Моделирование реактора установки Таторей в динамическом режиме

Моделирование реактора установки Таторей в динамическом режиме

Раздел: Наука

Демченко Станислав Сергеевич, Вахрушин Павел Александрович АО «ИПН»

В настоящее время компьютерное моделирование технологических процессов в стационарном и динамическом режиме с использованием специализированных программ в обязательном порядке применяется при проектировании, пуско-наладочных работах и эксплуатации технологических установок. На основе расчета модели технологической установки в стационарном режиме разрабатываются исходные данные для ее проектирования. Динамическая модель применяется для разработки регламента пуско-наладочных работ, а также для обучения операторов установок.

Самым важным и при этом самым трудноописываемым узлом большинства технологических установок является реактор. Основой для моделирования реактора является кинетическая модель, которая может усложняться функцией деактивации катализатора, а также параметрами внешне- и внутридиффузионных осложнений. На основе кинетической модели рассчитывается материальный и тепловой баланс реактора, а также производится гидравлический расчет и определяется гидравлическое сопротивление реактора.

Динамическая модель позволяет прогнозировать изменение основных параметров работы реактора (температуры, давления, количественного состава продуктов реакции) во времени, учитывая изменения таких факторов, как температура и давление на входе в реактор, объемной скорости подачи сырья и кратности циркуляции водорода. С помощью динамической модели возможно определить скорость установления стационарного состояния системы и прогнозировать реакцию системы на внешнее воздействие. В настоящей статье приведено описание разработки динамической модели реактора установки Таторей.

Общие сведения о процессе Таторей. Процесс Таторей предназначен для производства ксилолов из толуола и ароматических углеводородов С910, вместо того, чтобы использовать их для производства автомобильного бензина. Включение установки Таторей в комплекс по производству ароматических углеводородов позволяет удвоить выход п-ксилола из бензиновых фракций.

В основе процесса Таторей лежат две основные реакции – диспропорционирования и трансалкилирования. Преобразование толуола в равновесную смесь бензола и ксилолов называется диспропорционированием (реакции I и II). Преобразование смеси толуола и ароматических углеводородов С9 в ксилолы путем перемещения метильных групп между метилзамещенными ароматическими углеводородами называется трансалкилированием (реакции III и IV). Как правило, обе реакции протекают в направлении равновесного распределения бензола и алкилзамещенных ароматических углеводородов [1].

МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АППАРАТ

Кинетическая модель. Механизм процесса Таторей можно описать девятью основными реакциями [2]:

2×Tol↔Ben+m-Xyl                                                               (I)

2×Tol↔Ben+Etb                                                                   (II)

Tol+Tmb↔2×m-Xyl                                                              (III)

Tol+Tmb↔2×Etb                                                                   (IV)

Meb+H2→Tol+C2H                                                            (V)

Prb+H2→Ben+C3H8                                                             (VI)

2×Tmb↔m-Xyl+C10                                                               (VII)

m-Xyl↔ o-Xyl                                                                      (VIII)

m-Xyl↔ p-Xyl                                                                      (IX)

Реакции I-VII описывают механизм образования общего количества ксилолов. Практика показывает, что основная доля образующихся ксилолов приходится на мета-ксилол, поэтому именно он выбран для расчета реакций образования ксилолов (I,III,VII). После определения общего количества ксилолов рассчитывается их распределение по реакциям VIII и IX.

Уравнения скоростей реакций I-VII [3]:
1-7.jpg
Yj – мольная доля компонента;

φ – функция деактивации катализатора:

8.jpg

t – время работы установки от момента регенерации катализатора, c;

Рh – парциальное давление водорода, кПа;

WHSV – массовая скорость подачи сырья, с-1

ki – константа скорости реакции, с-1:

9.jpg

k0i – предэкспонициальный множитель, с-1;

Eai – энергия активации, кДж/кмоль;

Значения k0i и Eai активации для реакций I-VII на цеолитном катализаторе процесса Таторей [2] приведены в табл. 1.

