Математическое моделирование реакторного блока установки каталитического крекинга нефтяного сырья в среде Matlab

УДК 681.3

И.А. Вялых, С.Н. Кондрашов, А.Г. Шумихин

Пермский государственный технический университет

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАКТОРНОГО БЛОКА УСТАНОВКИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА НЕФТЯНОГО СЫРЬЯ В СРЕДЕ МАПАВ

Представлены результаты математического моделирования системы реактор—регенератор каталитического крекинга с рециркуляцией катализатора в математическом пакете МЛТЬЛБ.

Разработка и отладка алгоритмов управления технологическими процессами на основе их математических моделей эффективно осуществляются с использованием стандартных сред программирования.

В работе рассматриваются результаты вычислительного эксперимента, проведенного на математической модели реакторного блока установки каталитического крекинга вакуумного газойля в подвижном слое катализатора, реализованной в математическом пакете МЛТЬЛВ.

Установка каталитического крекинга состоит из трех основных блоков (рис. 1): блока подготовки сырья (БПС), реакторного блока (РБ) и фракционирующей части (ФЧ).

Блок подготовки сырья предназначен для нагрева и частичного испарения гидроочищенного вакуумного газойля до заданной температуры, а также для подачи сырья с предыдущей стадии в реакторный блок.

Реакторный блок включает в себя два основных аппарата: реактор Р-1 и регенератор Р-4, а также вспомогательное оборудование (до-зер Р-6, емкость Р-4), предназначенное для обеспечения циркуляции катализатора по системе. Катализатор самотеком из емкости Р-4 по трубопроводу просыпается в реактор, после реактора катализатор перетекает в регенератор, затем самотеком поступает в дозер Р-6, где с помощью пневмотранспорта подается в напорную емкость Р-4, затем круг повторяется. Реактор и регенератор расположены соосно, один над другим, сверху по ходу катализатора установлен реактор, затем регенератор.

Рис. 1. Схема установки каталитического крекинга: БПС - блок подготовки сырья; ФЧ - фракционирующая часть; Р-1 - реактор; Р-2 - регенератор; Р-4 - напорная емкость катализатора; Р-6 - дозер пневмотранспорта

Фракционирующая часть предназначена для разделения продуктов химической реакции крекинга на заданные фракции.

Стационарный режим работы регенераторного блока можно описать следующей системой дифференциальных уравнений материального и теплового балансов .

Для реактора:

^ = т W

1 П І ’

(Л2

dz

т

dz

= вТ (Тк -Т$);

= -вктк(Т -ТК) + WQC-;

С 7,

dC % ,,, її = Л

Вялых И. А., Кондратов С.Н. Адаптация математической модели реакторного блока установки каталитического крекинга 43-102/М к условиям переработки гид-роочищенного сырья// Автоматизация технологических и производственных процессов в металлургии: межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск: Изд-во Магнитогор. гос. техн. ун-та, 2006. С. 190-196.

где 2 = I / Ь - безразмерная длина слоя; у/ - весовая доля компонента в смеси, кг/кг; Tg - температура газа, К; Т; - температура катализатора, К; С - концентрация кокса на катализаторе, кгкокса/кгкахализахора; тп - время контакта в п-й зоне реактора, ч; т; - время пребывания катализатора в реакторе, ч; pg - параметр теплообмена для газа, ккал/(м -ч-К); р; - параметр теплообмена для катализатора, ккал/(м -ч-К); ^ - коксогенная способность сырья, кгкокса/кгсырья; = Е vij г]- - скорость образования /-го компонента,

кг/(кгкатализатора-ч); Жд = Е Qj г - скорость тепловыделения за счет реакций; Qj - тепловой эффект ]-й реакции, ккал/кг; г - скорость ]-й реакции, кг/(кгкатализатора-ч); Vij - стехиометрический коэффициент.

