Глава 7. Оптимизация производства этилена

7.1. Производство этилена как объект управления

Установку для производства этилена [23] можно рассматривать как сложную систе­му, состоящую из трех подсистем – пиролиза, газоразделения и переработки пироконденсата. Соединение подсистем по мате­риальным потокам  последовательное, т.е. получаемый в предыдущей подсистеме промежуточный продукт является сырьем для следующей подсистемы. Связь между подсисте­мами «жесткая», т. е. без промежуточных емкостей.

В подсистеме пиролиза включение основных технологиче­ских аппаратов параллельное, в остальных подсистемах – по­следовательно-параллельное. Все три подсистемы характери­зуются наличием рециклов, причем наибольшее число рециклов имеет подсистема газоразделения. Рециклы между подсистема­ми отсутствуют.

Качество основной товарной продукции (этилена и пропиле­на) формируется в подсистеме газоразделения, качество побоч­ной продукции – в подсистемах газоразделения и переработки пироконденсата. В подсистеме пиролиза качественные показа­тели основной и побочной продукции не формируются, однако от содержания этилена и пропилена в пирогазе зависит произ­водительность последующих подсистем. Сырьем для подсистемы пиролиза является бензин (или смесь бензинов), поступающий с других установок предприятия. Затраты по сырью составляют до 90–95 % от суммы затрат по входным продуктам.

Каждая подсистема содержит большое количество основного и вспомогательного технологического оборудования, режимы работы которого в значительной степени определяют производительность установки в целом и качественные характе­ристики получаемых продуктов. Каждая подсистема автономна в рамках ограничений, на­кладываемых на систему в целом. Это позволяет сформулиро­вать частные (локальные) задачи управления каждой подсистемой, подчиняющейся задаче управления системой в це­лом.

7.2. Задачи управления установками

Установку для производства этилена по материальным потокам можно рас­сматривать как систему с одним входом (сырье с расходом S_o) и несколькими выходами, в первом приближении двумя (товар­ные продукты – этилен и пропилен с производительностью G_эт и G_пp). Каждый выходной поток характеризуется одним основ­ным качественным показателем – чистотой товарного продукта (для этилена – К_эт и для пропилена – К_пр).

Ог­раничения к задаче управления системой можно сформулировать в общем виде следующим образом:

G_эт  G ^о_эт

G_пр  G ^о_пp (7.1)

К_эт  К ^о_эт

К_пр  К ^о_пp ,

где индекс «о» означает ограничения, заданные планом или вышестоящей системой. Знак «» используется постольку, поскольку в реальных условиях точное выполнение всех плановых показа­телей (со знаком « = ») является практически недостижимым из-за наличия случайных возмущений в объекте и неидентичности характеристик процессов выработки двух продуктов (этилена и пропилена) в одном и том же технологическом аппарате (напри­мер, в пиролизной печи).

В экономическом аспекте целесообразно обеспечить мини­мум затрат на производство товарной продукции, которое до­стигается снижением энергетических затрат на технологичес­кий процесс:

Э  min, (7.2)

либо уменьшением затрат по сырью

S_o  min. (7.3)

Задачи типа (7.1), (7.2) или (7.1), (7.3) можно рассматри­вать как общие для управления ХТС производства этилена, причем вторая задача более предпочти­тельна для нефтехимических предприятий в условиях экономии сырьевых ресурсов.

Однако в практической деятельности предприятий в некото­рые периоды времени встречаются ситуации, когда необходимо максимизировать выход только одного товарного продукта (эти­лена или пропилена) при ограниченном (заданном S_зад) коли­честве сырья. Задача управления установкой в этом случае формулируется следующим образом:

для этиленового режима

S_о = S_зад

G_пр  G ^о_пp (7.4)

К_эт  К ^о_эт

К_пр  К ^о_пp

G_эт  max ;

для пропиленового режима

S_о = S_зад

G_эт  G ^о_эт (7.5)

К_эт  К ^о_эт

К_пр  К ^о_пp

G_пр  max .

Исследования показывают, что задачи управления (7.4) или (7.5), нацеленные на максимум производительности этилена или пропилена, реализуются в подсистеме пиролиза. Основной зада­чей этой подсистемы поэтому является получение пирогаза с требуемым содержанием этилена и пропилена, определяющим производительность установки по товарным продуктам.

Заданную чистоту товарной продукции (К_эт  К ^о_эт и К_пр  К ^о_пp) получают, оптимизируя подсистему газоразделения. При этом нельзя принять условие минимизации сырья в отделении, так как выпуск товарной продукции находится в прямой зависимо­сти от количества и состава пирогаза, получаемого в отделении пиролиза, а его выработка определяется из решения ранее сформулированной задачи (7.4) или задачи (7.5).

Вместе с тем для подсистемы газоразделения характерен рост энергетичес­ких затрат с увеличением полноты разделения компонентов. Поэтому целесообразно осуществлять управление по критерию минимизации энергетических затрат подсистемы газоразделения (Э_г) при выполнении за­данных качественных характеристик товарной продукции, т. е.

К_эт  К ^о_эт , К_пр  К ^о_пp , Э_г  min. (7.6)

Таким образом, задачи управления подсистемами пиролиза (7.4) и (7.5) и газоразделения (7.6) являются локальными по отношению к общей задаче управления ХТС (7.1), (7.2) или (7.1), (7.3) и вместе с тем независимыми друг от друга.

При планировании выработки этилена и пропилена учитыва­ется и количество другой, получаемой на установке продукции, например количество пироконденсата, поступающего в качест­ве сырья в отделение переработки пироконденсата.

Данное отделение обеспечивает выделение из пироконденса­та двух основных продуктов – бензола (количество G_бз) и фракции С₅ (количество G_C5), формирование которых произ­водится по двум независимым технологическим линиям.

К фракции С₅ предъявляется единственное требование – получение заданной чистоты

К_С5  К ^о_С5 (7. 7)

Очевидно, что ограничение многовариантности возможных тех­нологических режимов блока гидрирования, удовлетворяющих условию (7.7) можно достичь, минимизировав энергозатра­ты, т. е.

Э_гидр  min. (7.8)

Условия (7.7), (7.8) представляют собой формулировку задачи управления блоком гидрирования фракции С₅, которая является локальной по отношению к задаче управления по каналу получения бензола.

Секция получения бензола состоит из двух блоков – гидротермопереработки и выделения бензола. Блок гидротермопереработки обеспечивает получение промежуточного продукта, бо­гатого содержанием бензольной фракции. Поэтому основная за­дача управления этим блоком – максимальное превращение бензол-толуол-ксилольной фракции в бензол:

G_бз  max . (7.9)

Выделение бензола заданной чистоты в блоке ректифика­ционных колонн аналогично по характеру выполняемых технологических операций в отделении газоразделения, и по анало­гии с уравнением (7.6) можно сформулировать задачу управле­ния данным блоком в виде

К_бз  К ^о_бз ; Э_бз  min, (7.10)

где индекс «бз» означает блок выделения бензола.

Таким образом, подсистема переработки пироконденсата представлена тремя локальными подсистемами более низкого уровня с задачами управления – по блоку гидрирования (7.7), (7.8), по блоку гидротермопереработки (7.9) и по блоку вы­деления бензола (7.10).

Аналогично формулируются локальные задачи управления и другими секциями пиролизного производства. Ранее при записи задач управления подсистемами для краткости были опущены ограничения на режимные параметры отдельных технологиче­ских аппаратов.