Таблица 2. Кинетические параметры


Реакция

кoi, c-1

Eai, кДж/моль

1

9,106*1010

102

2

9,534*1013

150

3

5,712*1010

96,77

4

6,001*1013

150

5

6,126*1010

101,8

6

3,263*1010

95,8

7

3,213*109

106



Крi – константа термодинамического равновесия.

10.jpg

ΔGi – изменение энергии Гиббса в реакции, Дж/моль;

R – универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль×К;

Т – температура, К.

Изменение энергии Гиббса может быть найдено по уравнению: 

11.jpg

ΔHi – изменение энтальпии (тепловой эффект реакции), Дж/моль;

ΔSi – изменение энтропии, Дж/моль×К.

Расчет реактора в динамическом режиме. Для описания реактора процесса Таторей принята ячеечная модель, представляющая собой каскад реакторов идеального смешения. Принято, что продольное перемешивание в реакторе отсутствует, так что реактор в общем виде представляет собой реактор идеального вытеснения. Количество элементарных ячеек (n), реакторов идеального смешения, рекомендуется принимать не менее 100.

Далее на основе приведенной выше кинетической модели можно составить систему уравнений изменения концентрации реагирующих веществ

12-19.jpg

Уравнения 13-17 можно представить в виде системы нелинейных уравнений в неявном виде. Как пример, приведем запись уравнения 14:

20.jpg

 – мольная концентрация триметилбензола на входе в элементарный объем;

 – мольная концентрация триметилбензола на выходе из элементарного объема;

 – время пребывания газосырьевой смеси (ГСС) в элементарном объеме, с:

 21.jpg

F – объемный расход ГСС, м3/с;

V – объем реакционного пространства, м3.

Для решения системы нелинейных уравнений, заданных в неявном виде, применен метод Ньютона-Гаусса, использующий матрицу Якобиана производных первого порядка функции Fi. Для уравнения 20 функция F3, будет выглядеть следующим образом:

22.jpg

Уравнения 18, 19 являются линейными и могут быть разрешены относительно концентрации Meb и Prb.

В конечном итоге, составляется система линейных уравнений, которую можно решить методом Гаусса. Результатом является вектор поправок к концентрациям компонентов на выходе из элементарного объема.

Распределение ксилолов можно определить по двум равновесным реакциям (VIII, IX):

23-25.jpg

Yox, Ymx, Ypx – соответственно мольная доля орто-, мета-, и пара-ксилола в общем количестве образовавшихся ксилолов. Решая систему уравнений 23-25, можно выразить мольную долю каждого ксилола:

26-28.jpg

Тепловой баланс рассчитывается отдельно для каждого элементарного объема. Принимается, что реактор работает в адиабатическом тепловом режиме, тепловой баланс которого выражается уравнением:

29.jpg

CP – теплоемкость ГСС, Дж/моль×К;

r - плотность ГСС, кг/м3;

DT – изменение температуры в элементарном объеме, К.

Результатом этого расчета является температура на выходе из элементарного объема. Значения CP и ΔHi зависят от температуры, однако в случае элементарного объема изменение температуры будет невысоким, так что значения CP и ΔHi можно принимать постоянными при температуре на входе в элементарный объем.

Перепад давления по длине слоя катализатора может быть найден по формуле:

30.jpg

 – массовая скорость ГСС в сечении реактора, кг/м2×с;

 – плотность ГСС, кг/м3;

 – диаметр частиц катализатора, м;

 – динамическая вязкость ГСС, Па×с;

 – доля свободного объема слоя катализатора.

При моделировании реактора необходимо будет проводить расчет теплофизических свойств, таких как плотность, вязкость, теплоемкость, энтальпия и энтропия. Существуют обширные базы данных, а также большое количество методик по расчету этих свойств, которые можно почерпнуть, к примеру, в [3].

На основе представленного выше математического аппарата была создана компьютерная программа моделирования работы реакторного блока установки Таторей в динамике – Tatorey.

