Управление на основе прогнозирующих моделей в системах каталитического крекинга нефти Текст научной статьи по специальности «Кибернетика». Крекинг нефти модель


Инженерный вестник Дона | интез системы управления процессом каталитического крекинга нефти с использованием прогнозирующей модели

Аннотация

Дата поступления статьи: 17.12.2012

Рассмотрены особенности функционирования системы каталитического крекинга нефти. Представлена математическая модель установки каталитического крекинга. Осуществлена идентификация модели на основе экспериментальных данных. Синтезирован регулятор на основе метода управления динамическими объектами с использованием прогнозирующих моделей. Эффективность подхода подтверждена результатами моделирования процесса каталитического крекинга нефти.

Ключевые слова: каталитический крекинг, моделирование, идентификация, прогнозирующее управление, многомерная система управления, оптимизация

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)

Каталитический крекинг нефти

Каталитический крекинг является важнейшим процессом в переработке нефти с целью получения бензина. Установка каталитического крекинга предназначена для переработки вакуумного дистиллята с целью получения компонента высокооктанового бензина. Результаты каталитического крекинга определяются в целом таки­ми показателями, как глубина превращения (конверсии) сырья, выход целевых продуктов и их качество. Целевыми продуктами процесса являются бензин и сжиженный газ. Кокс, хотя и фигурирует в материальном балансе процесса (вместе с потерями), но не выводится из установки и полностью сгорает в регенераторе, обеспечивая тепловой баланс реакторного блока. Управление процессом каталитического крекинга является сложной задачей. Сложность задачи обусловлена следующими проблемами: -процесс имеет нелинейный характер; -объект управления является многосвязным с существенными перекрестными связями; -разница в постоянных времени для различных подсистем значительна -существует большое количество неизмеряемых возмущений [1,2]. Одним из подходов к анализу и синтезу системы управления каталитическим крекингом является управление с использованием прогнозирующих моделей [4,5]. В работе рассмотрены вопросы синтеза математической модели процесса каталитического крекинга с использованием прогнозирующих моделей. Установка каталитического крекинга состоит из двух основных частей: из реактора и регенератора (рис.1). Центральной частью установки каталитического крекинга является реактор, функционирующий следующим образом: сырье проходит через нагреватель, смешивается с катализатором и поступает в вертикальную трубу (райзер), ведущую в нижнюю часть большого сосуда (отстойная часть реактора). Время пребы­вания сырья в реакторе — несколько секунд, реакция протекает мгновенно. Основной задачей реактора является отделение углеводородов от катализатора. Это происходит в отстойной зоне реактора. Паровая фаза (прореагировавшее сырье) поднимается вверх  и проходя через циклоны направляется в ректификационную колонну для дальнейшей очистки и обработки. Твердая фаза (закоксованный катализатор) за счет разности статических напоров катализатора в реакторе и регенераторе самотеком по наклонной транспортной линии поступает в регенератор. Часть углеводородов, которая во время крекинга превращается в кокс, оседает в виде отложений на катализаторе. Когда поверхность катализатора покрывается отложениями, катализатор становится неактивным (отработанным). Чтобы удалить эти углеродные отложения, отработанный катализатор подают в регенератор, где его смешивают с горячим воздухом. В результате происходит окисление кокса. Процесс, протекающий в регенераторе, называют выжигом кокса. Восстановленный катализатор выходит из нижней части регенератора. Его можно снова смешать с сырьем и направить в реактор. Таким образом, катализатор нахо­дится в непрерывном движении, проходя по циклу крекинг—регенерация.

Рис. 1. -Установка каталитического крекинга

Математическая модель каталитического крекинга нефти Химические процессы, протекающие в реакторе каталитического крекинга, являются сложными и сопровождаются рядом одновременно протекающих химических реакций. Согласно редуцированной модели реактора [3,6,7], эти реакции можно разделить на три вида: Реакция 1: Реакция 2: Реакция 3: где F – это сырье (гидроочищенный вакуумный дистиллят, иначе газойль), G –целевой продукт (бензин), L –легкие газовые фракции (в частности кокс). Первая реакция желаемая, так как бензин является целевым продуктом. Реакции 2 и 3 являются побочными, следовательно, нежелательными реакциями. Лифт-реактор считается реактором идеального вытеснения, так как соотношение длины реактора к его диаметру велико, а реакция протекает в течение нескольких секунд.  Ниже приведена математическая модель реактора на основе материальных и тепловых балансов. Материальный баланс по сырью:  Материальный баланс по выходному продукту: Где  - массовая доля газойля в парах в реакторе; Z    - безразмерная переменная длинны;  - постоянная скорости реакции образования газойля;  - постоянная скорости реакции образования газолина;  - постоянная скорости реакции получения углерода; COR – массовое соотношение катализатора к нефти;  - активность катализатора во входе в реактор;  - энергия активации для крекинг газойля;  - температура сырья при поступлении в реактор;  - безразмерная переменная температуры;  - время нахождения катализатора в реакторе; - коэффициент старения катализатора; - массовая доля газолина в парах в реакторе;  - энергия активации для крекинг газолина. Тепловой баланс: где - массовая доля газойля в сырье ;- теплота реакции крекинга газойля;  - подача сырья (нефть + пар) в реактор;  - скорость циркуляции катализатора; - теплоемкость катализатора; - теплоемкость газойля; - теплоемкость пара, - скорость подачи пара. Регенератор можно представить в виде реактора идеального смешения. Ниже представлена модель регенератора [3,8]: Материальный баланс по коксу: Материальный баланс по кислороду: Тепловой баланс: где  - масса катализатора в регенераторе;  - масса воздуха в регенераторе;  - массовая доля кокса в восстановленном катализаторе; - подача воздуха в регенератор;  - коэффициент выжига кокса;  - массовая доля кокса в использованном катализаторе; - мольная доля кислорода в регенераторе;  - соотношение CO2/CO в дымовых газах; - молярная масса кокса; - температура катализатора на выходе из регенератора;  - температура на выходе из реактора;  - температура воздуха, подаваемого в регенератор; - массовый расход воздуха в регенератор;  - теплоемкость воздуха; - тепло, выделяемое при образовании CO; - тепло, выделяемое при образовании CO2.

Управление процессом каталитического крекинга с использованием прогнозирующих моделей Управление с использованием прогнозирующих моделей является одним из современных формализованных подходов к анализу и синтезу управления. Прогнозирующий регулятор состоит из двух компонентов: модель процесса и модуль оптимизации (рис. 2) [10].

Рис. 2. -Блок управления с использованием прогнозирующих моделей

С точки зрения алгоритмов регулирования, предпочтительно представление модели в виде вход-выход. Для определения упрощенной модели для процесса каталитического крекинга в работе  идентификационная схема представленная на рис. 3.

Рис. 3. -Схема идентификации

Метод идентификации модели изложен в [9]. Фактически, предложенный авторами метод идентификации состоит из трех основных этапов. Первый шаг заключается в составлении структурной схемы процесса, которая приведена на рисунке 4, где  - это температура сырья, , - температуры в реакторе и регенераторе соответственно, - массовая доля кокса на катализаторе, , ,  - расходы сырья, катализатора и воздуха соответственно.

