Оптимизация режима работы блока ректификации установки гидроочистки тяжелого газойля коксования в среде моделирующей программы Hysys

УДК 66.011

Н. Н. Зиятдинов, А. А. Караванов, Р. С. Леонтьева, А. В. Мингалиева

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ БЛОКА РЕКТИФИКАЦИИ УСТАНОВКИ ГИДРООЧИСТКИ ТЯЖЕЛОГО ГАЗОЙЛЯ КОКСОВАНИЯ В СРЕДЕ МОДЕЛИРУЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ HYSYS

Ключевые слова: ректификация, гидроочистка, газойль, математическое моделирование, оптимизация, моделирующая программа Hysys.

В статье представлен системный анализ технологического процесса блока ректификации установки гидроочистки тяжелого газойля коксования как объекта управления. Для проведения исследований исходная технологическая схема приведена к расчетной, которая позволила избежать итерационных расчетов тепловых рециклов. Построена статическая математическая модель объекта, исследованы статические характеристики, проведен анализ чувствительности с целью выбора поисковых переменных и критерия оптимальности. Решена задача оптимизации стационарного режима работы установки. Исследования проведены с использованием универсальной моделирующей программы Hysys.

Key words: system analysis, distillation, hydrotreating, gasoil, mathematical modeling, optimization, simulation program 'HYSYS'.

In the article a system analysis of the technological process of rectification for unit of heavy coker gasoil hydrofining regarded as a control object is represented. For investigation purposes the initial technological scheme was transformed to the design one, which followed the iterative calculations of thermal recycles to avoid. A static mathematic model of object was created, the static characteristics were investigated, and a sensitivity analysis for the purpose of the search variables and optimality criterion was done. Furthermore, the optimization task of stationary mode for the unit was solved. The investigations mentioned above were realized by means of universal simulation program 'HYSYS'.

Процесс ректификации является одним из наиболее энергоемких процессов нефтеперерабатывающей промышленности. Затраты на энергию процессов переработки нефти составляют около 65% от всех операционных затрат российских нефтеперерабатывающих заводов [1]. К числу таких процессов относится установка гидроочистки тяжелого газойля коксования [2], снижение энергозатрат которой является актуальной задачей. Данная установка предназначена для отпарки жидких продуктов реакции водяным паром от сероводорода и легких углеводородов и разделения продукта отпарной колонны на продуктовую нафту, продуктовый газойль и тяжелый газойль коксования.

Источниками повышения энергоэффективности ректификационных установок являются замена контактных устройств [3], оптимизация режимов работы ректификационных колонн, выбор оптимальных тарелок питания [4], выбор последовательности колонн для разделения исходной смеси [5], тепловая интеграция [6].

В настоящей статье нами будут рассмотрены вопросы оптимизации режимов работы блока ректификации действующей установки гидроочистки с целью снижения энергозатрат. Эффективным подходом для ее решения являются методы математического моделирования и оптимизации с использованием универсальных моделирующих программ (УМП), позволяющие рассчитать и оптимизировать как стационарные, так и динамические режимы функционирования химико-технологических процессов и систем химической технологии. В настоящее время разработано множество УМП, к числу которых относятся: Aspen Plus, Hysys[7], ChemCAD [8,9], UniSim, PRO/II [10] и другие. Нами будет использована УМП Aspen Hysys, поскольку данная программа является более гибкой для формирования расчетных схем в программной среде и предостав-

ляет пользователю широкие возможности для решения оптимизационных задач.

Рассматриваемая установка состоит из: ректификационной колонны, отпарной колонны, печи нагрева сырья, теплообменного и насосного оборудования рис. 1. Исходное сырье поступает в рекуперативный теплообменник Е07, где нагревается за счет потока, поступающего из теплообменника Е04, и передается в печь Н01, в которой происходит нагрев до 376 °С и далее на разделение в ректификационную колонну С02. Продуктами колонны являются: гидроочищенный тяжелый газойль и продуктовая нафта. Отбираемый из укрепляющей секции промежуточный продукт газойль возвращается частично в качестве орошения, а также поступает в отпарную колонну (стриппинг секцию) С01. С куба колонны С01 отбирается продуктовый газойль.

Как следует из приведенного описания, установка включает множество рекуперативных теплообменников и материально-тепловых рецикловых потоков, что обеспечивают ее высокую теплоинтегра-тивность [4]. Каждый поток характеризуется высокой параметричностью равной 66. Расчет таких замкнутых систем является сложной вычислительной задачей, которая сводиться к решению систем нелинейных уравнений большой размерности. Поэтому при построении компьютерной модели блока ректификации установки гидроочистки в среде Aspen Hysys, данная схема была нами преобразована к расчетному виду, представленному на рис. 2, который не требует итерационного расчета тепловых рециклов. В данной расчетной схеме каждый рекуперативный теплообменник представлен в виде двух теплообменных элементов: один из которых принимает заданное количество теплоты, а другой это количество тепла отдает. К примеру, рекуператор Е07 (рис.1) на (рис. 2) представлен в виде элементов нагревателя ЕН07 и холодильника ЕС07. В

результате расчета элемента ЕГО7 (рис.2) будет вычислена необходимая тепловая нагрузка для обеспечения заданной выходной температуры (поток р61). Эта тепловая нагрузка будет передана от элемента

Е^7, который получит это тепло за счет охлаждения потока р95.

