Задайте нам вопрос
Отвечаем в течение дня, кроме выходных.
Нажимая кнопку Отправить, вы соглашаетесь
с Политикой конфиденциальности и даете
Согласие на обработку персональных данных
Иван Лисицын
Коммерческий директор

Моделирование процесса каталитического бензольного риформинга

С помощью математических моделей процессов выделения бензола из катализата риформинга инженеры NAUKA рассчитали оптимальные режимы и повысили качество производимого товарного бензола.
На 15% увеличилась выработка товарного бензола
Стабилизировалось качество продукта
Снизились потери углеводородных газов
Каталитический риформинг
Один из ведущих процессов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Это неотъемлемая часть переработки нефти и производства нефтепродуктов. Инновационный способ повышения эффективности процессов разделения — создание математических и компьютерных моделей расчета каталитического риформинга. Такой подход помогает проверить гипотезы и найти решения без остановки производственного оборудования, а затем скорректировать работу оборудования и повысить качество продукта.
Блок стабилизации
Установки риформинга в технологии нефтепереработки используется для удаления из смеси веществ самых легких компонентов. На установках каталитического риформинга он служит для отделения целевого продукта - стабильного катализата риформинга от газов.
Ректификация
— процесс разделения бинарных и многокомпонентных смесей за счёт противоточного массообмена между паром и жидкостью. В промышленности ректификация используется, например, при производстве бензола и толуола из нефтяного сырья для выделения товарных продуктов.
Математическое моделирование
Процесс создания точной математической модели процессов, которые происходят на реальной установке. Модель позволяет тестировать работу установки в любых режимах виртуально, без простоев действующего оборудования. А когда будут рассчитаны оптимальные параметры — аппараты настраивают в нужный режим и без потерь повышают качество производственных процессов.
Содержание

Предпосылки

Изначально технический отдел заказчика обратился к инженерам научно-исследовательского отдела NAUKA с запросом на проведение НИОКР на блоке стабилизации установки бензольного риформинга.

После комплексного обследования выяснилось, что есть сопутствующие проблемы и стабилизация — не единственный узел, где можно повысить эффективность процессов производства продукции.
Изначально технический отдел заказчика обратился к инженерам научно-исследовательского отдела NAUKA с запросом на проведение НИОКР на блоке стабилизации установки бензольного риформинга.

После комплексного обследования выяснилось, что есть сопутствующие проблемы и стабилизация — не единственный узел, где можно повысить эффективность процессов производства продукции.
Принципиальная схема блока стабилизации катализата.
С анализа работы процессов в стабилизаторе, представленного на принципиальной схеме, началось комплексное обследование
С анализа работы процессов в стабилизаторе, представленного на принципиальной схеме, началось комплексное обследование
  • Дарья Смирнова
    менеджер продукта

    Суть проблемы заключалась в нарушении качества как товарной, так и промежуточной продукции на установке по производству бензола и толуола из нефтяного сырья. В побочной продукции - газах стабилизации - было превышено допустимое содержание тяжелых углеводородов - и составляло 20% при норме не более 5%. Это приводило к потерям товарных углеводородов в объеме около 3000 тонн в год при производительности 420 000 тонн по сырью в год. С другой стороны, качество целевых продуктов - бензола и толуола - было нестабильным, наблюдались случаи брака товарной продукции.

  • Дарья Смирнова
    менеджер продукта

    Суть проблемы заключалась в нарушении качества как товарной, так и промежуточной продукции на установке по производству бензола и толуола из нефтяного сырья. В побочной продукции - газах стабилизации - было превышено допустимое содержание тяжелых углеводородов - и составляло 20% при норме не более 5%. Это приводило к потерям товарных углеводородов в объеме около 3000 тонн в год при производительности 420 000 тонн по сырью в год. С другой стороны, качество целевых продуктов - бензола и толуола - было нестабильным, наблюдались случаи брака товарной продукции.