Рис. 4. Структурная схема процесса каталитического крекинга нефти

Второй шаг заключается в определении вида передаточной функции для каждого канала связи. В этой работе, принимаем, что каждый канал связи может быть охарактеризован апериодическим звеном первого порядка без чистого запаздывания: Где -коэффициент усиления; -временная постоянная. Передаточные функции, связанные с реактором обозначены через букву H, связанные регенератором обозначены через G, а общие передаточные функции связанные процессом в целом обозначены буквой F. Передаточные функции реактора и регенератора были определены для статического режима, а передаточная функция всего процесса была найдена путем арифметических вычислений. Таблица 1 Передаточные функции упрощенной модели процесса каталитического крекинга нефти

Выход Вход

Температура в реакторе

Температура в регенераторе

Температура сырья

Температура использованного катализатора

Расход сырья

Расход использованного катализатора

Расход воздуха

Последний шаг заключается в определении параметров передаточной функции для каждого канала, которые корректно будут отражать поведение процессов. Метод определения параметров передаточных функций описан в [9]. В таблице 1 приведены связи, которые описывают упрощенную модель процесса после идентификации. Схема системы управления с использованием прогнозирующих моделей процесса каталитического крекинга нефти приведена на рис. 5.

Рис. 5. -Схема управления процессом каталитического крекинга нефти с использованием прогнозирующих моделей

Основная задача каталитического крекинга нефти заключается в максимизации удельного выхода целевого продукта. Эта цель достигается, когда в реакторе протекает реакция с хорошей степенью превращения, а в регенераторе происходит хороший выжиг кокса. На практике, для достижения наилучшего результата протекания реакций в реакторе регулируется температура реактора, а для достижения наилучшего выжига кокса, соответственно температура в регенераторе.Моделирования процесса каталитического крекинга нефти Моделирование системы управления с использованием прогнозирующих моделей производилось для различных значений управляющих параметров (температуры в реакторе и регенераторе) и возмущений. Для регулятора по оценке с прогнозом с несколькими входами и выходами использовались следующие параметры: -горизонт прогнозирования p=100 шагов; -период дискретизации Т=4сек; -горизонт управления M=19. Проводились три типа экспериментов: В первом эксперименте поведение системы исследуется при скачкообразном изменении входных параметров регулятора (температура реактора и температура регенератора). На рисунках 6 и 7 представлены переходные процессы для температур реактора и регенератора, вместе с графиками изменения регулирующих параметров (подача катализатора в реактор и подача воздуха в регенератор). Из графиков видно, что многосвязный регулятор по оценке с прогнозом обеспечивает достаточную точность и быстродействие. Система отслеживает уставки без перерегулирования и с нулевой установившейся ошибкой.

Рис. 6. -Динамические характеристики изменения температуры и расхода катализатора в реактор Рис. 7. -Динамические характеристики изменения температуры и расхода воздуха в регенераторе

Во втором эксперименте изменяются возмущающие параметры. На рисунках 8 и 9 приведены графики изменения входных и выходных параметров  во времени, при изменении температуры сырья. Из полученных результатов можно увидеть, что система управления не чувствительна к возмущениям (внешние возмущения компенсируются системой управления).

Рис. 8. -Динамические характеристики изменения температуры и расхода использованного катализатора в реакторе Рис. 9 -Характеристики изменения температуры и расхода воздуха в регенераторе

Рис. 10. -Динамические характеристики изменения температуры и расхода использованного катализатора в реакторе Рис. 11. -Динамические характеристики изменения температуры и расхода воздуха в регенераторе

Последний эксперимент заключается в изменении параметров регулятора. При изменении периода дискретизации с 4сек до 8сек увеличивается время переходного процесса.

Заключение Рассмотрены особенности функционирования системы каталитического крекинга нефти. Получена математическая модель процесса каталитического крекинга нефти. Синтезирована система управления для каталитического крекинга нефти. Разработанная система управления с использованием прогнозирующих моделей демонстрирует удовлетворительные показатели качества процесса. Система управления не чувствительна к возмущениям, возникающим во время протекания процесса, однако увеличение периода дискретизации может привести к увеличению времени переходного процесса.

Список литературы:

  1. Ахметов С.А, Ишмияров М.Х.,  Веревкин А.П., Докучаев Е.С., Малышев Ю.М. Технология, экономика и автоматизация процессов переработки нефти. – М.: Химия, 2005. – 670с.
  2. Гаврилов А.И., Пашаева Б.А. Интеллектуальная система управления каталитическим крекингом нефти// Интеллектуальные системы: Труды девятого международного симпозиума/ Под ред. К.А.Пупков 2010. - С. 637-641.
  3. Pashayeva B. Mathematical model of the fluid catalytic cracking for work in testing control systems for the cracking plant/ PCI, Baku, Azerbaijan - Vol.1 – 2010. pp. 328-331.
  4. Mircea C., Agachi S., Marimoiu V. Simulation and Model Predictive Control of a UOP Fluid Catalytic Cracking/ Chemical Engineering and Processing – 2003. - Vol. 42 –  67p.
  5. Loeblein C. and Perkins J.D. Structural Design for On-line Process Optimization: Application to a Simulated FСС/ AIChe Journal – 1999. - Vol 45 – 1015p.
  6. Weekman V. A Model of Catalytic Cracking Conversion in Fixed, Moving and Fluid-Bed Reactors/ Industrial and Engineering Chemistry Process Desing and Development – 1968. – 90p.
  7. Weekman V. and Nace D.M. Kinetics of Catalytic Cracking Selectivity in Fixed Moving and Fluid bed reactors/ AIChE Journal – 1970. – 397p.
  8. Errazu A.F., DeLasa H.I. and Sarti F. A Fluized Bed Catalytic cracking Regenerator model, Grid Effects/ Canadian Journal of Chemical Engineering – 1978. -  191p.
  9. Coleman B., Babu J. Techniques of Model–Based Control - Pretice Hall PTTr, 2002. – 576p.
  10. Bequette W. Process Control Modeling Desing and Simulation - Pretice Hall PTTr, 2003. – 564p.

www.ivdon.ru

Б. А. Пашаева Каталитический крекинг нефти

Синтез системы управления процессом каталитического крекинга нефти с использованием прогнозирующей модели

Б.А. Пашаева

Каталитический крекинг нефти

Каталитический крекинг является важнейшим процессом в переработке нефти с целью получения бензина. Установка каталитического крекинга предназначена для переработки вакуумного дистиллята с целью получения компонента высокооктанового бензина. Результаты каталитического крекинга определяются в целом таки­ми показателями, как глубина превращения (конверсии) сырья, выход целевых продуктов и их качество. Целевыми продуктами процесса являются бензин и сжиженный газ. Кокс, хотя и фигурирует в материальном балансе процесса (вместе с потерями), но не выводится из установки и полностью сгорает в регенераторе, обеспечивая тепловой баланс реакторного блока.

Управление процессом каталитического крекинга является сложной задачей. Сложность задачи обусловлена следующими проблемами:

-процесс имеет нелинейный характер;

-объект управления является многосвязным с существенными перекрестными связями;

-разница в постоянных времени для различных подсистем значительна

-существует большое количество неизмеряемых возмущений [1,2].

Одним из подходов к анализу и синтезу системы управления каталитическим крекингом является управление с использованием прогнозирующих моделей [4,5].

В работе рассмотрены вопросы синтеза математической модели процесса каталитического крекинга с использованием прогнозирующих моделей.