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Динамическая модель реактора установки Таторей позволяет наблюдать за изменением основных параметров процесса во времени, а также наблюдать и учитывать влияние основных факторов процесса, таких как:

·      Температура: повышение температуры увеличивает скорость всех реакций, как целевых, так и побочных; вследствие этого при увеличении общего выхода ароматических углеводородов С8 выход ксилолов увеличивается незначительно и даже начинает снижаться при температурах выше 380-390 оС (рис. 1);


Рис. 1. Влияние температуры сырья на выход ксилолов и ароматики С8

·     давление: поскольку химические реакции процесса Таторей протекают без изменения объема реакционной смеси, изменение давления на конверсию сырья и выход продуктов влияния оказывать не будет; однако увеличение давления приводит к увеличению плотности среды, а следовательно к увеличению времени пребывания ГСС на катализаторе, что приводит к незначительному увеличению конверсии; также увеличение давления снижает коксообразование на катализаторе (рис. 2);


Рис. 2. Влияние давления процесса на выход ксилолов и ароматики С8


·     кратность циркуляции водород:сырье: увеличение кратности уменьшает коксообразование, однако вместе с этим уменьшается время контакта ГСС с катализатором, а следовательно уменьшаются конверсия и выход продуктов (рис. 3).


Рис. 3. Влияние кратности циркуляции водород/сырье на выход ксилолов и ароматики С8

Исходные данные. Для оценки адекватности модели произведен расчет состава выхода продуктов для различного состава сырья, представленного в табл. 2 [4]. Параметры технологического режима приведены в табл. 3. Результаты расчета представлены в табл. 4.

Таблица 2. Компонентный состав сырья установки Таторей

Компонент

Содержание в сырье, % масс

Сырье №1

(отбор 22.01.2005)

Сырье №2

(отбор 01.07.2005)

Сырье №3

(отбор 04.10.2005)

1

Бензол (Ben)

0

0

0,01

2

Толуол (Tol)

65,81

59,76

58,04

3

Пропилбензол (Prb)

1,57

1,89

1,90

4

Метилэтилбензол (Meb)

11,64

12,71

12,71

5

Триметилбензол (Tmb)

19,02

22,10

23,21

6

Этилбензол (Etb)

0,00

0,01

0,02

7

пара-ксилол (p-Xyl)

0,01

0,01

0,02

8

мета-ксилол (m-Xyl)

0,01

0,02

0,02

9

орто-ксилол (о-Xyl)

0,28

0,24

0,28

10

Ароматические (С10)

1,64

3,20

3,76

11

Неароматические углеводороды

0,01

0,03

0,04

12

Итого:

100

100

100




Таблица 3. Параметры технологического режима

Дата

Температура, °С

Давление, МПа

Н2:НС, моль/моль

Объемная скорость подачи, ч-1

Содержание Н2 в ВСГ, % об.

1

22.01.2005

341,4

3,11

7,90

1,04

88,66

2

01.07.2005

353,8

3,13

8,05

1,15

83,29

3

04.10.2005

357,8

3,14

7,10

1,29

81,56



Таблица 4. Результаты расчета 

Компонент

Содержание, % масс

22.01.2005

01.07.2005

 04.10.2005

Эксп.

Расч.

% откл.

Эксп.

Расч.

% откл.

Эксп.

Расч.

% откл.

1

Бензол (Ben)

10,14

10,2

0,6

9,39

8,53

9,2

9,33

9,1

2,5

2

Толуол (Tol)

42,66

41,37

3,0

38,53

39,79

3,3

38,28

38,77

1,3

3

Пропилбензол (Prb)

0,35

0,25

28,6

0,27

0,28

3,7

0,26

0,19

26,9

4

Метилэтилбензол (Meb)

5,58

4,82

13,6

4,74

4,97

4,9

4,55

4

12,1

5

Триметилбензол (Tmb)

8,79

8,99

2,3

9,73

11,59

19,1

9,8

10,92

11,4

6

Этилбензол (Etb)

1,69

1,99

17,8

2,25

1,96

12,9

2,38

2,35

1,3

7

пара-ксилол

(p-Xyl)

6,53

6,92

6,0

7,06

6,47

8,4

7,07

7,01

0,8

8

мета-ксилол

(m-Xyl)

14,57

14,89

2,2

15,75

13,89

11,8

15,77

14,99

4,9

9

орто-ксилол

(о-Xyl)

6,21

6,91

11,3

6,72

6,5

3,3

6,73

7,06

4,9

10

Ароматические (С10)

1,61

1,65

2,5

3,12

3,23

3,5

3,47

3,59

3,5

11

Неароматические углеводороды

1,87

2

7,0

2,45

2,79

13,9

2,38

2,01

15,5

12

Итого:

100

100

100

100

100

100


ВЫВОД

По данным табл. 4 видно, что результаты расчета состава продуктов на выходе из реактора по разработанной программе Tatorey хорошо коррелируются с экспериментальными результатами.

