авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Оптимизация реакторного оборудования и условий промышленной эксплуатации процесса изомеризации пентан-гексановой фракции

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Чеканцев Никита Витальевич

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕАКТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И УСЛОВИЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОЦЕССА ИЗОМЕРИЗАЦИИ ПЕНТАН-ГЕКСАНОВОЙ ФРАКЦИИ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

02.00.13 - Нефтехимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск - 2009

Работа выполнена в Томском политехническом университете

Научные руководители:

заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Кравцов А.В.

доктор технических наук,

профессор Иванчина Э.Д.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ильин А.П.

кандидат технических наук Полубоярцев Д.С.

Ведущая организация: ОАО «ТомскНИПИнефть»

Защита диссертации состоится 29 декабря 2009 г. в 14 часов 00 мин.

на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.269.08 при Томском политехническом университете по адресу: 634050, Томск, пр. Ленина, 43, корпус 2, 117 ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета

Автореферат разослан 27 ноября 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

Доцент, к.т.н. Перовская Т.С.

Общая характеристика работы

Актуальность. Изомеризация пентан - гексановой фракции прямогонных бензинов - сложный многостадийный нефтехимический процесс, на протекание и результат которого неоднозначно влияет множество факторов. В отечественной нефтеперерабатывающей промышленности широкое распространение этот процесс получил в связи с переходом на более жесткие требования к качеству нефтепродуктов. Внедрение реакторного оборудования установок изомеризации ведется по двум направлениям - создание нового производства, либо реконструкция установок риформинга бензинов. В связи с этим возникает сложная проблема выбора из многообразия реакторных схем (число реакторов, последовательное или параллельное соединение разомкнутых или замкнутых реакторных схем) и катализаторов, оптимальных для данного завода.

Наиболее эффективно решить эту сложную многофакторную задачу возможно с помощью метода математического моделирования. Литературный поиск показал, что созданные до настоящего времени российские и зарубежные системы моделирования не позволяют с требуемой точностью решать задачи оптимизации и прогнозирования реакторных процессов. Для повышения эффективности промышленных нефтехимических процессов путем совершенствования их технологии необходимо учитывать реакционную способность углеводородов перерабатываемого сырья и активность катализатора.



При этом точность расчетов и получение достоверных результатов определяется правильностью формирования стадий механизма процесса изомеризации пентан-гексановой фракции агрегированием углеводородов по принципу близости их реакционной способности и учетом нестационарности кинетических параметров процесса вследствие дезактивации катализатора за счет физического старения, отравления примесями в сырье и коксообразования.

Работа выполнена в рамках основных направлений научной деятельности ТПУ «Научные основы, моделирование и оптимизация технологий переработки горючих ископаемых» (№14).

Цель работы заключается в разработке и применении нового способа повышения ресурсоэффективности промышленного процесса изомеризации пентан-гексановой фракции с использованием метода математического моделирования с последующей оптимизацией реакторного оборудования и условий его промышленной эксплуатации. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

  1. разработка схемы превращения углеводородов пентан-гексановой фракции на основе анализа термодинамических функций и реакционной способности углеводородов;
  2. создание кинетической модели процесса изомеризации пентан-гексановой фракции;
  3. количественная оценка кинетических параметров решением обратной кинетической задачи с использованием экспериментальных данных работы реакторов изомеризации;
  4. исследование кинетических закономерностей превращения углеводородов пентан-гексановой фракции в реакторе с радиальным движением реакционного потока;
  5. создание методики расчета реакторного оборудования процесса с использованием разработанной математической модели на основе учета реакционной способности углеводородов и активности катализатора;
  6. повышение эффективности работы промышленного процесса изомеризации пентан-гексановой фракции оптимизацией направления потоков как реакторной схемы в целом, так и внутри каждого реакционного аппарата.

Научная новизна

Установлено, что повышение эффективности промышленного процесса изомеризации пентан-гексановой фракции обеспечивается разработкой и использованием математической модели, основанной на кинетическом описании с последующей оптимизацией реакторного оборудования, технологической схемы и режимов эксплуатации.

Впервые установлены кинетические и гидродинамические закономерности превращения углеводородов в реакторах изомеризации пентан-гексановой фракции необходимые для выбора оптимального направления сырьевого потока в реакционном аппарате и реакторной схеме в целом.