Установка каталитического крекинга состоит из двух основных частей: из реактора и регенератора (рис.1). Центральной частью установки каталитического кре­кинга является реактор, функционирующий следующим образом: сырье проходит через нагреватель, смешивается с катализатором и поступает в вертикальную трубу (райзер), ведущую в нижнюю часть большого сосуда (отстойная часть реактора). Время пребы­вания сырья в реакторе — несколько секунд, реакция протекает мгновенно. Основной задачей реактора является отделение углеводородов от катализатора. Это происходит в отстойной зоне реактора. Паровая фаза (прореагировавшее сырье) поднимается вверх и проходя через циклоны направляется в ректификационную колонну для дальнейшей очистки и обработки. Твердая фаза (закоксованный катализатор) за счет разности статических напоров катализатора в реакторе и регенераторе самотеком по наклонной транспортной линии поступает в регенератор.

Часть углеводородов, которая во время крекинга превращается в кокс, оседает в виде отложений на ката­лизаторе. Когда поверхность катализатора покрывается отложениями, катализатор становится неактивным (от­работанным). Чтобы удалить эти углеродные отложения, отработанный катализатор подают в регенератор, где его смешивают с горячим воздухом. В результате происходит окисление кокса. Процесс, протекающий в регенераторе, называют выжигом кокса.

Восстановленный катализатор выходит из нижней ча­сти регенератора. Его можно снова смешать с сырьем и направить в реактор. Таким образом, катализатор нахо­дится в непрерывном движении, проходя по циклу кре­кинг—регенерация.

Рис. 1. -Установка каталитического крекинга

Математическая модель каталитического крекинга нефти

Химические процессы, протекающие в реакторе каталитического крекинга, являются сложными и сопровождаются рядом одновременно протекающих химических реакций. Согласно редуцированной модели реактора [3,6,7], эти реакции можно разделить на три вида:

Реакция 1:

Реакция 2:

Реакция 3:

где F – это сырье (гидроочищенный вакуумный дистиллят, иначе газойль), G –целевой продукт (бензин), L –легкие газовые фракции (в частности кокс). Первая реакция желаемая, так как бензин является целевым продуктом. Реакции 2 и 3 являются побочными, следовательно, нежелательными реакциями.

Лифт-реактор считается реактором идеального вытеснения, так как соотношение длины реактора к его диаметру велико, а реакция протекает в течение нескольких секунд.

Ниже приведена математическая модель реактора на основе материальных и тепловых балансов.

Материальный баланс по сырью:

Материальный баланс по выходному продукту:

Где - массовая доля газойля в парах в реакторе; Z - безразмерная переменная длинны; - постоянная скорости реакции образования газойля; - постоянная скорости реакции образования газолина; - постоянная скорости реакции получения углерода; COR – массовое соотношение катализатора к нефти; - активность катализатора во входе в реактор; - энергия активации для крекинг газойля; - температура сырья при поступлении в реактор; - безразмерная переменная температуры; - время нахождения катализатора в реакторе; - коэффициент старения катализатора; - массовая доля газолина в парах в реакторе; - энергия активации для крекинг газолина.

Тепловой баланс:

где - массовая доля газойля в сырье ;- теплота реакции крекинга газойля; - подача сырья (нефть + пар) в реактор; - скорость циркуляции катализатора; - теплоемкость катализатора; - теплоемкость газойля; - теплоемкость пара, - скорость подачи пара.

Регенератор можно представить в виде реактора идеального смешения.

Ниже представлена модель регенератора [3,8]:

Материальный баланс по коксу:

Материальный баланс по кислороду:

Тепловой баланс:

где - масса катализатора в регенераторе; - масса воздуха в регенераторе; - массовая доля кокса в восстановленном катализаторе; - подача воздуха в регенератор; - коэффициент выжига кокса; - массовая доля кокса в использованном катализаторе; - мольная доля кислорода в регенераторе; - соотношение CO2/CO в дымовых газах; - молярная масса кокса; - температура катализатора на выходе из регенератора; - температура на выходе из реактора; - температура воздуха, подаваемого в регенератор; - массовый расход воздуха в регенератор; - теплоемкость воздуха; - тепло, выделяемое при образовании CO; - тепло, выделяемое при образовании CO2.

Управление процессом каталитического крекинга

с использованием прогнозирующих моделей

Управление с использованием прогнозирующих моделей является одним из современных формализованных подходов к анализу и синтезу управления. Прогнозирующий регулятор состоит из двух компонентов: модель процесса и модуль оптимизации (рис. 2) [10].

Рис. 2. -Блок управления с использованием прогнозирующих моделей

С точки зрения алгоритмов регулирования, предпочтительно представление модели в виде вход-выход. Для определения упрощенной модели для процесса каталитического крекинга в работе идентификационная схема представленная на рис. 3.

Рис. 3. -Схема идентификации

Метод идентификации модели изложен в [9]. Фактически, предложенный авторами метод идентификации состоит из трех основных этапов.

Первый шаг заключается в составлении структурной схемы процесса, которая приведена на рисунке 4, где - это температура сырья, , - температуры в реакторе и регенераторе соответственно, - массовая доля кокса на катализаторе, , , - расходы сырья, катализатора и воздуха соответственно.

Рис. 4. Структурная схема процесса каталитического крекинга нефти

Второй шаг заключается в определении вида передаточной функции для каждого канала связи. В этой работе, принимаем, что каждый канал связи может быть охарактеризован апериодическим звеном первого порядка без чистого запаздывания:

Где -коэффициент усиления; -временная постоянная.

Передаточные функции, связанные с реактором обозначены через букву H, связанные регенератором обозначены через G, а общие передаточные функции связанные процессом в целом обозначены буквой F. Передаточные функции реактора и регенератора были определены для статического режима, а передаточная функция всего процесса была найдена путем арифметических вычислений.

Таблица 1

Передаточные функции упрощенной модели процесса каталитического крекинга нефти

Выход

Вход

Температура в реакторе

Температура в регенераторе

Температура сырья

Температура использованного катализатора

Расход сырья

Расход использованного катализатора

Расход воздуха

Последний шаг заключается в определении параметров передаточной функции для каждого канала, которые корректно будут отражать поведение процессов. Метод определения параметров передаточных функций описан в [9].

В таблице 1 приведены связи, которые описывают упрощенную модель процесса после идентификации.

Схема системы управления с использованием прогнозирующих моделей процесса каталитического крекинга нефти приведена на рис. 5.

Рис. 5. -Схема управления процессом каталитического крекинга нефти с использованием прогнозирующих моделей

Основная задача каталитического крекинга нефти заключается в максимизации удельного выхода целевого продукта. Эта цель достигается, когда в реакторе протекает реакция с хорошей степенью превращения, а в регенераторе происходит хороший выжиг кокса. На практике, для достижения наилучшего результата протекания реакций в реакторе регулируется температура реактора, а для достижения наилучшего выжига кокса, соответственно температура в регенераторе.

Моделирования процесса каталитического крекинга нефти

Моделирование системы управления с использованием прогнозирующих моделей производилось для различных значений управляющих параметров (температуры в реакторе и регенераторе) и возмущений. Для регулятора по оценке с прогнозом с несколькими входами и выходами использовались следующие параметры:

-горизонт прогнозирования p=100 шагов;

-период дискретизации Т=4сек;

-горизонт управления M=19.

