Оптимальное проектирование газофракционирующей установки

УДК 66.048.3

Н. Н. Зиятдинов, Т. В. Лаптева, Н Ю. Богула,

Д. А. Рыжов

ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГАЗОФРАКЦИОНИРУЮЩЕЙ УСТАНОВКИ

Ключевые слова: газофракционирующая установка, оптимальное проектирование, дискретно-непрерывное нелинейное

программирование, метод ветвей и границ.

Дается постановка задачи оптимального проектирования газофракционирующей установки и ее решение с использованием авторского метода основанного на методе ветвей и границ. Приводится оценка

достоверности полученного решения.

Keywords: gas fractionating plant, optimal design, discrete-continuous nonlinear programming, branch and bounds method.

We give a formulation of the problem of gas fractionating plant optimal design with it’s solution. Also we introduce the evaluation of solution validity.

Введение

Ведущее место процессов ректификации в нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической промышленности, их высокая энерго-металлоемкость являются причиной неослабевающего внимания исследователей к вопросам интенсификации процессов ректификации и разработки эффективных методов оптимального проектирования, как отдельных ректификационных колонн, так и их систем [1].

В работах [2-3] приведены формализованная постановка задачи оптимального проектирования систем простых ректификационных колонн, как задача дискретно-непрерывного нелинейного

программирования и предложен метод её решения, основанный на идеях метода ветвей и границ. Для этого разработан подход к определению нижних оценок критерия оптимальности, позволяющий перейти от дискретных поисковых переменных - числа тарелок в колоннах, к непрерывным структурным параметрам. В основе подхода лежит модификация уравнения, связывающего рабочие и равновесные концентрации компонента через локальный эффективный коэффициент полезного действия тарелки, путем введения структурного параметра. Для получения верхней оценки критерия оптимальности для расчета числа тарелок в колоннах предложено использовать округленные значения суммы структурных параметров, полученных в результате решения задачи получения нижней оценки. Для реализации процедуры ветвления предложена методика, основанная на разбиении множества поисковых структурных переменных текущей вершины одной из секций колонн на два подмножества. В работе [4] представлено решение задачи оптимального проектирования колонны дебутанизации предложенным методом. В настоящей статье, для исследования работоспособности и эффективности предложенного метода, поставлена и решена задача оптимального проектирования газофракционирующей установки.

Прототипом проектируемой системы

ректификационных колонн является установка ГФУ-300 управления «Нефтегазпереработка» ОАО «Татнефть».

Описание технологической схемы

проектируемой установки (рис. 1). Широкая фракция

легких углеводородов (ШФЛУ) из сырьевого парка поступает на деэтанизацию в колонну K-6O! (поток Feed І). Пары углеводородов из деэтанизатора K-6O! частично конденсируются, охлаждаются и поступают в рефлюксную емкость, где разделяются на газовую и жидкую фазы. Газ сбрасывается на прием компрессоров завода, а жидкость подается на орошение в деэтанизатор K-601. Деэтанизированная жидкость из испарителя поступает в колонну K-6O2. Перед подачей в колонну K-6O2 в трубопровод потока деэтанизированной ШФЛУ врезается трубопровод углеводородного конденсата (поток Feed 2), поступающего с установки низкотемпературной конденсации и ректификации (НТКР).

Рис. 1 - Информационная

газофракционирующей установки

блок-схема

Назначение колонны депропанизатора К-602 -извлечение пропановой фракции из суммарного потока деэтанизированной ШФЛУ и углеводородного конденсата НТКР. Пропановая фракция из рефлюксной емкости Е-602 делится на два потока: один из потоков в качестве орошения подается в пропановую колонну К-602, а избыток по уровню подается на склад готовой продукции. Депропанизированная ШФЛУ поступает к

подогревателю колонны - дебутанизатора К-603. Подогретый поток депропанизированной ШФЛУ поступает в дебутанизатор К-603. Назначение колонны - дебутанизатора К-603 - извлечение бутановой фракции. Бутановая фракция подается в теплообменник Т-611, где подогревается до

І 5б

температуры 55оС и направляется в колонну К-604. Назначение колонны К-604 - разделение бутановой фракции на н-бутан и изобутан. Дебутанизированная ШФЛУ из испарителя самотеком поступает в колонну К-605. Назначение колонны К-605 - извлечение изопентановой фракции из дебутанизированной ШФЛУ. В качестве высокотемпературного

теплоносителя используется осветительный керосин. В качестве хладагента используется жидкость охлаждающая низкозамерзающая (антифриз). Параметры сырьевых потоков приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Составы потоков Feed 1 и Feed 2

xC5H > 0.975.

C5H12

Параметры потока Feed 1 Feed 2

Температура, °С 75 70

Давление, МПа 3.5 2.5

Массовый расход, кг/ч 24500 12000

Компонентный состав, %

масс

- метан, СН4 0.58

- этан, С2Н6 3.77 0.07

- пропан, С3Н8 35.48 62.09

- изобутан, і-С4Ні0 12.69 11.43

- бутан, п-С4Ні0 25.28 19.23

- изопентан, і-С5Ні2 б.99 3.41

- пентан, п-С5Н12 7.53 2.73

- гексан, С6Ні4 4.82 1.04

- гептан, С7Ні6 1,76 0

- октан, С8Н18 0,76 0

- нонан, С9Н20 0.25 0

- декан, С10Н22 0.09 0.09

Постановка и решение задачи

Для заданных топологии

газофракционирующей установки (рис.1), параметрах сырья, поступающего на разделение (табл. 1, 2), требуется найти такие значения поисковых переменных: числа тарелок в исчерпывающей и укрепляющей секциях колонн а^к, флегмовые числа

№, температуры в кубах колонн , при которых

критерий (1) суммарных приведенных капитальных и эксплуатационных затрат принимает минимальное значение и выполняются ограничения (2) - (7).

