Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

FEEDSTOCK COMPOSITION OPTIMIZATION AT NAPHTHA CATALYTIC REFORMING AND C5-C6 ISOMERIZATION UNITS WITH THE HELP OF «HYSYS IZOMER ACTIV» SIMULATOR

Chekancev N.V. 1 Ivanchina E.D. 1 Chuzlov V.A. 1 Kurtukov V.A. 1
1 National Research Tomsk Polytechnic University
В данной статье представлен способ оптимизации работы установок каталитической изомеризации и каталитического риформинга бензинов совместно с блоком колонн разделения с использованием метода математического моделирования. Подбор оптимальных режимов работы колонн разделения позволяет добиться желаемого разделения потоков между установками, а также повысить их загрузку по сырью. Авторами показано, что выбор оптимальных технологических условий сопряженных процессов каталитического превращения углеводородов и ректификации позволит снизить содержание гептановых углеводородов и тем самым продлить срок службы катализатора СИ-2 на промышленной установке Л–35–11/300. Данный вывод подтверждается представленными результатами моделирования различных режимов работы реактора изомеризации и колонн. Оптимизация состава сырья позволяет проводить процесс за счет снижения содержания С7+.
The mathematical method of optimization of naphtha catalytic reforming and C5-C6 isomerization units operation combined with separation unit was proposed. Selection of optimal modes of separation columns allows achieving the desired flows separation between units, as well as increasing their raw material load. Selection of optimal process conditions of coupled processes of hydrocarbons catalytic conversion and rectification will reduce the heptane hydrocarbons content and thereby extend the life of the SI-2 catalyst at the industrial unit L-35-11/300. This conclusion is confirmed by the simulation results presented for the various modes of operation of the isomerization reactors and columns. Optimization of raw material composition allows reducing the content of C7+.
mathematical simulation
isomerization
reforming
column
1. Axmetov S.A., Ishmiyarov M.X., Kaufman A.A. Texnologiya pererabotki nefti, gaza i tvyordyx goryuchix iskopaemyx. Sankt-Peterburg: Nedra, 2009. 827 р.
2. Ivanchina E›.D., Chekancev N.V., Chuzlov V.A., Smol›yanova Yu.A. , Turanosov A.V. Optimizaciya processa izomerizacii pentan-geksanovoj frakcii s ispol›zovaniem kompleksnoj matematicheskoj modeli HYSYS-IZOMER // Neftepererabotka i nefteximiya. 2012. Vyp. 12. рр. 9–13.
3. Kravcov A.V., Ivanchina E›.D., Kostenko A.V., Chekancev N.V., Gyngazova M.S. Uchet reakcionnoj sposobnosti uglevodorodov i potenciala katalizatora v inovacionnyx texnologiyax monitoringa promyshlennyx processov riforminga i izomerizacii benzinov //Neftepererabotka i nefteximiya. Nauchno-texnicheskie dostizheniya i peredovoj opyt, 2008. no. 9 pp. 10–16.
4. Kravcov A.V., Belyj A.S., Ivanchina E›.D., Smolikov M.D., Kir›yanov D.I., Kostenko A.V., Sharova E.S., Chekancev N.V. Optimizaciya vnutrennix ustrojstv reaktorov riforminga i izomerizacii s radial›nym napravleniem dvizheniya syr›ya metodom matematicheskogo modelirovaniya // Neftepererabotka i nefteximiya. Nauchno-texnicheskie dostizheniya i peredovoj opyt, 2009. no. 3 pp. 36-44.
5. Chekancev N.V., Kravcov A.V., Dubrova T.V. Formalizovannyj mexanizm prevrashhenij uglevodorodov pentan-geksanovoj frakcii na poverxnosti bifunkcional›nyx Pt-katalizatorov izomerizacii // Izvestiya Tomskogo politexnicheskogo universiteta. 2008. t. 312. no. 3. pp. 34–37.

Цель работы: повышение эффективности установок изомеризации и риформинга, а также интенсификация работы блока вторичной ректификации с использованием метода математического моделирования за счет оптимального распределения сырьевых ресурсов.