Проводились три типа экспериментов:

В первом эксперименте поведение системы исследуется при скачкообразном изменении входных параметров регулятора (температура реактора и температура регенератора). На рисунках 6 и 7 представлены переходные процессы для температур реактора и регенератора, вместе с графиками изменения регулирующих параметров (подача катализатора в реактор и подача воздуха в регенератор). Из графиков видно, что многосвязный регулятор по оценке с прогнозом обеспечивает достаточную точность и быстродействие. Система отслеживает уставки без перерегулирования и с нулевой установившейся ошибкой.

Рис. 6. -Динамические характеристики изменения температуры и расхода катализатора в реактор

Рис. 7. -Динамические характеристики изменения температуры и расхода воздуха в регенераторе

Во втором эксперименте изменяются возмущающие параметры. На рисунках 8 и 9 приведены графики изменения входных и выходных параметров во времени, при изменении температуры сырья. Из полученных результатов можно увидеть, что система управления не чувствительна к возмущениям (внешние возмущения компенсируются системой управления).

Рис. 8. -Динамические характеристики изменения температуры и расхода использованного катализатора в реакторе

Рис. 9 -Характеристики изменения температуры и расхода воздуха в регенераторе

Рис. 10. -Динамические характеристики изменения температуры и расхода использованного катализатора в реакторе

Рис. 11. -Динамические характеристики изменения температуры и расхода воздуха в регенераторе

Последний эксперимент заключается в изменении параметров регулятора. При изменении периода дискретизации с 4сек до 8сек увеличивается время переходного процесса.

Заключение

Рассмотрены особенности функционирования системы каталитического крекинга нефти.

Получена математическая модель процесса каталитического крекинга нефти.

Синтезирована система управления для каталитического крекинга нефти.

Разработанная система управления с использованием прогнозирующих моделей демонстрирует удовлетворительные показатели качества процесса.

Система управления не чувствительна к возмущениям, возникающим во время протекания процесса, однако увеличение периода дискретизации может привести к увеличению времени переходного процесса.

Список литературы:

  1. Ахметов С.А, Ишмияров М.Х., Веревкин А.П., Докучаев Е.С., Малышев Ю.М. Технология, экономика и автоматизация процессов переработки нефти. – М.: Химия, 2005. – 670с.

  2. Гаврилов А.И., Пашаева Б.А. Интеллектуальная система управления каталитическим крекингом нефти// Интеллектуальные системы: Труды девятого международного симпозиума/ Под ред. К.А.Пупков 2010. - С. 637-641.

  3. Pashayeva B. Mathematical model of the fluid catalytic cracking for work in testing control systems for the cracking plant/ PCI, Baku, Azerbaijan - Vol.1 – 2010. pp. 328-331.

  4. Mircea C., Agachi S., Marimoiu V. Simulation and Model Predictive Control of a UOP Fluid Catalytic Cracking/ Chemical Engineering and Processing – 2003. - Vol. 42 – 67p.

  5. Loeblein C. and Perkins J.D. Structural Design for On-line Process Optimization: Application to a Simulated FСС/ AIChe Journal – 1999. - Vol 45 – 1015p.

  6. Weekman V. A Model of Catalytic Cracking Conversion in Fixed, Moving and Fluid-Bed Reactors/ Industrial and Engineering Chemistry Process Desing and Development – 1968. – 90p.

  7. Weekman V. and Nace D.M. Kinetics of Catalytic Cracking Selectivity in Fixed Moving and Fluid bed reactors/ AIChE Journal – 1970. – 397p.

  8. Errazu A.F., DeLasa H.I. and Sarti F. A Fluized Bed Catalytic cracking Regenerator model, Grid Effects/ Canadian Journal of Chemical Engineering – 1978. - 191p.

  9. Coleman B., Babu J. Techniques of Model–Based Control - Pretice Hall PTTr, 2002. – 576p.

  10. Bequette W. Process Control Modeling Desing and Simulation - Pretice Hall PTTr, 2003. – 564p.

gigabaza.ru

Управление на основе прогнозирующих моделей в системах каталитического крекинга нефти Текст научной статьи по специальности «Кибернетика»

УДК 007:057:62-50:681.513

УПРАВЛЕНИЕ НА ОСНОВЕ ПРОГНОЗИРУЮЩИХ МОДЕЛЕЙ В СИСТЕМАХ КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА НЕФТИ Б.А. Пашаева, М.П. Фархадов

Рассмотрены особенности функционирования технологической системы каталитического крекинга нефти. Представлена эффективная математическая модель производственной установки для применения в системах прогнозирующего управления. Синтезирован регулятор на основе метода управления динамическими объектами с использованием прогнозирующих моделей. Эффективность подхода подтверждена результатами моделирования процесса каталитического крекинга нефти. Полученные результаты регулирования сравниваются с результатами ПИД-регулирования

Ключевые слова: каталитический крекинг, моделирование, идентификация, прогнозирующее управление, многомерная система управления

Каталитический крекинг является важнейшим процессом в переработке нефти с целью получения бензина. Установка каталитического крекинга предназначена для переработки вакуумного дистиллята с целью получения компонента высокооктанового бензина. Результаты каталитического крекинга определяются в целом такими показателями, как глубина превращения (конверсии) сырья, выход целевых продуктов и их качество. Целевыми продуктами процесса являются бензин и сжиженный газ. Кокс, хотя и фигурирует в материальном балансе процесса (вместе с потерями), но не выводится из установки и полностью сгорает в регенераторе, обеспечивая тепловой баланс реакторного блока.

Управление процессом каталитического крекинга является сложной задачей. Сложность задачи обусловлена следующими проблемами: -процесс имеет нелинейный характер; -объект управления является многосвязным с существенными перекрестными связями;

-разница в постоянных времени для различных подсистем значительна

-существует большое количество неконтролируемых возмущений [1,2].

Одним из подходов к анализу и синтезу системы управления каталитическим крекингом является управление с использованием прогнозирующих моделей [4,5].

В работе рассмотрены вопросы синтеза математической модели процесса каталитического крекинга с использованием прогнозирующих моделей.

Пашаева Бахар Адалят кызы - МГТУ им. Н.Э. Баумана, аспирант, e-mail: [email protected]

Фархадов Маис Паша оглы - ИПУ РАН, д-р техн. наук, заведующий лабораторией, e-mail: [email protected]

Установка каталитического крекинга состоит из двух основных частей: из реактора и регенератора. Центральной частью установки каталитического крекинга является реактор, функционирующий следующим образом: сырье проходит через нагреватель, смешивается с катализатором и поступает в вертикальную трубу (райзер), ведущую в нижнюю часть большого сосуда (отстойная часть реактора). Время пребывания сырья в реакторе — несколько секунд, реакция протекает мгновенно. Основной задачей реактора является отделение углеводородов от катализатора. Это происходит в отстойной зоне реактора. Паровая фаза (прореагировавшее сырье) поднимается вверх и проходя через циклоны направляется в ректификационную колонну для дальнейшей очистки и обработки. Твердая фаза (закоксованный катализатор) за счет разности статических напоров катализатора в реакторе и регенераторе самотеком по наклонной транспортной линии поступает в регенератор.