Установлено, что смена направления газосырьевого потока от центра к периферии в реакторе с радиальным вводом сырья позволяет повысить эффективность процесса до 3,5 % за счет увеличения степени превращения сырья в продукт. При этом установлено, что оптимальная структура реакторного узла определяется углеводородным составом перерабатываемого сырья и активностью применяемых катализаторов.

Практическая ценность

На основе научно-прикладных разработок выполнена количественная оценка кинетических параметров реакций превращения углеводородов на поверхности катализаторов в процессе изомеризации пентан-гексановой фракции. Показано, что соотношение кинетических параметров зависит от активности и селективности применяемых катализаторов.

Выполнен сравнительный анализ повышения эффективности работы промышленного реактора с радиальным вводом сырья и показано, что октановое число продукта можно повысить на 2-3 пункта при изменении направления движения газосырьевого потока от центральной трубы реактора, в сравнении с существующим вариантом.

Разработана (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ
№ 2008611368 «Isomer») компьютерная моделирующая система, позволяющая выполнять прогноз и тестирование промышленных катализаторов процесса изомеризации. Создана база данных по катализаторам изомеризации для правильного выбора процесса при реконструкции промышленных установок путем количественной оценки их селективности.

Выполнен количественный анализ различных способов повышения эффективности работы промышленной установки. Сформирована методика расчета реактора процесса, которая позволяет проводить конструкционный расчет реактора.

Программа для тестирования и выбора катализатора, а также оптимизации режимов работы промышленных установок изомеризации парафинов внедрена на установке Л-35-11/300.

На защиту выносятся:

  • оптимизация реакторного оборудования и условий промышленной эксплуатации процесса изомеризации пентан-гексановой фракции с применением математической модели, что позволяет повысить селективность процесса;
  • набор кинетических параметров процесса изомеризации пентан-гексановой фракции, адекватно описывающий процесс;
  • методика расчета реактора процесса изомеризации на основе учета направления движения газосырьевого потока для замкнутых и разомкнутых технологических схем, позволяющая учесть влияние конструкции реактора и структуры технологической схемы;
  • результаты практического применения разработанного способа для оптимизации реакторной схемы и тестирования катализаторов различных промышленных марок.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международном форуме: «Топливно-энергетический комплекс России» (Санкт-Петербург, 2007 г.), VIII всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов: «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2007г.), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2007), Межрегиональной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития минерально-сырьевой базы и предприятий ТЭК Сибири» (Томск, 2009), 9-ом Международном форуме «ТЭК» (Санкт-Петербург, 2009).

Публикации. По теме работы опубликовано 29 работ, в том числе 4 в журналах из списка ВАК, получено 4 свидетельства о регистрации программы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, приложения и списка использованной литературы из 92 наименований. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков, 27 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность создания математической модели процесса изомеризации на физико-химической основе для исследования кинетических закономерностей превращения углеводородов на активной поверхности катализатора, а также способов повышения эффективности работы промышленных установок.

В первой главе содержится анализ публикаций, касающихся вопросов современного состояния процесса изомеризации пентан-гексановой фракции. Рассмотрены конструкции реакторов, разнообразие применяемых технологических схем и современные катализаторы. Определены цели и задачи работы, обоснованы теоретическая и практическая значимость выполненных исследований.

Вторая глава посвящена разработке модели процесса изомеризации на основе системного подхода, сущность которого заключается в том, что вся информация, полученная на лабораторных, полупромышленных и промышленных установках о взаимосвязанных физико-химических явлениях, протекающих в процессах и аппаратах, накапливается в базе данных и базе знаний для разработки полной математической модели промышленного процесса.

На первом этапе разработки математической модели рассматриваются все возможные реакции процесса изомеризации пентан-гексановой фракции и закономерности их протекания. Проведена оценка термодинамических параметров реакций процесса изомеризации (табл. 1).