^ 1 5_f 2 ms Л 2 2

f = mjPmet TH +Mebr+4onr+PWEi +Р^$Г<

a tJ=\[ s=1k=1 у j=1 j=1

v J=1^ s=1k=1

При ограничениях: aJs = [0,1], J = 1,5

xC2H + xC2H + xC2H > 0.98

CH4 C2H6 C3H8

xC2H > 0.96,

C3H8

л

febr

У

S,C4

C4H1

C4H1

> 0.98,

> 0.986.

где рте - цена металла; t - срок окупаемости

проектируемой системы; м. - масса металла, расходуемого на изготовление одной тарелки и секции кожуха . -ой колонны; а{. - вектор,

компонентами которого являются

к = 1,...,т',тах ; М]геЬг - масса металла,

расходуемого на изготовление кипятильника } -ой колонны; М!соп^ - масса металла, расходуемого на изготовление конденсатора } -ой колонны, рш -цена хладагента; - расход хладагента в ] -ой

колонне; pV - цена теплоносителя; 0]геЬг -

тепловая нагрузка на куб } -ой колонны; хР -

массовая доля компонента в потоке, верхний индекс - поток, нижний индекс - компонент.

Эффективность тарелок была принята равной 1. Заданная точность решения є была принята равной 0.05.

Оптимальное решение найдено за 31 шаг. Оптимальные значения параметров колонн приведены в таблице 2. Критерий оптимальности равен 2.3*108.

Таблица 2 - Оптимальные значения параметров колонн проектируемой установки

Параметр Колонна

K-601 K-602 K-603 K-604 K-605

Число тарелок в укрепляющей секции ІІ 27 19 53 53

Число тарелок в исчерпывающей секции 24 26 22 52 52

Флегмовое число 2.8 2.17 5 14.46 13

Температура куба, °С 116 І2І 110.5 72 85

На рис. 2 приведен график сходимости к решению задачи.

номе» вершины /

—— Нижняя оценка —о-Верхняя оценка

Рис. 2 - График сходимости к решению задачи

Оценка достоверности полученного решения. Для оценки достоверности полученн@5Ь оптимального проекта было принято решение сравнить полученный результат с прототипом(6)-

C

4

І57

действующей установкой ГФУ-300 управления «Нефтегазпереработка» ОАО «Татнефть». Прежде отметим, что поиск оптимального решения проводился для случая КПД тарелок колонн равным 1. Однако для реальной установки такие КПД недостижимы, поэтому сравнение оптимального решения с исходным режимом не представлялось возможным. Для сравнения результатов был предложен следующий прием.

Для рабочего режима работы действующей установки и её конструктивных параметров (число тарелок в колоннах) рассчитывался средний КПД тарелок по методике, предложенной в работе [5]. Затем на основе полученных коэффициентов рассчитывалось число теоретических тарелок, которое в дальнейшем использовалось для вычисления значения критерия оптимальности в этой точке. Режим работы прототипа с теоретическими тарелками, обеспечивающий заданное качество разделения (2)-(7), представлен в таблице 4.

Таблица 3 - режим работы прототипа с

теоретическими тарелками

Параметр Колонна

К-601 К-602 К-603 К-604 К-605

Число тарелок в укрепляющей секции 10 21 19 45 46

Число тарелок в исчерпывающей секции 20 21 19 45 46

Флегмовое число 3 3.1 5 18.3 15

Температура куба, °С 116 121 110.5 71.7 85

Значение критерия оптимальности составило 2.6*108. Напомним, что значение критерия оптимальности для спроектированной установки в оптимальной вершине составило 2.3385*108.

На рисунках 3-4 графически представлены результаты сравнения оптимального решения и прототипа: энергозатраты, значение критерия

оптимальности, число тарелок в колоннах.

I 6.0 Е+07

* 5.0 Е +07

3 4.0 Е+07 -™ 3,0 Е+07 ™ 2,0 Е+07 £ 1.0Е+07 Н £ О.ОЕ+ОО

Л.

Оптимальное решение 11рототлп

Рис. 4 - Результат сравнения оптимального решения и прототипа по числу тарелок

Проведенные расчеты показывают, что вершина, найденная в результате решения задачи оптимального проектирования установки ГФУ, действительно является оптимальной при использованных ценах на энергоносители и металл.

Расчеты проводились с использованием универсальной моделирующей программ ЦтБт.

Литература

1. Комисаров Ю.А, Гордеев Л.С., Вент Д.П. Научные основы процессов ректификации: Т.2. Учебное пособие для вузов / Под ред. Серафимова Л.А. М.: Химия, 2004.

2. Г.М. Островский, Н.Н. Зиятдинов, Т.В. Лаптева, Н.Ю. Богула, Доклады Академии Наук, 431, 6, 768-771 (2010).

3. Г.М. Островский, Н. Н. Зиятдинов, Т. В. Лаптева, Н.Ю. Богула, Теоретические основы химической технологии, 45, 1, 88-97 (2010).

4. Н.Н. Зиятдинов. Н.Ю. Богула, Т.В. Лаптева, Г.М. Островский, Вестник Казанского технологического университета, 5, 118-123 (2011).

5. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/ К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. -Л.:Химия, 1987.

К-601 К-602 К-603 К-604 К-605  Оптимальное решение  Прототип

Рис. 3 - Результат сравнения оптимального

решения и прототипа по энергозатратам

© Н. Н. Зиятдинов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. системотехники КНИТУ, nnziat@yandex.ru; Т. В. Лаптева - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; Н. Ю. Богула - канд. техн. наук, асс. той же кафедры, nellybog@gmail.com; Д. А. Рыжов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.