Принципиальная схема блока вторичной ректификации
Анализ соотношения бензола и толуола в блоке вторичной ректификации и его влияние на качество продукта.
Анализ соотношения бензола и толуола в блоке вторичной ректификации и его влияние на качество продукта.
Работы по оптимизации разделились на два направления: на блоке стабилизации и блоке вторичной ректификации. На блоке стабилизации решалась задача увеличения количества получаемого целевого продукта. На блоке вторичной ректификации специалисты NAUKA исследовали влияние соотношения бензола и толуола на качество товарной продукции и разработали гипотезы для его оптимизации.
Работы по оптимизации разделились на два направления: на блоке стабилизации и блоке вторичной ректификации.
На блоке стабилизации решалась задача увеличения количества получаемого целевого продукта. На блоке вторичной ректификации специалисты NAUKA исследовали влияние соотношения бензола и толуола на качество товарной продукции и разработали гипотезы для его оптимизации.
На установку риформинга поступает сырье с разным соотношением ароматических углеводородов. Это вносило нестабильность в работу исследуемых блоков. Качество исходных потоков невозможно отрегулировать, но можно определить их состав.
Ориентируясь на соотношение веществ в исходном потоке перед его подачей на блок вторичной ректификации, можно изменить режимы работы таким образом, чтобы на выходе иметь более качественную продукцию.

Теперь на установке стало возможным переработать сырье с различным соотношением компонентов и получился кондиционный продукт. Для этого не потребовалось дополнительное оборудование — решение основано на правильной настройке режимов в зависимости от качества исходных потоков.
На установку риформинга поступает сырье с разным соотношением ароматических углеводородов. Это вносило нестабильность в работу исследуемых блоков. Качество исходных потоков невозможно отрегулировать, но можно определить их состав.
Ориентируясь на соотношение веществ в исходном потоке перед его подачей на блок вторичной ректификации, можно изменить режимы работы таким образом, чтобы на выходе иметь более качественную продукцию.

Теперь на установке стало возможным переработать сырье с различным соотношением компонентов и получился кондиционный продукт. Для этого не потребовалось дополнительное оборудование — решение основано на правильной настройке режимов в зависимости от качества исходных потоков.
Повысить качество можно двумя способами:

  1. Усовершенствовать технологический процесс — например, заменить оборудование
  2. Выработать рекомендации по оптимизации блоков
Повысить качество можно двумя способами:

  1. Усовершенствовать технологический процесс — например, заменить оборудование.
  2. Выработать рекомендации по оптимизации блоков
  • Дарья Смирнова
    менеджер продукта

    Мы предложили заказчику второй способ — чтобы снизить затраты, ускорить достижение результата и обойтись без остановки действующего оборудования. Для этого использовали математическое моделирование.

  • Дарья Смирнова
    менеджер продукта

    Мы предложили заказчику второй способ — чтобы снизить затраты, ускорить достижение результата и обойтись без остановки действующего оборудования. Для этого использовали математическое моделирование.

Цель проекта

Заказчику нужно было повысить эффективность выделения товарных и промежуточных продуктов на блоках стабилизации и вторичной ректификации установки бензольного риформинга.
Заказчику нужно было повысить эффективность выделения товарных и промежуточных продуктов на блоках стабилизации и вторичной ректификации установки бензольного риформинга.

Этапы проекта

  • 1
    Проведение комплексного обследования работы блоков стабилизации и ректификации установки бензольного риформинга
  • 2
    Разработка адекватных математических моделей для технологических блоков установки
  • 3
    Выработка рекомендаций по оптимизации блоков, проведение пилотных испытаний и оценка эффективности гипотез
  • 1
    Проведение комплексного обследования работы блоков стабилизации и ректификации установки бензольного риформинга
  • 2
    Разработка адекватных математических моделей для технологических блоков установки
  • 3
    Выработка рекомендаций по оптимизации блоков, проведение пилотных испытаний и оценка эффективности гипотез
  1. Комплексное обследование
  1. Комплексное обследование
На первом этапе инженеры провели комплексное обследование работы производственного объекта и выявили узкие места технологической схемы, которые влияли на качество продуктовых потоков. Например, для блока вторичной ректификации проанализировали влияние соотношения бензола и толуола на качество продукта.
На первом этапе инженеры провели комплексное обследование работы производственного объекта и выявили узкие места технологической схемы, которые влияли на качество продуктовых потоков. Например, для блока вторичной ректификации проанализировали влияние соотношения бензола и толуола на качество продукта.
Принципиальная схема блока стабилизации катализата. С анализа работы процессов в стабилизаторе началось комплексное обследование

Зависимость изменения качества продукции от параметров сырья. График с треугольными маркерами показывает соотношение бензола и толуола. Красная и пунктирная линия - содержание компонентов в продукте.