Прямогонные бензиновые фракции, получаемые при первичной переработке нефти и газового конденсата, обычно содержат значительное количество линейных парафинов с низким октановым числом и не пригодны для использования в качестве автомобильного топлива. В России наиболее распространённым процессом получения высокооктановых бензинов является риформинг, однако моторное топливо, полученное в ходе этого процесса, не отвечает высоким стандартам ЕВРО-3, ЕВРО-4 и ЕВРО-5 из-за высокого содержания ароматических углеводородов. По этой причине существует необходимость организации производства высокооктановых неароматических компонентов, а именно алкилатов, олигомеризатов, изомеризатов. Изомеризаты представляют наибольший практический интерес вследствие их относительно низкой себестоимости и доступности сырья.

Целевым назначением процесса изомеризации в современной нефтепереработке является получение высокооктановых изоалканов. Высокая эффективность процесса изомеризации заключается в том, что в качестве сырья используются низкооктановые компоненты нефти – фракции н.к. – 62 °С и рафинаты каталитического риформинга, содержащие в основном н-пентаны и н-гексаны. В процессе изомеризации происходит перегруппировка молекулярной структуры нормальных парафинов в их изомеры с более высоким октановым числом. Однако помимо парафинов, изомеризации подвергаются и другие классы углеводородов [5]. Рассмотрим основные реакции превращения углеводородов в процессе изомеризации:

Изомеризация парафинов:

for_2.wmf

for_3.wmf

Превращения нафтенов:

for_4.wmf

Превращения бензола:

for_5.wmf

Гидрирование нафтеновых углеводородов и ароматических углеводородов:

for_6.wmf

for_7.wmf

Ароматические углеводороды – бензол, толуол, ксилолы – являются ценным сырьём нефтехимии. В России около 50 % всего бензола и 90 % толуола и ксилолов получают на установках каталитического риформинга. На промышленных установках в качестве сырья используют фракцию 62–105 °С. Нижняя граница кипения этой фракции выбрана так, чтобы при ректификации бензина преобладающая часть изогексанов попала в головную фракцию, используемую в качестве компонента автотоплив. Ароматические углеводороды в процессе риформинга образуются за счёт [1]:

1) дегидрирования шестичленных цикланов

for_8.wmf for_9.wmf

for_10.wmf

2) дегидроизомеризации циклопентанов

for_11.wmf

3) дегидроциклизации (С5 или С6-дегидроциклизации) парафиновых углеводородов

for_12.wmf

Ресурсоэффективность процессов риформинга и изомеризации зависит от правильного разделения сырья между установками, что определяется режимами работы колонн блока вторичной перегонки бензинов.

Моделирование блока ректификации проводилось в среде программного пакета HYSYS, исследование процесса изомеризации проводилось с помощью программы IZOMER, риформинга – с использованием программы Aktiv [2-4]. На рис. 1 представлена схема блока вторичной ректификации АТ-6.

С верха колонны К-8 отбирают газы С2–С4. Из стабильного бензина в колонне К-5 отбирают фракцию н.к. 105 °С. Пары этой фракции конденсируют, затем балансовая часть конденсата подаётся в колонну К-3. С верха колонны К-3 отбирают фракцию н.к. 62 °С, с куба – 62–105 °С.

Следует отметить, что практически все действующие производства на основе каталитических процессов работают не в оптимальном режиме и имеют большие резервы по экономическим и технологическим критериям ввиду отсутствия такой комплексной модели. Увеличение выхода продуктов колонн блока вторичной ректификации обеспечивает повышение нагрузки на установки изомеризации и риформинга.

На первом этапе оптимизации работы колонн блока АТ-6 были найдены оптимальные параметры для заданного состава сырья (дата отбора 15.04.2010). Параметры работы колонны К-8 подбирались таким образом, чтобы максимально отделить лёгкие газы С2–С4, а также увеличить выход нижнего продукта для повышения нагрузки на колонну К-5. Результаты исследований приведены в табл. 1.

Из данных, приведённых в табл. 1, для колонны К-8 при заданном составе сырья необходимо поддерживать температуру в кубе на уровне 173 °С и температуру в конденсаторе на уровне 65 °С, т.к. при таких условиях наблюдается наилучшее отделение углеводородов С2-С4 и максимальный выход нижнего продукта колонны.

pic_195.tif

Рис. 1. Схема блока перегонки бензинов (АТ-6)

Таблица 1

Результаты исследований режимов работы К-8

Температура

Сумма С2–С4, % мас.