Часть углеводородов, которая во время крекинга превращается в кокс, оседает в виде отложений на катализаторе. Когда поверхность катализатора покрывается отложениями, катализатор становится неактивным (отработанным). Чтобы удалить эти углеродные отложения, отработанный катализатор подают в регенератор, где его смешивают с горячим воздухом. В результате происходит окисление кокса. Процесс, протекающий в регенераторе, называют выжигом кокса.

Восстановленный катализатор выходит из нижней части регенератора. Его можно снова смешать с сырьем и направить в реактор. Таким образом, катализатор находится в непрерывном движении, проходя по циклу крекинг— регенерация.

Химические процессы, протекающие в реакторе каталитического крекинга, являются

сложными и сопровождаются рядом одновременно протекающих химических реакций. Согласно редуцированной модели реактора [3,6,7], эти реакции можно разделить на три вида: Реакция 1: Г ——® G

Реакция 2: G-Реакция 3: Г-

где Б - это сырье (гидроочищенный вакуумный дистиллят, иначе газойль), в -целевой продукт (бензин), Ь -легкие газовые фракции (в частности кокс). Первая реакция желаемая, так как бензин является целевым продуктом. Реакции 2 и 3 являются побочными, следовательно, нежелательными реакциями.

Рис. 1. Блок управления с использованием прогнозирующих моделей

Управление с использованием прогнозирующих моделей является одним из современных формализованных подходов к анализу и синтезу управления. Прогнозирующий регулятор состоит из двух компонентов: модель процесса и модуль оптимизации (рис. 1) [10].

С точки зрения алгоритмов регулирования, предпочтительно представление модели в виде вход-выход. Для определения упрощенной модели для процесса каталитического крекинга в работе применялась идентификация.

р

Рис. 2. Структурная схема процесса каталитического крекинга нефти Метод идентификации модели изложен в [9]. Фактически, предложенная авторами проце-

дура идентификации реализует три основных этапа.

Первый этап заключается в составлении структурной схемы процесса, которая приведена на рис. 2, где Тсырья - это температура сырья,

Т р , Трег - температуры в реакторе и регенераторе соответственно, С кокс - массовая доля кокса

на КЭТаЛЮЭТОре, Тсырья, 0 кат ’ 0 вохдух - расхОЛы

сырья, катализатора и воздуха соответственно.

Второй этап заключается в определении вида передаточной функции для каждого канала связи. При этом предполагается, что каждый канал связи может быть охарактеризован апериодическим звеном первого порядка без чистого запаздывания:

Передаточные функции, связанные с реактором обозначены через букву Н, связанные регенератором обозначены через в, а общие передаточные функции, связанные процессом в целом обозначены буквой Б. Передаточные функции реактора и регенератора были определены для статического режима, а передаточная функция всего процесса была найдена путем арифметических вычислений.

Последний этап заключается в определении параметров передаточной функции для каждого канала, которые корректно будут отражать поведение процессов. Метод определения параметров передаточных функций описан в [9].

Схема системы управления с использованием прогнозирующих моделей процесса каталитического крекинга нефти приведена на рис.3.

Рис. 3. Схема управления процессом каталитического крекинга нефти с использованием прогнозирующих моделей

Ниже в таблице приведены связи, которые описывают упрощенную модель процесса после идентификации.

Основная задача каталитического крекинга нефти заключается в максимизации удельного выхода целевого продукта. Эта цель достигается, когда в реакторе протекает реакция с хорошей степенью превращения, а в регенераторе происходит хороший выжиг кокса. На практике, для достижения наилучшего результата проте-

кания реакций в реакторе регулируется температура реактора, а для достижения наилучшего выжига кокса, соответственно температура в регенераторе.

Моделирование системы управления производилось для различных настроечных параметров прогнозирующего регулятора. Для регулятора по оценке с прогнозом с несколькими входами и выходами были определены следующие параметры:

-горизонт прогнозирования р=100 шагов; -период дискретизации Т=4сек;

-горизонт управления М=19.

После определения оптимальных настроек проводилось сравнение полученных результатов моделирования с результатами ПИД-

регулирования.

Результаты моделирования и сравнение полученных данных с полученными результатами на основе прогнозирующего регулятора приведены на рисунках 4 и 5.

Для управления температурами в реакторе и регенераторе были реализованы два ПИД-регулятора с настроечными параметрами:

Рр = 165.37;

I р = 7.29;

В р = 0.63;

?3вг

Врем, [чк]

Рис. 4. Переходный процесс для температуры в регенераторе с применением ПИД и УПМ регуляторов

Р р. = 86.46; I р. = 14.37; В ,гг = 3.41;

Рис. 5. Переходный процесс для температуры в регенераторе с применением ПИД и УПМ регуляторов

Заключение

Рассмотрены особенности функционирования технологической системы каталитического крекинга нефти.

Получена математическая модель процесса каталитического крекинга нефти.

Синтезирована система управления для каталитического крекинга нефти.

Разработанная система управления с использованием прогнозирующих моделей демонстрирует удовлетворительные показатели качества процесса.

Прогнозирующий регулятор по сравнению с традиционным ПИД-реулятором показывает более эффективное качество регулирования.

Передаточные функции упрощенной модели процесса каталитического крекинга нефти

^'''^^^Выход Вход Температура в реакторе Температура в регенераторе

Температура сырья вд = 023 ^ , ч 0.004552 + 0.1055 + 0.165

0.0645 +1 '' 21 (5) — 4 3 2 2 0.0006454 + 0.02953 + 0.38652 +1.1635 +1

Температура использованного катализатора ш;2(5) = 079 ^ , ч 0.07552 + 0.395 + 0.61

1 0.0645 +1 ш 22 (5) 4 3 2 2 0.0008454 + 0.04553 + 0.452 +1.1775 +1

Расход сырья - 8 11*10-4 ш (5) = „г -2.059*10-452 -0.000455-0.00072

13 / 0.0625 +1 ш 23(5) — л з ") 0.00 07254 + 0.03153 + 0.3 952 +1.1655 +1

Продолжение таблицы

Расход использованного катализатора W (s) -1751*10-4 W - 2.16*10-7 s4 - 4.12*10-6s3 -3.62*10-5s2

) 0.062s +1 = 0.00037s5 + 0.056s4 + 0.43s3 + 0.89s2 + 1.75s +1 - 8.13*10-5 s - 6.04*10-5 0.00037s5 + 0.056s4 + 0.43s3 + 0.89s2 + 1.75s +1

Расход воздуха Wu(s) - 0 w*« - 00028 0.48s +1

Литература

1. Ахметов С.А, Ишмияров М.Х., Веревкин А.П., Докучаев Е.С., Малышев Ю.М. Технология, экономика и автоматизация процессов переработки нефти. - М.: Химия, 2005. - 670с.

2. Гаврилов А.И., Пашаева Б.А. Интеллектуальная система управления каталитическим крекингом нефти// Интеллектуальные системы: Труды девятого международного симпозиума/ Под ред. К.А.Пупков 2010. - С. 637-641.

3. Pashayeva B. Mathematical model of the fluid catalytic cracking for work in testing control systems for the cracking plant/ PCI, Baku, Azerbaijan - Vol.1 - 2010. pp. 328-331.

4. Mircea C., Agachi S., Marimoiu V. Simulation and Model Predictive Control of a UOP Fluid Catalytic Cracking/ Chemical Engineering and Processing - 2003. - Vol. 42 - 67p.