Таблица 1

Значение энергии Гиббса для реакций процесса изомеризации
пентан-гексановой фракции

Реакции Энергия Гиббса,
кДж/моль
Реакции Энергия Гиббса,
кДж/моль
300 К 600 К 300 К 600 К
n-С5H12i-C5H12 -6,46 -4,75 2-МП+H2Г -193,3 -291,9
n-С6H142-МП -4,75 -2,6 3-МП+H2Г -196,2 -295,2
n-С6H143-МП -1,85 0,73 2,3-ДМБ+H2Г -194,2 -297,6
2,3-ДМБ2-МП -0,97 -5,73 2,2-ДМБ+H2Г -188,7 -294,1
2,3-ДМБ2,2-ДМБ -5,53 -3,45 С7H16+H2Г -165,5 -234,1
n-С7H16i-C7H16 -3,38 -2,26 i-С7H16+H2Г -162,1 -231,8




Продолжение таблицы 1

Реакции Энергия Гиббса,
кДж/моль
Реакции Энергия Гиббса,
кДж/моль
300 К 600 К 300 К 600 К
МЦПЦГс -3,92 8,75 ЦГс+H2n-С6H14 -71,19 -110,8
3-МП2-МП -2,9 -3,34 МЦП+H22-МП -79,86 -104,7
С2H6+H2Г -174,8 -272,4 МЦП+H23-МЦП -76,96 -101,4
С3H8+H2Г -284,6 -477,2 МЦП+H22,3-ДМБ -78,9 -98,97
С4H10+H2Г -262,7 -414,7 МЦП+H22,2-ДМБ -84,43 -102,4
i-C4H10+H2Г -258,9 -415,6 z-С7H14+H2С7H16 -29,59 -38,89
C5H12+H2Г -230,7 -355 z-С7H14+H2i-C7H16 -32,97 -41,16
i-C5H12+H2Г -224,2 -350,3 БЗ+3H2ЦГс -214,9 -254,2
C6H14+H2Г -198 -294,5 БЗ+3H2МЦП -211 -263

Показано, что при термобарических условиях проведения промышленного процесса все рассмотренные реакции с термодинамической точки зрения осуществимы. (рис. 1).

 Формализованная схема механизма-2

Рис. 1. Формализованная схема механизма превращений углеводородов в процессе изомеризации пентан-гексановой фракции, МЦП – метилциклопентан; МП – метилпентан; БЗ – бензол; ЦГС – циклогексан; ДМБ – диметилбутан;
n, i, z – нормальный, изо-, цикло-

Обоснован уровень формализации механизма, согласно которому компоненты фракции С5 – С6 необходимо представлять индивидуально, а компоненты фракции С7+– формализовано. В качестве критерия агрегирования использован показатель детонационной стойкости углеводородов бензиновой фракции – октановое число.

В третьей главе рассмотрены вопросы построения математической модели реактора, проверка этой модели на адекватность, а также ее использование для конструкционных расчетов. Выполненные количественные оценки гидродинамического режима работы реакторного блока процесса изомеризации (тепловой и диффузионный критерии Пекле составляют PeT=1132,9; PeD= 339,1) позволили обосновать режим идеального вытеснения реакционной среды. На основании этого допущения составлена математическая модель процесса изомеризации пентан гексановой фракции, которая представляет собой систему уравнений в частных производных материального и теплового балансов согласно схеме превращений (рис. 1).

при Z=0, C=0, при r=0, C=C0, при Z=0, Т=Т0, при r=0, T=Tвх,

где G – нагрузка по сырью, м3/с; Сi – концентрация i-го компонента, моль/м3; Z – объем переработанного сырья, м3; i=1,..., N; j=1,..., M; N - число веществ, участвующих в реакциях; M - число реакций; Wj - скорость протекания j-ой реакции, моль/м3•с; V – объем реактора изомеризации, м; Т – температура в реакторе, °С; – плотность, моль/м3; Qj - тепловой эффект j-ой реакции, Дж/моль; Срсм – удельная теплоемкость газовой смеси, Дж/(мольград).

Решением обратной кинетической задачи с использованием экспериментальных данных с промышленной установки Л-35-11/300 найдены константы скоростей химических реакций (табл. 2).

Таблица 2

Значения констант скоростей основных реакций изомеризации пентан-гексановой фракции на катализаторе СИ-2

Реакция Константа скорости, с-1
n-С5H12i-C5H12 0,0717
i-C5H12n-С5H12 0,0249
n-С6H142-МП 0,279
2-МПn-С6H14 0,210
n-С6H143-МП 0,484
3-МПn-С6H14 0,590
2-МП3-МП 0,323
3-МП2-МП 0,526
2-МП2,3-ДМБ 0,0288
2,3-ДМБ2-МП 0,0386
2,3-ДМБ2,2-ДМБ 0,0581
2,2-ДМБ2,3-ДМБ 0,127


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.