Количество продукта, кг/ч

Куб

173

0,23

107372,25

188

0,21

97112,37

Конденсатор

   

72

0,23

107372,25

68

0,29

114541,22

65

0,51

127014,30

Режим работы колонны К-5 должен быть подобран так, чтобы обеспечить высокий выход фракции н.к. 105 °С для повышения нагрузки на К-3.

По данным табл. 2, наибольший выход фр. н.к. 105 °С достигается при температуре куба колонны К-5 – 160 °С и температуре конденсатора – 102 °С.

Таблица 2

Результаты исследований режимов работы К-5

Температура

Количество продукта, кг/ч

Куб

168

25553,17

160

25587,86

Конденсатор

102

24313,05

104

25587,86

Состав сырья изменяется в широких приделах, поэтому невозможно подобрать универсальные оптимальные параметры. С применением разработанной комплексной моделирующей системы были рассчитаны оптимальные параметры работы колонн К-8 и К-5 для получения максимальной загрузки колонны К-3 (табл. 3).

Таблица 3

Режимы работы колонн блока вторичной ректификации АТ-6 в зависимости от состава входного сырья

Дата

К-8

Температура, °С

Кол-во продукта, кг/ч

Прирост, %

Куб

Конденсатор

   

17.05.2010

180

64

38894,33

43830,54

12,69

19.05.2010

183

68

29355,20

38601,38

31,50

24.05.2010

185

70

31208,99

40038,75

28,29

26.05.2010

183

68

25319,93

35199,56

39,02

02.06.2010

181

66

39875,60

45326,64

13,67

Дата

К-5

Температура, °С

Кол-во продукта, кг/ч

Прирост, %

Куб

Конденсатор

   

17.05.2010

168

108

109987,48

114410,06

4,02

19.05.2010

168

110

108062,68

119305,98

10,40

24.05.2010

175

112

99305,90

112389,39

13,17

26.05.2010

173

110

112396,19

121550,06

8,14

02.06.2010

171

108

108638,83

112913,99

3,94

В соответствии с данными, представленными в табл. 3, различный состав сырья оказывает значительное влияние на режимы в колоннах вторичной ректификации. В зависимости от состава перерабатываемого сырья температуру куба колонны К-8 необходимо поддерживать на уровне 173–185 °С, конденсатора 65–70 °С, температуру куба колонны К-5 160–175 °С, конденсатора 104–112 °С.

Исследование влияния режимов работы колонны К-3 на октановое число изомеризата проводились с использованием компьютерной моделирующей системы IZOMER, представляющей собой программно реализованную математическую модель реакторного блока процесса изомеризации на катализаторе СИ-2.

Для обоснования достоверности исследований выполнена проверка на адекватность математической модели реальному процессу по экспериментальным данным с установки Л-35-11/300 ООО «КИНЕФ». Результаты расчета, приведенные на рис. 2, показывают незначительное отклонение рассчитанных значений октанового числа от экспериментальных. Это подтверждает возможность проведения исследований по совершенствованию процесса изомеризации с использованием компьютерной моделирующей системы IZOMER.

pic_196.tif

Рис. 2. Сравнение рассчитанных с использованием модели и экспериментальных значений октанового числа изомеризата, определенное по исследовательскому методу (ОЧИ):1 – расчёт, 2 – эксперимент

В ходе проведённых исследований была решена проблема оптимального распределения потоков между установками. Такие компоненты, как нормальный гексан и метилциклопентан имеют очень близкие температуры кипения и не могут быть разделены в колонне К-3, возникает вопрос совместного отделения данных компонентов в качестве верхнего или нижнего продукта. В соответствии с химизмом процессов изомеризации и риформинга, представленном выше, данные компоненты превращаются в целевые продукты, поэтому для нахождения оптимальной степени разделения было изучено влияние параметров колонны К-3 на октановое число изомеризата и выход ароматических углеводородов риформата.