5. Loeblein C. and Perkins J.D. Structural Design for On-line Process Optimization: Application to a Simulated F^/ AlChe Journal - 1999. - Vol 45 - 1015p.

6. Weekman V. A Model of Catalytic Cracking Conversion in Fixed, Moving and Fluid-Bed Reactors/ Industrial and Engineering Chemistry Process Desing and Development -1968. - 90p.

7. Weekman V. and Nace D.M. Kinetics of Catalytic Cracking Selectivity in Fixed Moving and Fluid bed reactors/ AIChE Journal - 1970. - 397p.

8. Errazu A.F., DeLasa H.I. and Sarti F. A Fluized Bed Catalytic cracking Regenerator model, Grid Effects/ Canadian Journal of Chemical Engineering - 1978. - 191p.

9. Coleman B., Babu J. Techniques of Model-Based Control - Pretice Hall PTTr, 2002. - 576p.

Bequette W. Process Control Modeling Desing and Simulation - Pretice Hall PTTr, 2003. - 564p

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Институт проблем управления Российской академии наук им. В. А. Трапезникова, г. Москва

CONTROL BASED PREDECTIVE MODELS IN CATALITYC CRACKING SYSTEMS B.A. Pashayeva, M.P. Farhadov

The especially the functioning of fluid catalytic cracking plant are considered. An effective mathematical model of catalytic plant for using in predictive control systems is represented. Controller based on control method of dynamic objects with the using of predictive models is created. Effectiveness of the approach is confirmed by the simulation results of the catalytic cracking process. The results are compared with the results of PID control

Key words: catalytic cracking, modeling, model predictive control, multivariate control system

cyberleninka.ru

Механизм каталитического крекинга углеводородов нефти

    В связи с изложенными результатами было целесообразно исследовать влияние температуры на реакцию взаимодействия между этиле-ном.и дейтерием на неметаллических поверхностях. Выбор в качестве твердых поверхностей природной (диатомит) и синтетической (силикагель) двуокиси кремния обусловлен тем, что они широко используются в промышленных каталитических процессах диатомит — в качестве носителя главным образом для катализаторов гидрирования (и прежде всего гидрирования окиси углерода) силикагели — как компоненты алюмосиликатных катализаторов крекинга углеводородов нефти. Естественно, что изучение особенностей взаимодействия дейтерия с этиленом на диатомите и силикагелях существенно поэтому и для выяснения механизма синтеза и крекинга углеводородов на указанных катализаторах сложного состава. Методика исследования дейтерообмена, масс-спектрального анализа продуктов, расчет спектра масс описаны в [13] и [14]. [c.451]     В этом разделе мы рассмотрим вопросы термодинамики, химизма и механизма превращений углеводородов в ряде процессор тер.мической и термокаталитической переработки нефти, а имеилО в процессах пиролиза, термического крекинга, каталитического крекинга, гидрокрекинга и риформинга, а также в процессах изомеризации, алкилирования и ступенчатой полимеризации углеводородов, [c.110]

    В качестве наиболее типичного примера реакций, протекающих по механизму общего кислотного катализа, являются каталитические превращения углеводородов нефти, имеющие место в таких важных в нефтепереработке процессах, как каталитический крекинг, изомеризация и алкилирование. [c.427]

    Крекинг газойля. Основная область применения цеолитных катализаторов в промышленности связана с процессом каталитического крекинга дистиллятов первичной перегонки нефти, содержащих алифатические, циклоалифатические (нафтеновые), олефиновые и ароматические углеводороды. При каталитическом крекинге нефтяных фракций протекают реакции дезалкилирования ароматических соединений, крекинга парафинов и олефинов, перераспределения водорода и циклизации олефинов. С основными представлениями о механизмах реакций, которые вносят вклад в процесс крекинга нефтяного сырья на цеолитных катализаторах, мы уже познакомились в предыдущих разделах этой главы. Однако использовать эти представления для анализа превращений отдельных классов углеводородов в крекинге все-таки очень трудно, так как продукты крекинга отличаются очень сложным составом. Первые работы Планка и Росин-ского [161, 297] по крекингу газойля, выкипающего в интервале 260—400° С, показали, что замена алюмосиликатного катализатора на цеолиты типа X дает следуюгцие преимущества 1) более высокую активность, которая сохраняется даже при повышенных содержаниях остаточного кокса, 2) более высокую селективность по бензину (Сз+) и снижение выхода газа (С4-) и кокса, 3) более высокую стабильность при термических и термопаровых обработках, характерных для процесса регенерации катализатора. Эти преимущества становятся еще более заметными при использовании в качестве катализаторов кальций-аммонийной и редкоземельно-аммонийной форм цеолита X. Моску и Моне [148] исследовали влияние жесткости термических и термопаровых обработок катализаторов РЗЭ-Х и РЗЭ- на эффективность крекинга газойля, выкипающего при 272—415° С. Они пришли к выводу, что удаление наиболее сильных кислотных центров в высокотемпературных условиях благоприятно сказывается на повышении выходов бензина. Для того чтобы рассмотреть причины повышения селективности по бензину, обратимся к последовательности превращения газойля, кинетическая модель которого [схема (71)] была разработана Уикманом и Нейсом [298]. В соответствии с этой моделью при первичном крекинге (эта стадия на схеме обозначена символом происходит образование бензина и некоторого количества газа, а также кокса, тогда как при вторичном крекинге (А ,) расщеплению подвергается бензин. [c.109]

    В результате бурного развития в нашем веке автомобильной и нефтяной промышленности, и особенно благодаря открытию термического и каталитического крекинга, из нефти стали производить огромные количества легких углеводородов. Катионная полимеризация и алкилирование играли главную роль в использовании этих легких углеводородов для получения разнообразных продуктов моторного топлива, смазочных масел, бутилкаучука, добавок к смазочным маслам, синтетических детергентов и т. д. Хотя в настоящее время все большее количество легких олефинов, этилена и пропилена, полимеризуют по анионному механизму с образованием твердых полимеров, значительно большие их количества до сих пор перерабатывают посредством катионных реакций. [c.184]

    В книге, завершающей серию, рассмотрены актуальные вопросы и описаны важнейшие достижения в области переработки нефти и нефтехимической промышленности. Содержание книги разбито на разделы экономика и направления дальнейшего развития (состав нефтей и его влияние на схему переработки) процессы нефтепереработки (крекинг углеводородов, газификация нефтяных фракций, процессы депарафинизации, свойства и состав консистентных смазок) нефтехимическая промышленность — процессы и продукты (термическое и каталитическое гидродеалкилирование, механизмы реакций углеводородов, карбоний-ионы) применение нефтепродуктов (нитропарафины как топливо, стабильность нефтяных топлив, присадки к топливам). [c.4]

    Помещенные в сборнике № 1 статьи, появившиеся в течение последних двух лет, дают материал, отображающий различные стороны проблемы синтеза моторных топлив. Здесь дана посмертная статья Ф. Уитмора, излагающая теоретические обоснования современных методов переработки нефти алкилирования, полимеризации и изомеризации, одинаково важных для синтеза как индивидуальных углеводородов, так и их смесей. Помещены статьи по синтезу одного из важнейших компонентов топлива—триптана. Ряд статей по механизму изомеризации индивидуальных олефиновых углеводородов представляет интерес сточки зрения освещения задач и возможностей дальнейшего прогрессивного развития каталитического крекинга и деструктивной гидрогенизации. Включена статья по химизму действия различных гидрирующих контактов в промышленном процессе деструктивного гидрирования каменноугольных смол идр. [c.6]