Представленный математический аппарат может быть использован для разработки как статической, так и динамической модели реактора установки Таторей.

Разработанная программа позволяет прогнозировать изменение основных параметров работы реактора (температуры, давления, количественного состава продуктов реакции) во времени, учитывая изменения таких факторов, как температура и давление на входе в реактор, объемной скорости подачи сырья и кратности циркуляции водорода. С помощью программы можно определить скорость установления стационарного состояния системы и прогнозировать реакцию системы на внешнее воздействие.

В заключении необходимо отметить, что описанный выше подход к моделированию реактора процесса Таторей в динамическом режиме можно применить к моделированию любого адиабатического реактора идеального вытеснения. Для этого необходимо знать кинетическую модель реакции и выражение для функции деактивации катализатора. Такие модели находят широкое применение при проектировании и эксплуатации технологических установок.

 

ЛИТЕРАТУРА

1.        Р.А. Мейерс (ред.). Основные процессы нефтепереработки. Справочник: пер. С англ. 3-го изд. / [Р.А. Мейерс и др.]; под. Ред. О.Ф. Глаголевой, О.П. Лыкова. – СПб.: ЦОП «Профессия», 2011. – 944 с., ил.

2.        XU Ouguan, SU Hongye, JIN Xiaoming, CHU Jian, «A kinetic model for advanced process control of toluene disproportionation and transalkilation with C9-aromatics», Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 15 (3), 326-332 (2007).

3.        Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т., Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие / Пер. с англ. Под ред. Б.И. Соколова. – 3 изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1982. – 592 с., ил. Нью-Йорк, 1977.

4.        XU Ouguan, SU Hongye, JIN Xiaoming, CHU Jian, «Kinetic model for toluene disproportionation and transalkilation with C9-Aromatics», Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 58 (3), 630-637 (2007).

 



Календарь событий
Татарстанский нефтегазохимический форум
Дата проведения: 4.09.2018-06.09.2018
http://www.oilexpo.ru/
Компания «Балтех»
Курс рубля на межбанковском рынке
ПокупкаПродажа
USD/RUB0.000.00
EUR/RUB0.000.00
Данные на

Forex: Курсы валют
EUR/USD0.000.00
Данные на 00:00 мск

Химагрегаты №42 июнь 2018 г. Версия PDF
  • 17-я Международная выставка PCVExpo «Насосы. Компрессоры. Арматура. Приводы и двигатели»
  • «Татарстанский Нефтегазохимический Форум. Нефть, газ. Нефтехимия»
  • 15-я Международная выставка «НЕФТЬ И ГАЗ» / MIOGE 2018»
  • 25-я международная специализированная выставка «НЕФТЬ, ГАЗ. НЕФТЕХИМИЯ»
  • 21-я международная выставка химической промышленности и науки
  • Буровая и промысловая химия 2018
  • Полимерные трубы и фитинги 2018
  • Международный симпозиум «Компрессоры и компрессорное оборудование» (Санкт-Петербург)
  • «Конференция INTRA-TECH» (Санкт-Петербург)
  • «НЕФТЕГАЗ-2018» Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса
  • 14-й Российский Нефтегазовый Конгресс / RPGC 2018
  • 15-я Международная выставка «НЕФТЬ И ГАЗ» / MIOGE 2018
  • Российский Нефтегазохимический форум и XXVI Международная выставка «Газ.Нефть.Технологии-2018»
  • 16-я Международная выставка «Насосы. Компрессоры. Арматура. Приводы и двигатели»
  • Pinkov Sports Projects
  • Башкирская Ассоциация Экспертов
  • Российский Нефтегазохимический форум «Газ.Нефть.Технологии-2017»