Холодное сырье

Жидкость ГСВД+ХСНД

Продуктовый тазойль

Рис. 1 - Технологическая схема блока ректификации установки гидроочистки тяжелого газойля коксования

Рис. 2 - Расчетная схема блока ректификации установки гидроочистки тяжелого газойля коксования

Исходное сырье - тяжелый газойль, включает множество компонентов (равное 63) и, наряду с индивидуальными углеводородами, содержит псевдокомпоненты. Термодинамические свойства псевдокомпонентов были рассчитаны по известным молекулярным массам, плотностям и температурам кипения. Экспериментальный подход хорошо описан в признанной зарубежной литературе [11,12,13] .

Для расчета парожидкостного равновесия был выбран термодинамический пакет SRK (Соаве-Редлиха-Квонга) [14], который адекватно описывает

фазовое равновесие компонент легких фракций и тяжелых компонентов, при высоких давлениях.

Для решения задачи оптимизации необходимо в среде Hysys: составить компьютерную модель установки, выбрать и построить критерий оптимальности, выбрать вектор поисковых переменных и ограничения.

В качестве критерия оптимальности приняты суммарные энергозатраты, которые складываются из затрат топливного газа на обогрев печи, элек-

троэнергии на нагнетание потока в насосе и хла-доагента в холодильнике.

В качестве вектора поисковых переменных нами выбраны управляющие переменные исследуемого процесса, ими являются: температуры выходного потока из холодильника, температуры выходного потока из печи, температуры выходных потоков из теплообменников, расход пара в колонну. Для определения степени влияния этих переменных на критерий оптимальности нами проведен анализ чувствительности. Одна из полученных статических характеристик представлена на рисунке 3.

0.54

0.42

OrvlT'JCOOrvlT'^COO С. С. С. О О О О О т-Ч а^гоготго-ггтгтгтгтгтг

Температура выходного потока из печи Н01, °С

Рис. 3 - Зависимость содержания углеводородной фракции с температурой кипения 120 °C в выходном потоке емкости D01 продуктовой нафты от температуры выходного потока из печи H01

В результате проведенных исследований, в качестве поисковых, для решения задачи оптимизации, были выбраны управляющие переменные существенно влияющие на качество выпускаемой продукции и критерий оптимальности. Для обеспечения условий физической реализуемости процесса, а также требований на качество выпускаемой продукции были выбраны соответствующие ограничения неравенства (3) на качество выходных продуктов (продуктовая нафта, тяжелый газойль коксования, продуктовый газойль), расход пара в колонну.

Задача оптимизации была поставлена следующим образом: найти такие значения поисковых переменных u , при которых критерий оптимальности - суммарные энергозатраты F

F* = m\rtCTrGTr{0) +CBGB{U +

и (1) +d1d1{Q)+C33G33{Q) ) ,

и

где СТГ,GTrCBGBСП,GnСЭЭ,G33 - цена и расход топливного газа, промышленной воды, пара и электроэнергии, соответственно.

Условие выполнения материально-теплового баланса блока ректификации установки гидроочистки формально запишем в виде:

р

где x - вектор входных переменных; и - вектор поисковых переменных; a - настроечные параметры.

Ограничения- неравенства (3) наложены на содержание сероводорода в потоке р99, C1 < 0,0001; на содержание углеводородов в потоке р99, C2 < 0, 1; на содержание углеводородов в потоке р64, C3 < 0,29; на содержание углеводородов в потоке р75, C4 < 0,103 ; на расход флегмы в ректификационную колонну, обеспечивающий устойчивую работу колонны RpK .

Вектор поисковых переменных u включает следующие переменные: Г60 - температуры выходного потока р60 из теплообменника Е07, °C; Г61 - температуры выходного потока из печи H01, °C; T97-температуры выходного потока из теплообменника E06, °C; Г99- температуры выходного потока из теплообменника E08, °C; V - расход греющего пара в колонну С02, кг / ч; RpK - флегмовое число колонны С02.

В целях обеспечения устойчивой работы установки и условий физической реализуемости процесса на поисковые переменные наложены следующие ограничения (4):

311 < Г60< 401; 360 < Г61 <410; 163 <Г97< 253; 125 < Г99 < 195; 2300 < V < 2400; 0 < RpK < 10.

Для решения поставленной задачи оптимизации был использован встроенный в Aspen Hysys метод последовательного квадратичного программирования SQP (Sequential quadratic programming). Этот метод в настоящее время является одним из наиболее эффективных для решения задач нелинейного программирования [14]. Результаты оптимизации представлены в следующей таблице 1.