Инженеры научно-исследовательского отдела NAUKA выяснили, как именно исходный состав влияет на качество продуктов в процессе разделения бензола и толуола. Если режим выбран верно — продукты получают без превышения нормируемого содержания бензола в толуоле или толуола в бензоле. Если режим выбрали неправильно — получается брак, который необходимо повторно перерабатывать.
Инженеры научно-исследовательского отдела NAUKA выяснили, как именно исходный состав влияет на качество продуктов в процессе разделения бензола и толуола. Если режим выбран верно — продукты получают без превышения нормируемого содержания бензола в толуоле или толуола в бензоле. Если режим выбрали неправильно — получается брак, который необходимо повторно перерабатывать.
  • Дарья Смирнова
    менеджер продукта

    Особая сложность управления данным процессом в том, что допустимое содержание бензола в толуоле и толуола в бензоле — это сотые доли процента. Продукты на выходе - фактически чистые вещества, качество которых зависит от выбранной температуры в колоннах К2, К3. При этом диапазон варьирования температуры - всего 1–2 градуса. До начала нашей работы системного правила выбора параметров режима установки не было и получение качественного продукта во многом зависело от квалификации и опыта оператора.

  • Дарья Смирнова
    менеджер продукта

    Особая сложность управления данным процессом в том, что допустимое содержание бензола в толуоле и толуола в бензоле — это сотые доли процента. Продукты на выходе - фактически чистые вещества, качество которых зависит от выбранной температуры в колоннах К2, К3. При этом диапазон варьирования температуры - всего 1–2 градуса. До начала нашей работы системного правила выбора параметров режима установки не было и получение качественного продукта во многом зависело от квалификации и опыта оператора.

2. Математическая модель
2. Математическая модель
На примере блока вторичной ректификации: с помощью математической модели выполнили расчет зависимости соотношения толуола и бензола от температуры в разных зонах колонн.
На примере блока вторичной ректификации: с помощью математической модели выполнили расчет зависимости соотношения толуола и бензола от температуры в разных зонах колонн.
Влияние бензола и толуола в сырье на качество продукта
Диапазон допустимого изменения температуры на контрольных тарелках. Сплошными и пунктирными линиями показан диапазон для сырья разного качества - при соотношении бензол/толуол от 1,2 до 1,8. Линии 1 и 2 - предельные их значения.
Диапазон допустимого изменения температуры на контрольных тарелках. Сплошными и пунктирными линиями показан диапазон для сырья разного качества - при соотношении бензол/толуол от 1,2 до 1,8.
Линии 1 и 2 - предельные их значения.
Исходя из взаимного расположения кривых следует: если слишком повысить температуру — уровень бензола в толуоле снижается, но по толуолу в бензоле будет превышение. Если температура низкая — произойдет обратная ситуация. Именно от температуры режимов в колоннах зависит качество разделения.

С помощью математической модели удалось вычислить температуры, при которых сохраняется приемлемый баланс бензола и толуола.
Исходя из графиков, выбор режима зависит от начального состава сырья. Например, в одной зоне при соотношении бензола и толуола в сырье 1,2 нужно поддерживать температуру около 99,2°C. Если соотношение бензол/толуол равно 1,8 — оптимальной температурой будет примерно 102,2°C. Используя данный расчет можно найти оптимальную температуру при любом составе сырья — и получать в итоге продукт должного качества.
Исходя из взаимного расположения кривых следует: если слишком повысить температуру — уровень бензола в толуоле снижается, но по толуолу в бензоле будет превышение. Если температура низкая — произойдет обратная ситуация. Именно от температуры режимов в колоннах зависит качество разделения.
С помощью математической модели удалось вычислить температуры, при которых сохраняется приемлемый баланс бензола и толуола.
Исходя из графиков, выбор режима зависит от начального состава сырья. Например, в одной зоне при соотношении бензола и толуола в сырье 1,2 нужно поддерживать температуру около 99,2°C. Если соотношение бензол/толуол равно 1,8 — оптимальной температурой будет примерно 102,2°C. Используя данный расчет можно найти оптимальную температуру при любом составе сырья — и получать в итоге продукт должного качества.
  • Дарья Смирнова
    менеджер продукта

