Модернизация узла гидрокрекинга и ректификации в производстве синтетического жидкого топлива из природного газа

Гартман, Ф.С. Советин. //Химическая техника, 2010. № 4. С. 12-14.

7. Разработка компьютерной модели многостадийного производства синтетического жидкого топлива из природного газа. / Т.Н. Гартман, Ф.С. Советин, В.А. Лосев, Н.А. Дробышевский, B.C. Хворостяный. // Химическая промышленность сегодня, 2009. № 1. С. 40-50.

УДК 519.673:620.9.97 М. А. Широков

Международный институт логистики ресурсосбережения и технологической инноватики Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

МОДЕРНИЗАЦИЯ УЗЛА ГИДРОКРЕКИНГА И РЕКТИФИКАЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ СИНТЕТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО ТОПЛИВА ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА

The computer model of technological line of processes of hydro cracking & rectification is created & realized. Convergence of calculation of complex column (column with side-stripers & side products, as well as pump rounds) is provided. Modernization of this technological line is executed.

Разработана и реализована компьютерная модель отделения гидрокрекинга и ректификации производства синтетического жидкого топлива из природного газа. Обеспечена сходимость расчёта сложной ректификационной колонны. Проведена модернизация данного отделения.

Модернизация химических производств, выпускающих готовую продукцию, и выбор оптимальных энергоресурсосберегаюхих вариантов их технологического оформления является актуальной задачей для любого промышленного предприятия. Это связано с целым рядом обстоятельств, в частности с износом оборудования, ужесточением требований к экологической безопасности и охране труда, возрастанием стоимости энергоносителей и т.д. Поэтому совершенствование и модернизация функционирующих производств и технологий становится одной из важнейших задач любого действующего предприятия [1].

Одним из эффективных инструментов для решения указанной проблемы является применение современных проблемно-ориентированных комплексов программ, которые позволяют с применением методов математического моделирования, системного анализа, оптимизации и синтеза химических производств исследовать предполагаемые варианты модернизации технологических процессов с учетом работы как основных, так и вспомогательных узлов производств [2].

В представленной работе с применением проблемно-ориентрованного комплекса программ CHEMCAD проведено компьютерное моделирование и исследование процесса многокомпонентной ректификации

7 4

углеводородной смеси, а также процесса гидрокрекинга в отделении гидрокрекинга и ректификации производства синтетического жидкого топлива (СЖТ) из природного газа. Выполнено обеспечение сходимости расчёта сложной ректификационной колонны, а также проведена модернизация данного отделения.

В отделении гидрокрекинга и ректификации осуществляется получение продуктовых компонентов при гидрокрекинге и выделение фракций СЖТ [3-4].

Товарными продуктами производства являются: бензин, керосин и дизельное топливо. Разделение углеводородных фракций осуществляют в двух ректификационных колоннах, а расщепление тяжёлых углеводородов на продуктовые компоненты осуществляют в реакторе гидрокрекинга [3].

Первая колонна представляет собой сложную ректификационную колонну, содержащую 2 боковые отпарные секции, 2 боковых теплообменника, и 2 потока циркуляционного орошения. Давление в колонне 1,5 бар изб.. Сверху колонны отбираются лёгкие углеводороды (С1-С4), а снизу высоко-кипящие тяжёлые фракции(С21-С25)- Неочищенный от лёгких углеводородов (С1-С4) бензин (С5-С10), отбирается в виде жидкости снизу дефлегматора и подаётся во вторую ректификационную колонну, служащую для отделения продуктового бензина (С5-С10). Продуктовые фракции (керосин и дизельное топливо) отбираются из колонны в виде боковых отборов, при этом принимается допущение, ЧТО С11-С13 - керосин, С14-С20 - дизельное топливо. Вы-сококипящие углеводородные фракции, отбираемые из куба колонны, направляются в реактор гидрокрекинга.

Табл. 1. Результаты расчёта сложной ректификационной колонны при различных значениях демпфирующего фактора

X 0,60 0,64 0,70 0,74 0,78

Бензин О; кг/ч 10715,75 10669,77 10685,74 10722,70 10653,52

% масс. 92,92 95,52 94,97 92,605 95,92

Керосин О; кг/ч 4042,02 4287,15 4239,30 4005,32 4305,36

% масс. 82,57 87,354 86,36 82,24 88,69

Дизельное топливо % масс. 4669,38 4672,77 4667,06 4679,92 4670,97

% масс. 73,64 73,75 73,78 73,59 73,70

Мазут и масла % масс. 347,26 393,42 384,70 341,33 407,44

% мае 18,13 17,42 17,59 18,18 17,19

Вторая ректификационная колонна представляет собой простую ректификационную колонну и предназначена для удаления лёгких углеводоро-дов(Сі-С4) из бензина. Давление в колонне 13 бар изб.. Верхний поток, выходящий из колонны - поток, содержащий лёгкие углеводороды (в основном пропан и бутан), а нижний поток - поток, содержащий, в основном, готовый

продукт (бензин), который отбирается из куба.