Для регенератора:

1С = V);

I = нку - х);

Ну-х) = втг(Ух,т;);

йТ

£

= -тв, У - Т);

в

22^ оР; Мс

В РСр' в •

; Р;С; ’ т-^ ;

О

У;Р; ;

Ск ;

Т;

где 2 = I / Ь- безразмерная длина слоя; у, х - мольная (объемная) доля кислорода в потоке и в зерне катализатора; ^ - температура газа, К; Т; -температура катализатора, К; С - концентрация кокса на катализаторе, кгкокса/кгкатализатора; т, Т; - время контакта и время пребывания катализато-

ра, ч; Ур - объем регенератора, м ; О, Ок - расходы воздуха и катализатора, кг/ч; р, рк - плотности воздуха и катализатора кг/м3; в - коэффициент массообмена в зерне катализатора, ч -1; Q - тепловой эффект горения кокса, ккал/кг; Ср, Ск - теплоемкости газа и катализатора, ккал/(кг-К); а- коэффициент теплообмена катализатора с потоком, ккал/(м2-ч-К); г [С, х, Тк - - скорость горения кокса на катализаторе, кг/кг-ч; £н - удельная наружная поверхность зерен катализатора, м2/м3; Мс - молекулярный вес кокса, кг/кмоль; У0 - стехиометрия расходования кислорода на горение кокса, моль О2/молькокса.

С граничными условиями: на входе в реактор:

Zl_ = 0:

на входе в регенератор:

Z2 = 0: С20 = Сік,

Схема устройства реактора приведена на рис. 2. В верхнюю часть реактора поступает два потока: регенерированный катализатор, попадающий в распределительную часть, а затем по переточным трубам просыпающийся в реакционную зону; сырье, поступающее через люк верхней крышки в центральную зону, потом на форсунку для распыления и перемешивания с падающим из труб катализатором.

Катализатор

С10 = С2к,

0к Тк1 = Тк2-5;

0к тк2 = Тк1 .

Рис. 2. Схема реактора установки каталитического крекинга

С использованием стандартных, встроенных в математическую среду MATLAB функций для решения системы дифференциальных уравнений, представленных в нормальной форме Коши, была произведена программная реализация алгоритма вычисления выходных координат параметрически идентифицированной математической модели реактора. Осуществлен вывод результатов моделирования в графическом виде с использованием возможностей математического пакета.

По результатам моделирования оценены все методы решения систем дифференциальных уравнений, реализованные в среде MATLAB. Для всех методов использовалась одинаковая точность интегрирования. Результаты, полученные различными методами, сравнивались и принимался вариант решения из числа тех, для которых с приемлемой точностью совпадали результаты. Так, методы ode 15 s, ode23s и ode23t показали идентичные результаты. Неприемлемый вариант решения дал метод ode45.

Рассмотрим некоторые результаты моделирования в среде MATLAB реактора каталитического крекинга.

Изменение содержания тяжелого газойля в газосырьевой смеси (ГСС) по длине реактора, полученное при моделировании, представлено на рис. 3.

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Длина реактора г (безразмерная) Рис. 3. Изменение содержания тяжелого газойля в ГСС по длине реактора

Тяжелый газойль является основным компонентом сырья, поступающего в реактор каталитического крекинга. Его начальное содержание в ГСС порядка 80 мас.%. Присутствие изломов на графике объясняется наличием в реакторе трех зон. В первой зоне происходит смешение катализатора и сырья. Вторая зона - реакционная, соответствующая прямоточному движению катализатора и сырья. В третьей зоне происходит сепарация катализатора и продуктов химической реакции. Результаты моделирования показывают, что основная часть реакции крекинга протекает во второй зоне реактора.

Вторым компонентом, присутствующим в ГСС, является легкий газойль. Его концентрация по ходу движения ГСС сначала увеличивается, а затем, в конце второй зоны и в зоне сепарации, постепенно уменьшается, так как на начальном этапе происходит превращение части тяжелого газойля в легкий, а затем он расходуется на реакцию получения бензина и газа (рис. 4).

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Длина реактора г

Рис. 4. Изменение содержания легкого газойля в ГСС по длине реактора

Целевыми продуктом реакции каталитического крекинга являются бензин и легкий газойль. Изменение содержания в ГСС основного целевого продукта реакции - бензина показано на рис. 5.

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Длина реактора г

Рис. 5. Изменение содержания бензина в ГСС по длине реактора

Побочным продуктом реакции крекинга вакуумного газойля является жирный газ. Как изменяется его содержание в ГСС по длине реактора, показано на рис. 6.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Длина реактора г

Рис. 6. Изменение содержания жирного газа в ГСС по длине реактора

Реакция каталитического крекинга протекает на цеолитном шариковом катализаторе. При этом происходит образование кокса, который откладывается на катализаторе, а затем выжигается в регенераторе. График закоксовывания движущегося по длине реактора катализатора представлен на рис. 7.

