные результаты исследования представлены на рисунках 1 - 5.

Из полученных оптимальных статических характеристик большой интерес представляют зависимости оптимальных значений расхода и температуры ДМФА от содержания изопрена в потоке катализата 2, представленные на рис. 1.

Из представленных зависимостей видно, что изменение оптимального расхода и температуры ДМФА при изменении содержания изопрена в составе сырья имеет экстремальный характер. Это связано с тем, что диметилформамид проявляет сорбирующие свойства как к изопрену, так и к изоамилену. Таким образом, при преобладании изопрена в составе исходной фракции, подаваемой на установку, необходимо меньшее количество экстрагента для получения заданного качества разделения при одинаковой нагрузке по ка-тализатам, иначе происходит унос изоамилена с фракцией изопрена-сырца, нарушая тем самым регламентные требования на качество получаемых продуктов. Вместе с тем, при уменьшении расхода растворителя, его температуру необходимо понизить для улучшения сорбирующих свойств ДМФА по отношению к изопрену.

т

*2

л

У

О

45 р

Содержание изопрена в катализате 2, % масс.

• Расход ДМФА, кг/ч И Температура ДМФА, °С

51

48

42

Рис. 1 - Зависимости оптимальных значений расхода и температуры ДМФА от содержания изопрена в катализате 2

Рис. 2 - Зависимость оптимального значения температуры куба колонны К-1а от содержания изопрена в катализате 2

На рис. 2 представлена зависимость оптимальной температуры куба колонны К-1а от содержания изопрена в катализате 2-й стадии дегидрирования. Данная зависимость объясняется первым законом Коновалова, в соответствии с которым температура кипения

смеси снижается при добавлении в нее легкого компонента, которым в нашем случае является изопрен.

Рис. 3 - Зависимость оптимального значения расхода рецикла из К-2 в К-1а от содержания изопрена в катализате 2

На рисунке 3 отображено влияние содержания изопрена в катализате 2 на оптимальное значение расхода рецикла из К-2 в К-1. Рецикл изопреновой фракции из К-2 в К-1 а реализован с целью уменьшения термополимеризации изопрена в кубе колонны К-1 а за счет снижения темпера- туры кипения смеси при разбавлении ее легким компонентом. На рис. 2 показано, что с увеличением содержания изопрена в составе сырья, оптимальное значение температуры куба колонны К-1 а снижается, таким образом, при увеличении содержания изопрена в исходной изопрен-изоамиленовой фракции будет снижаться и оптимальное значение расхода рецикла.

Из зависимостей, представленных на рисунке 4 следует, что оптимальные значения расходов флегмы колонн К-1, К-2 снижаются с увеличением содержания изопрена в составе разделяемой изопрен-изоамиленовой фракции. Это объясняется следующими причинами.

Снижение расхода флегмы колонны К-1 связано с понижением температуры кипения смеси, вызванное добавлением в нее тяжелого ключевого компонента (см. рис. 2). То есть, с понижением температуры куба колонны К-1 а, происходит уменьшение нежелательных примесей в составе дистиллята колонны К-1, что в свою очередь влечет снижение расхода флегмы, обеспечивающего заданное качество разделения смеси.

При преобладании изопрена в составе исходной фракции по сравнению с изоамиленом происходит значительное снижение содержания последнего в дистилляте колонны К-2 (фракция изопрена-сырца). Так как изоамилен является основной нежелательной примесью данного продуктового потока установки, уменьшение его в нем приведет к сокращению требуемого количества флегмы колонны К-2.

Рис. 4 - Зависимость оптимальных значений расходов флегм колонн К-1, К-2 от содержания изопрена в катализате 2

Рис. 5 - Зависимость оптимального значения удельных энергозатрат от содержания изопрена в катализате 2

На рис.5 представлена зависимость оптимального значения суммарных удельных энергозатрат установки от содержания изопрена в катализате 2. Уменьшение оптимально-

го значения суммарных удельных энергозатрат установки с увеличением содержания изопрена в катализате 2-й стадии дегидрирования вызвано многими факторами. Это связано в 1-ю очередь со снижением суммарных энергозатрат установки, вызванным уменьшением температуры куба колонны К-1а и расходов флегм колонн К-1, К-2. Кроме этого, при увеличении изопрена в составе разделяемой фракции увеличивается расход изопрена-сырца, отбираемого с верха колонны К-2, а принятые нами в качестве критерия оптимальности удельные энергозатраты, находятся в обратной зависимости от расхода дистиллята колонны К-2.

Литература

1. Кирпичников, П.А. Альбом технологических схем основных производств промышленности синтетического каучука / П.А. Кирпичников, В.В. Береснев, Л.М. Попова. - Л.: Химия, 1986. - 224 с.

2. Павлов, С.Ю. Выделение и очистка мономеров для синтетического каучука / С.Ю. Павлов - Л.: Химия, 1987. - 232 с.

3. Зиятдинов Н.Н. Поиск энергосберегающих режимов работы установки разделения изоамилен-изопреновой фракции производства изопрена / Н.Н. Зиятдинов, Д.А. Рыжов, В.А. Курбатов // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2009. - № 6. - С. 249 - 258.

4. Островский, Г.М. Выбор оптимальных тарелок питания в замкнутой системе ректификационных колонн / Г.М. Островский, [и др.] // ТОХТ. - 2008. - Т. 42. - № 4. - С. 401 - 412.

© Н. Н. Зиятдинов - д-р техн. наук, проф, зав. каф. системотехники КГТУ, Systech2@yandex.ru; Д. А. Рыжов - асс. той же кафедры; В. А. Курбатов - д-р техн. наук, проф., ген. дир. ЗАО «Нефте-химсервис», г. Москва, systech2@yandex.ru.