    Вполне самостоятельный и оригинальный цикл составляют его исследования по изучению механизма и кинетики реакций избирательной каталитической гидрогенизации непредельных углеводородов. Наконец, нельзя не отметить третью серию исследований С. В. Лебедева — каталитические превращения непредельных углеводородов под воздействием природных алюмосиликатных пород (активных глин). Эти исследования привлекли внимание ученых многих стран и оказали значительное влияние на развитие такого важного технологического процесса переработки нефти, как каталитический крекинг. [c.6]

    В то время, когда в Германии велась лабораторная разработка процесса изосинтеза, в США началось широкое промышленное внедрение каталитического крекинга нефти. Оба эти процесса предназначались в основном для производства авиационного бензина [7]. По вопросу о механизме процесса каталитического крекинга указывалось [8] Большая часть гипотез, затрагивающих вопрос о механизме каталитического крекинга, основывается на относительном выходе получаемых продуктов. Изучение крекинга индивидуальных углеводородов показало весьма быстрое протекание многих вторичных реакций, вследствие чего первичные реакции крекинга в значительной мере маскируются, и какие-либо заключения относительно природы первичных продуктов, получаемых нрп каталитическом крекинге, основывающиеся на экстраполяции состава продукта к моменту ноль, становятся в значительной стененн недостоверными. . . Продукты каталитического крекинга характеризуются высоким относительным содержанием алканов изостроения (превышающим вычисленное на основании термодинамического равновесия при темнературе крекинга) и высоким содержанием ароматических компонентов в высококипящих фракциях . [c.333]

    Другой характерной чертой состава нефти, подтверждающей механизм образования иона карбония, является большое количество изопарафинов, обнаруживаемых в большинство бензинов прямой гонки, хотя все без исключения жирные кислоты всегда имеют нормальные углеродные цепи. Бензин каталитического крекинга содержит большое количество изопарафиновых углеводородов. Во многих реакциях перераспределения, исследованных Уайтмором [62], наблюдается замена метильной группы. Гринфельдер, Фог и Гуд считают, что это перераспределение осуществляется заменой метильной группы ионом карбония. [c.90]

    После небольшой доработки генераторы были использованы для производства газов из легких нефтей. В таком процессе нефть инжектируется в киняпций слой коалита и,, контактируя с горячими частицами, подвергается крекингу. Механизм реакций сильно напоминает каталитический или термический крекинг углеводородов. [c.60]

    Индивидуальные газообразные углеводороды, которые получаются либо непосредственно из сырой нефти или природного газа, либо путем крекинга более тяжелых нефтепродуктов, используются для производства химических продуктов, пластмасс и синтетического каучука (см. гл. XIII) или как сырье процессов каталитического превращения — полимеризации и алкилирования, ведущих к получению жидких углеводородов (см. гл. II). Большинство процессов каталитического превращения базируется на использовании реакционной способности олефинов и диолефинов, которые содержатся в газе. Часто ненасыщенные соединения получают дегидрированием пли деметанизацией насыщенных углеводородов приблизительно такого же молекулярного веса. Так, этан моншо дегидрировать в этилен, а пропан либо дегидрировать в пропилен, либо разложить па этилен и метан. Эти и подобные реакции [1 —10]1 имеют место в термических процессах, протекающих при 550—750° С. Термическое разложение Taiioro типа легко объясняется радикальным механизмом. По существу аналогичный характер имеют реакции разложения жидких углеводородов. Тел не менее дегидрирование H-oj xana и к-бутиленов, которое [c.296]

    Особого внимания засл живают исследования каталитических превращений ОСС в щэис тствии промышленных катализаторов гидроочистки, ппатформинга и крекинга, которые генетически связаны с превращениями углеводородов, выполненных ранее Р.Д. Оболенцевым. На основании результатов исследований термодинамики, кинетики и механизма реакций гид-рогенолиза ОСС дано теоретическое обоснование процесса гидроочистки. Выявлена возможность гидрообессеривания высокосернистых нефтей, В результате этих исследований впервые показана возможность применения гетерогсшных катализаторов для ускорения реакций ОСС. Распространенное мнение, что ОСС в основном являются контактными ядами, не подтвердилось, что оказалось чрезвычайно важным для разработки новых технологических процессов с участием соединений серы. [c.197]

    Мы надеемся, что предлагаемый обзор послужит частично восполнению пробелов в информации по этим вопросам. Обзор открывается статьей, в которой обобщаются основные выводы более 130 публикаций по изучению с помощью меченых атомов механизма превращений углеводородов при изомеризации, алкилиро1вании, гидрогенизации и дегидрогенизации, ароматизации, крекинге, пиролизе, окислении и некоторых других процессах. Последующие 6 статей являются результатами исследований лаборатории кинетики и катализа Института нефте- и углехимического синтеза г. Ангарска и лаборатории контактно-каталитических реакций Института органической химии АН СССР в Москве. [c.3]

    Изучение каталитической роли галогенидов алюминия Г. Г. Густавсон (наряду с французскими химиками) продолжал до начала XX столетия [309—317]. Он подробно исследовал механизм реакций, полемизировал с Фриделем по этому вопросу, отстаивая точку зрения, что в каталитическом действии А1Хз решающая роль принадлежит промежуточным алюминий органическим комплексам, которые играют роль фермента . Исследования Г. Г. Густавсона выдвигали большое число новых вопросов и стимулировали их решение. Поэтому реакции Густавсона — Фриделя — Крафтса стали предметом разработок многочисленных русских и иностранных авторов. Б. Н. Меншуткин [318] в результате длительных работ пришел к отрицанию комплексов Г. Г. Густавсона, и этот взгляд в дальнейшем получил очень широкое распространение. Результаты же современных работ приводят академика Б. А. Казанского [319] к заключению, что существование комплексов галоидных солей алюминия с ароматическими углеводородами не только не опровергается, но получает полное подтверждение. Г. Г. Густавсон сейчас по праву считается пионером той отрасли химии и технологии нефти, которая известна нод названием крекинга с хлористым алюминием . Б советский период выдающаяся заслуга в возрождении и продолжении работ Г. Г. Густавсона принадлежит Н. Д. Зелинскому и его школе. [c.153]

chem21.info

Математическая модель каталитического крекинга нефти

Химические процессы, протекающие в реакторе каталитического крекинга, являются сложными и сопровождаются рядом одновременно протекающих химических реакций. Согласно редуцированной модели реактора [3,6,7], эти реакции можно разделить на три вида:

Реакция 1:

Реакция 2:

Реакция 3:

где F – это сырье (гидроочищенный вакуумный дистиллят, иначе газойль), G –целевой продукт (бензин), L –легкие газовые фракции (в частности кокс). Первая реакция желаемая, так как бензин является целевым продуктом. Реакции 2 и 3 являются побочными, следовательно, нежелательными реакциями.

Лифт-реактор считается реактором идеального вытеснения, так как соотношение длины реактора к его диаметру велико, а реакция протекает в течение нескольких секунд.

Ниже приведена математическая модель реактора на основе материальных и тепловых балансов.