Таблица 1 - Результаты оптимизации режима работы блока ректификации

Режим Поисковые переменные и критерий Номинальный Оптимальный

Температура выходного потока из печи Н01, °С 376 369

Температура выходного потока из холодильника Е07, °С 381 311

Температура выходного потока из теплообменника Е08, °С 143 125

Температура выходного потока из теплообменника Е06, °С 183 163

Расход пара в колонну С02, кг / ч 2400 2300

Флегмовое число колонны С02, кг / ч 6 6

Суммарные энергозатраты, руб/ч 6155 5805

Таким образом, в результате проведённой оптимизации удалось снизить суммарные энергозатраты на 5,7 % относительно номинального режима.

В ходе выполнения данной работы были получены следующие результаты. На примере блока ректификации установки гидроочистки в среде УМП Aspen Hysys показан способ преобразования замкнутой технологической схемы со множеством тепловых рециклов в расчетную схему, исключающую в явном виде тепловые рециклы. Это позволяет существенно сократить временные затраты на решение задач расчета материально -теплового баланса замкнутых технологических систем. На построенной компьютерной модели исследованы статические характеристики установки, позволившие выбрать поисковые переменные, оказывающие существенное влияние на критерий оптимальности, в качестве которого использованы суммарные энергозатраты. Решена задача оптимизации технологического режима работы установки, с учетом требований регламента и условий физической реализуемости, показавшая резервы повышения энергоэффективности исследуемой установки.

Литература

1. Электронный ресурс: http://www.findpatent.ru/patent/203/2030445.html

2. Электронный ресурс: http://conf.sfu-kras.rU/sites/oil2014/PDF/9/2.pdf

3 . Лаптев А.Г., Фарахов М.И., Минеев Н.Г. Основы расчета и модернизация тепломассобменных установок в нефтехимии.Монография. - Казань: Казан. гос. энерг.ун-т, 2010. - 574 с. 4. Островский Г.М., Зиятдинов Н.Н., Лаптева Т.В., Рыжов Д.А. Выбор оптимальных тарелок питания в замкнутой

системе ректификационных колонн Оптимальный синтез системы простых ректификационных колонн. Теоретические основы химической технологии. 2008. Т. 42. № 4. С. 386-397.

5. Островский Г.М., Зиятдинов Н.Н., Мустафина Ф.У., Рыжов Д.А. Оптимальный синтез системы простых ректификационных колонн. Теоретические основы химической технологии. 2013. Т. 47. № 6. С. 646.

6. Островский Г.М., Зиятдинов Н.Н., Емельянов И.И. Синтез оптимальных систем простых ректификационных колонн с рекупераций тепла. Доклады Академии наук. 2015. Т. 461. № 2. С. 189.

7. Электронный ресурс:

http://www.aspentech.com/products/aspen-hysys.

8. Электронный ресурс: http://www.chemstation.com

9. Зиятдинов Н.Н., Лаптева Т.В., Рыжов Д.А. Математическое моделирование химико-технологических систем с использованием программы ChemCad. Учебно-методическое пособие / Н. Н. Зиятдинов, Т. В. Лаптева, Д. А. Рыжов; Федеральное агентство по образованию, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования "Казанский гос. технологический ун-т". Казань, 2008.

10. Электронный ресурс:

http:// software. schneider-electric. com/ simsci/

11. Whitson C.H. and Brule M.R. Phase Behavior. SPE Monograph Series. Richardson. Texas: 2000, pp. 68-70;

12. Danesh A. PVT and Phase Behavior of Petroleum Reservoir Fluids. Elsevier, 1998. pp. 210-212.

13. Riazi M.R. Characterization and Properties of Petroleum Fractions. ASTM. 2005. pp. 88-89.

14. Базис Hysys. Версия 2004.2

15. Островский Г.М., Волин Ю.М., Зиятдинов Н.Н. Методы оптимизации химико-технологических процессов. учебное пособие / Г. М. Островский, Ю. М. Волин, Н. Н. Зиятдинов. Москва, 2008.

© Н. Н. Зиятдинов - д.т.н., зав. каф. системотехники КНИТУ, nnziat@yandex.ru, А. А. Караванов - инженер 2 категории, старший преподаватель каф. системотехники КНИТУ, k.ant@mail.ru, Р. С. Леонтьева - магистрант каф. системотехники КНИТУ, reginadenis9@mail.ru, А. В. Мингалиева - магистрант каф. системотехники КНИТУ, www.ygul.ru@mail.ru.

© N. N. Ziyatdinov - Full Professor, Doctor of Sciences in Engineering, Chair of Process System Engineering Department, KNRTU, nnziat@yandex.ru; A. A. Caravanov - Engineer of 2 categories, assistant professor Process System Engineering Department, KNRTU, k.ant@mail.ru, R. S. Leontieva - Undergraduate Process System Engineering Department, KNRTU, reginadenis9@mail.ru, A. V. Mingalieva - Undergraduate Process System Engineering Department, KNRTU, www.ygul.ru@mail.ru.