    На основании выработанного алгоритма мы разрабатывали аналитику и выбирали режимные параметры блока. В итоге обобщили данные в рекомендации для оптимизации процессов разделения — их можно было внедрять в производство.

  • Дарья Смирнова
    менеджер продукта

    На основании выработанного алгоритма мы разрабатывали аналитику и выбирали режимные параметры блока. В итоге обобщили данные в рекомендации для оптимизации процессов разделения — их можно было внедрять в производство.

3. Рекомендации по оптимизации
3. Рекомендации по оптимизации
По результатам расчета математической модели разработали алгоритмы оптимизации процессов разделения на рассматриваемых блоках.
Проверили предложенные рекомендации на действующем промышленном объекте. Расчеты математической модели подтвердились — на блоке выделения бензола и толуола при соблюдении указанных параметров температуры содержание примесей в компонентах нормализовалось и не превышало предельно допустимых значений. Содержание компонентов неизменно остается в рамках норм, стабильное среднее содержание толуола в бензоле достигает значения менее 0,03% мас.
По результатам расчета математической модели разработали алгоритмы оптимизации процессов разделения на рассматриваемых блоках.
Проверили предложенные рекомендации на действующем промышленном объекте. Расчеты математической модели подтвердились — на блоке выделения бензола и толуола при соблюдении указанных параметров температуры содержание примесей в компонентах нормализовалось и не превышало предельно допустимых значений. Содержание компонентов неизменно остается в рамках норм, стабильное среднее содержание толуола в бензоле достигает значения менее 0,03% мас.
Принципиальная схема блока стабилизации катализата. С анализа работы процессов в стабилизаторе началось комплексное обследование
Стабильное среднее содержание толуола в бензоле достигает значения менее 0,03% масс.
Стабильное среднее содержание толуола в бензоле достигает значения менее 0,03% масс.
Принципиальная схема блока стабилизации катализата. С анализа работы процессов в стабилизаторе началось комплексное обследование

Результаты проекта

После завершения пилотных испытаний предложения по коррекции режимов с учетом состава сырья внедрили в эксплуатацию.
После завершения пилотных испытаний предложения по коррекции режимов с учетом состава сырья внедрили в эксплуатацию.

Установка стала работать стабильнее, нормализовалось качество выпускаемой товарной продукции

Уменьшился объем производственного брака, в том числе при повышенной загрузке

На 15% увеличилась выработка товарного бензола за счет снижения количества брака и возможности повысить загрузку блока вторичной ректификации

При изменении состава сырья по компонентам в пределах 30% можно прогнозировать параметры качества бензола и выпускать чистый товарный продукт

Снизились потери углеводородных газов

Установка стала работать стабильнее, нормализовалось качество выпускаемой товарной продукции
Уменьшился объем производственного брака, в том числе при повышенной загрузке

Снизились потери углеводородных газов

На 15% увеличилась выработка товарного бензола за счет снижения количества брака и возможности повысить загрузку блока вторичной ректификации
При изменении состава сырья по компонентам в пределах 30% можно прогнозировать параметры качества бензола и выпускать чистый товарный продукт
  • Дарья Смирнова
    менеджер продукта

    Аналогичный подход используется при оптимизации схожих процессов разделения — например, в процессе гидроочистки средних нефтяных дистиллятов. Математическое моделирование процессов можно применять на схожем предприятии отрасли, где есть соответствующее технологическое оборудование