Материальный баланс по сырью:

Материальный баланс по выходному продукту:

Где - массовая доля газойля в парах в реакторе; Z - безразмерная переменная длинны; - постоянная скорости реакции образования газойля; - постоянная скорости реакции образования газолина; - постоянная скорости реакции получения углерода; COR – массовое соотношение катализатора к нефти; - активность катализатора во входе в реактор; - энергия активации для крекинг газойля; - температура сырья при поступлении в реактор; - безразмерная переменная температуры; - время нахождения катализатора в реакторе; - коэффициент старения катализатора; - массовая доля газолина в парах в реакторе; - энергия активации для крекинг газолина.

Тепловой баланс:

где - массовая доля газойля в сырье ; - теплота реакции крекинга газойля; - подача сырья (нефть + пар) в реактор; - скорость циркуляции катализатора; - теплоемкость катализатора; - теплоемкость газойля; - теплоемкость пара, - скорость подачи пара.

Регенератор можно представить в виде реактора идеального смешения.

Ниже представлена модель регенератора [3,8]:

Материальный баланс по коксу:

Материальный баланс по кислороду:

Тепловой баланс:

где - масса катализатора в регенераторе; - масса воздуха в регенераторе; - массовая доля кокса в восстановленном катализаторе; - подача воздуха в регенератор; - коэффициент выжига кокса; - массовая доля кокса в использованном катализаторе; - мольная доля кислорода в регенераторе; - соотношение CO2/CO в дымовых газах; - молярная масса кокса; - температура катализатора на выходе из регенератора; - температура на выходе из реактора; - температура воздуха, подаваемого в регенератор; - массовый расход воздуха в регенератор; - теплоемкость воздуха; - тепло, выделяемое при образовании CO; - тепло, выделяемое при образовании CO2.

studlib.info

Синтез системы управления процессом каталитического крекинга нефти с использованием прогнозирующей модели. Б.А. Пашаева. Каталитический крекинг нефти

И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Министерство образования и науки Российской Федерации Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина «УТВЕРЖДАЮ» Проректор по учебной

Подробнее

Таблица 1 Значение коэффициента г 20

Коксование нефтяных остатков Характеристика процесса Основной целью процесса коксования является получение нефтяного кокса продукта реакций уплотнения, протекающих под действием высоких температур Одновременно

Подробнее

И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Министерство образования и науки Российской Федерации Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина ПРОГРАММА вступительных испытаний

Подробнее

Лекция 10 Автоматизация теплообменников

Лекция 0 Автоматизация теплообменников Тепловые процессы играют значительную роль в химической технологии. Химические реакции веществ, а также их физические превращения, как правило, сопровождаются тепловыми

Подробнее

О. Ю. Ерешкина, Н. Г. Гаманюк

О. Ю. Ерешкина, Н. Г. Гаманюк МОДЕЛИРОВАНИЕ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕ- НИЯ В ПРОГРАММЕ SIAM Организация управлением любой социально-экономической или производственной системой является сложной научно-технической

Подробнее

Источники углеводородов

Источники углеводородов Природный газ Попутный нефтяной газ Нефть Каменный уголь } Состав природного газа: СН4 С2Н6 С4Н10 С5Н12 N2 и другие газы 80-97% 0,5-4,0% 0,1-1,0% 0-1,0% 2 13% Преимущества перед

Подробнее

ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е.АЛЕКСЕЕВА» ОБЩАЯ

Подробнее

Баширова Э.М., Свободина Н.Н.

1 УДК 62.179.14 Баширова Э.М., Свободина.. ОЦЕКА ТЕКУЩЕГО СОСТОЯИЯ МЕТАЛЛА ЕФТЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАИЯ С ПОМОЩЬЮ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕДАТОЧОЙ ФУКЦИИ Оборудование, используемое для переработки нефти, работающее

Подробнее

1. ПРЯМАЯ И ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ

1. ПРЯМАЯ И ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ Прямая связь увеличивает быстродействие системы. Идея прямой связи подать на вход управляемого объекта сигнал без задержки. Система, в которой есть только прямая связь, называется

Подробнее

Порядок выполнения работы

Расчет системы автоматического регулирования наклона отвала автогрейдера Цель работы: 1. Изучить и дать описание принципа действия САР.. Изучить структуру САР.. Вывести выражения, для передаточных функций

Подробнее

Обзор рынка нефтяного битума в России

Объединение независимых консультантов и экспертов в области минеральных ресурсов, металлургии и химической промышленности Обзор рынка нефтяного битума в России Москва Февраль, 2007 Содержание Аннотация...

Подробнее

Химическая технология

1. Цели и задачи дисциплины Целью дисциплины «Технология переработки нефти и газа» является получение знаний о теоретических основах и технологии основных процессов, применяемых на современных нефтеперерабатывающих

Подробнее

ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого Факультет естественных

Подробнее

docplayer.ru

Математическая модель каталитического крекинга нефти

Химические процессы, протекающие в реакторе каталитического крекинга, являются сложными и сопровождаются рядом одновременно протекающих химических реакций. Согласно редуцированной модели реактора [3,6,7], эти реакции можно разделить на три вида:

Реакция 1:

Реакция 2:

Реакция 3:

где F – это сырье (гидроочищенный вакуумный дистиллят, иначе газойль), G –целевой продукт (бензин), L –легкие газовые фракции (в частности кокс). Первая реакция желаемая, так как бензин является целевым продуктом. Реакции 2 и 3 являются побочными, следовательно, нежелательными реакциями.

Лифт-реактор считается реактором идеального вытеснения, так как соотношение длины реактора к его диаметру велико, а реакция протекает в течение нескольких секунд.

Ниже приведена математическая модель реактора на основе материальных и тепловых балансов.

Материальный баланс по сырью:

Материальный баланс по выходному продукту:

Где - массовая доля газойля в парах в реакторе; Z - безразмерная переменная длинны; - постоянная скорости реакции образования газойля; - постоянная скорости реакции образования газолина; - постоянная скорости реакции получения углерода; COR – массовое соотношение катализатора к нефти; - активность катализатора во входе в реактор; - энергия активации для крекинг газойля; - температура сырья при поступлении в реактор; - безразмерная переменная температуры; - время нахождения катализатора в реакторе; - коэффициент старения катализатора; - массовая доля газолина в парах в реакторе; - энергия активации для крекинг газолина.

Тепловой баланс:

где - массовая доля газойля в сырье ; - теплота реакции крекинга газойля; - подача сырья (нефть + пар) в реактор; - скорость циркуляции катализатора; - теплоемкость катализатора; - теплоемкость газойля; - теплоемкость пара, - скорость подачи пара.

Регенератор можно представить в виде реактора идеального смешения.

Ниже представлена модель регенератора [3,8]:

Материальный баланс по коксу:

Материальный баланс по кислороду:

Тепловой баланс:

где - масса катализатора в регенераторе; - масса воздуха в регенераторе; - массовая доля кокса в восстановленном катализаторе; - подача воздуха в регенератор; - коэффициент выжига кокса; - массовая доля кокса в использованном катализаторе; - мольная доля кислорода в регенераторе; - соотношение CO2/CO в дымовых газах; - молярная масса кокса; - температура катализатора на выходе из регенератора; - температура на выходе из реактора; - температура воздуха, подаваемого в регенератор; - массовый расход воздуха в регенератор; - теплоемкость воздуха; - тепло, выделяемое при образовании CO; - тепло, выделяемое при образовании CO2.

4-i-5.ru