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Длина реактора г

Рис. 7. Изменение содержания кокса на катализаторе по длине реактора

Реакция крекинга протекает с поглощением тепла, поэтому температура катализатора (рис. 8) и ГСС (рис. 9) в целом уменьшается по длине реактора.

Однако при попадании в реактор катализатора и ГСС с более низкой температурой происходит их смешение. В результате имеет место скачкообразное изменение температуры катализатора и ГСС на входе ректора: температура катализатора резко снижается, а ГСС возрастает.

Характерные изломы на всех представленных графиках соответствуют окончанию одной зоны и началу следующей. Из вида графиков следует, что основная часть превращений происходит во второй реакционной зоне реактора.

570 560 ^ 550

І 540

Й

к 530 І 520

І МО <ц 500

В

£ 490 480 470

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Длина реактора г

Рис. 8. Изменение температуры катализатора по длине реактора 510

500

490

и 480 и

и 470

і-н

I 460

Й

& 450

К

£ 440 430 420 410

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Длина реактора г

Рис. 9. Изменение температуры ГСС по обезразмеренной длине реактора

Реализация математической модели в среде МЛТЬЛВ позволяет при идентификации легко варьировать параметры математической модели, изменять ее структуру и краевые условия, наглядно отображать конечные и промежуточные результаты моделирования.

После реактора катализатор по переточной трубе сразу попадает в регенератор (рис. 10), где происходит выжигание образовавшегося при крекинге кокса, отложившегося на поверхности катализатора и частично в порах.

Рис. 10. Схема регенератора установки каталитического крекинга

При моделировании были получены результаты, отражающие распределение температуры катализатора, температуры газа, концентрации кокса, концентрации кислорода в потоке газа по длине регенератора с учетом двух зон. По полученным результатам можно оценивать работу аппарата. Основным показателем, характеризующим режим работы аппарата, является градиент температуры по длине регенератора, так как перегрев катализатора ведет к нарушению установившегося режима, а при сильном перегреве катализатора к разрушению гранул катализатора и образованию крошки или спеканию катализатора и аварийному останову установки. Катализатор же является дорогостоящим продуктом.

Сложность решения системы дифференциальных уравнений, описывающих работу регенератора, заключается в том, что катализатор в регенераторе движется противотоком по отношению к воздуху, поступающему в регенератор для выжига кокса, отлагающегося на катализаторе при протекании реакции крекинга, а также в том, что регенератор состоит из двух зон регенерации, в которые сверху поступает катализатор, а снизу подается атмосферный воздух, и промежуточной зоны, предназначенной для перемещения катализатора из одной зоны

регенерации в другую. При расчете системы задаются значения температуры и остаточной концентрации кокса на катализаторе на выходе из регенератора и на входе в реактор. Изменяя эти условия, минимизируют сумму абсолютных значений относительной разности температуры и концентрации на границе аппаратов.

Результаты, полученные при моделировании регенератора, приведены на рис. 11-14.

20

N°

©Х

2,0

1,6

1,4

о

и

1,2

1,0

—.1,985

15

1,3097

) 0,2 0,4 0,6 0,8

Длина регенератора

1,0

Рис. 11. Изменение содержания кокса на катализаторе по длине регенератора

10

3,8589 і

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Длина регенератора

Рис. 12. Изменение содержания кислорода в газовом потоке по длине регенератора

и

600

500

400

300

I

а,

о

Е 200

100

о

492,3339

73

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Длина регенератора

Рис. 13. Изменение температуры газового потока по длине регенератора

и

съ

0 & со К § & І4 &

1

<1>

с

I

492,3338

600

566

600 580 560 540 520 500 480

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Длина регенератора

Рис. 14. Изменение температуры катализатора по длине регенератора

С использованием полученной реализации математической модели реакторного блока можно выполнить имитационное моделирование при отладке алгоритма управления реакторным блоком на основе экспертных оценок и оптимизацию технологического режима блока в пределах регламентных значений его параметров.

Получено 17.06.2009