Результаты влияния режимов работы колонны К-3 на октановое число изомеризата и содержание ароматики в риформате для заданного состава сырья (дата отбора 15.04.2010) приведены на рис. 3–5 и табл. 4.

pic_197.wmf

Рис. 3. Влияние температуры куба К-3 на ОЧ изомеризата и содержание ароматики в риформате:1 – приращение ОЧ; 2 – приращение ароматики

Как видно из рис. 3, оптимальная температура куба колонны составляет 119–120 °С, при этом содержание метилциклопентана во фракции н.к. 62 °С – 59 % мас.

pic_198.wmf

Рис. 4. Влияние температуры куба К-3 на ОЧ изомеризата и содержание ароматики в риформате:1 – приращение ОЧ; 2 – приращение ароматики (дата отбора сырья 24.05.2010)

pic_199.wmf

Рис. 5. Влияние температуры куба К-3 на ОЧ изомеризата и содержание ароматики в риформате:1 – приращение ОЧ; 2 – приращение ароматики (дата отбора сырья 20.04.2010)

Таблица 4

Распределение метилициклопентана (МЦП) и н-гексана между установками риформинга и изомеризации

Дата отбора

Температура куба, °С

Соотношение МЦП

Соотношение н-гексана

Фр. н.к. 62 °С

Фр. 62-105 °С

Фр. н.к. 62 °С

Фр. 62-105 °С

15.04.2010

112

58,49

41,51

67,66

32,34

119

59,25

40,75

78,09

21,91

120

59,36

40,64

80,91

19,09

125

60,60

39,40

94,99

5,01

24.05.2010

129

61,74

38,26

61,54

38,46

130

63,12

36,88

63,24

36,76

135

73,35

26,65

71,76

28,24

140

88,57

11,43

91,72

8,28

20.04.2010

115

63,24

36,76

60,11

39,89

125

63,56

36,44

62,72

37,28

133

65,82

34,18

74,96

25,04

145

76,27

23,73

94,20

5,80

Из приведенных данных видно, что в зависимости от состава перерабатываемого сырья для достижения оптимального соотношения МЦП и н-гексана в дистилляте и кубовом остатке необходимо изменять режим работы колонны К-3 в широких пределах (температура куб 119–133 °С). Для наилучшей работы установок следует поддерживать соотношение МЦП во фракции н.к. 62 °С в интервале 60–70 % мас., н-гексана 60–80 % мас.

Одним из негативных показателей качества сырья процесса изомеризации является содержание углеводородов С7+. Повышенное содержание этих углеводородов приводит к протеканию экзотермических реакций гидрокрекинга и дезактивации катализатора. Выполненные расчеты на модели показали, что тепловой режим ребойлера колонны К-3 в значительной степени влияет на концентрацию углеводородов С7+ в сырье изомеризации (фр. н. к. 62 °С). На рис. 6 представлена зависимость концентрации углеводородов С7+ в сырье изомеризации от температуры низа К-3 при различных составах фракции н.к. 105 °С.

pic_200.tif

Рис. 6. Содержание С7+ в сырье изомеризации в зависимости от тепловой нагрузки на ребойлер колонны К-1

Повышение температуры низа колонны К-3 приводит к нежелательному увеличению содержания тяжелых углеводородов в сырье изомеризации. Таким образом, с использованием комплексной математической модели можно подобрать оптимальный режим работы колонн вторичной ректификации бензинов с минимальным содержанием углеводородов С7+ в сырье изомеризации.

Выводы

1. Проведённые исследования позволят повысить ресурсоэффективность процессов изомеризации и риформинга за счёт оптимизации режимов работы колонн блока перегонки бензинов АТ-6.

2. Была решена проблема оптимального распределения сырья в колонне К-3 между установками риформинга и изомеризации. В зависимости от состава входного сырья установки АТ-6 для обеспечения степени разделения н-гексана в дистилляте на уровне 61–80 %, метилциклопентана на уровне 60–70 % в колонне К-3 необходимо поддерживать температуру куба в интервале 119–133 °С.

3. Выполненные исследования показали, что изменение содержания С7+ в фр. н.к. 105 °С в интервалах 9,23–11,99 приводит к повышению содержания гептанов в сырье изомеризации от 0,2 до 0,8 мас. % в зависимости от тепловой нагрузки на ребойлер.

Рецензенты:

Короткова Е.И., д.х.н., профессор кафедры физической и аналитической химии, заместитель директора по научной работе и инновационному развитию Института природных ресурсов, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск;

Косинцев В.И., д.т.н., профессор-консультант кафедры общей химической технологии Института природных ресурсов, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.

Работа поступила в редакцию 01.07.2013.