Табл. 3. Влияние парового числа на массовое содержание бензина в выходном потоке

Табл. 4. Влияние парового числа на тепловые нагрузки второй колонны

\V/B Q, МДж/ч\^ 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Конденсатор -922 -2440 -4122 -5600 -7175

Кипятильник 3443 4870 6609 8039 9619

В реакторе гидрокрекинга происходит взаимодействие водорода с высококипящими тяжёлыми углеводородами, при этом они расщепляются на более лёгкие продукты. Процесс осуществляется в присутствии катализаторов при температуре 380 °С и давлении 30 бар. изб.. Катализаторами являются сульфиды никеля, кобальта или молибдена на носителях, которыми служат аморфные или кристаллические (цеолитсодержащие) алюмосиликаты. Цель гидрокрекинга - получение фракций бензина, керосина и дизельного топлива. Жидкие продукты отделяются от газообразных в сепараторах, а затем снова направляются в первую ректификационную колонну, находящуюся в этом же отделении (рециклический поток) [4].

Модель первой ректификационной колонны представляет собой модуль сложной колонны разделения нефтяных фракций (Tower Plus или TLPS). Используется специальный алгоритм inside/out [3-6].

Модель второй колонны представляет собой модуль колонны разделения углеводородных фракций. Для расчёта процесса применяется специальный алгоритм inside/out.

Реактор гидрокрекинга моделируется посредством модуля равновесного реактора (заданы конверсии базовых реагентов) [7].

Посредством разработанной модели проведены следующие исследования:

а) Анализ влияния демпфирующего фактора при расчёте первой колонны на выход бензина, керосина и дизельного топлива и на массовое содержание этих продуктов в выходных потоках. Результаты проведённого анализа приведены в табл. 1.

Табл. 5. Влияние количества тарелок на выход бензина

Табл. 6. Влияние количества тарелок на массовое содержание бензина

в выходном потоке

Табл. 7. Влияние количества тарелок на тепловые нагрузки конденсатора и кипятильника

По результатам проведённого анализа установлено, что демпфирующий фактор мало влияет на содержание бензина керосина и дизельного топлива в выходных потоках. Наиболее близкий к экспериментальным данным результат был, достигнут при X = 0,64.

б) Изучено влияние парового числа и числа тарелок на выход бензина

и массовое содержание бензина в выходном потоке второй колонны, а также на тепловые нагрузки кипятильника и конденсатора.

Результаты проведённых анализов приведены в табл. 2-7.

Из приведенных в таблицах данных видно, что тепловые нагрузки кипятильника и конденсатора мало зависят от числа тарелок.

в) Установлена целесообразность замены второй колонны (число тарелок - 42) на колонну, содержащую 5 тарелок.

Выводы.

1. Реализована технологическая схема стадии гидрокрекинга и ректификации с применением программного комплекса ChemCad;

2. Разработана и реализована модель реактора гидрокрекинга, включающая 15 реакций и установлены степени превращения базового реагента в каждой реакции;

3. Проведены исследования и обеспечена сходимость сложной ректификационный колонны и установлено, что для наибольшей сходимости демпфирующий фактор метода Ньютона-Рафсона должен быть равным 0,64;

4. Предложена модернизированная технологическая схема узла гидрокрекинга и ректификации, в которой колонна с 42 тарелками заметается на колонну из 5 тарелок.

Библиографические ссылки

1. Современный подход к модернизации химических производств на основе применения пакетов моделирующих программ. / Т.Н. Гартман, Ф.С. Советин, В. А. Лосев.//Химическая техника, 2008. № 12.С. 8-10.

2. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов. /Т.Н. Гартман, Д.В. Клушин. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. 415 с.

3. Разработка компьютерной модели многостадийного производства синтетического жидкого топлива из природного газа. / Т.Н. Гартман, Ф.С. Советин, В.А. Лосев, Н.А. Дробышевский, B.C. Хворостяный.// Химическая промышленность сегодня, 2009. № 1. С. 40-50.

4. Применение пакетов программ CHEMCAD для моделирования процессов многокомпонентной ректификации в тарельчатых колоннах при получении синтетического жидкого топлива. / Т.Н. Гартман, Ф.С. Советин. // Химическая техника, 2010. № 2. С. 36-38.

5. Научные основы процессов ректификации. /Ю.А. Комиссаров, Л.С. Гордеев, Д.П. Вент. /Под редакцией Л.А. Серафимова. В 2-х томах. М. Химия, 2004. Т. 1. 270 с. Т. 2. 415 с.

6. Голованов М.Л. Разработка энергосберегающей технологии ректификации продуктов каталитического крекинга. Дисс... канд. техн. наук. М.: МГАТХТ (МИТХТ), 2007. 203 с.

7. Опыт применения программы CHEMCAD для моделирования реакторных процессов./ Т.Н. Гартман, Ф.С. Советин, Д.К. Новикова. // Теоретические основы химической технологии, 2009. Т. 43. № 6. С. 702-712.