книги / Моделирование физико- химических процессов нефтепереработки и нефтехимии

Из табл. Х -13 ви део , что, как правило, существует возмож­ ность увеличения отбора бензина оптимальным подбором режим­ ных параметров на 1,5 —2%. Вместе с тем возможны ситуации* когда процесс проводится в условиях!, близких к оптимальным; при этом эффект от оптимизации незначителен (изменение выхода бензина составит менее 1%). Это вполне понятно-, так как иногда операторам стихийно удается приблизиться к оптимуму.

Значительное увеличение суммы бензина и дизельного топ­ лива (до 11%) можно получить за счет изменения режимных пара­ метров, поскольку указанный критерий обычно не используется при оперативном управлении.

Аналогичный подход использован и для процесса каталити­ ческого облагораживания бензина [48]. Этот процесс также про­ водится в движущемся слое и описывается системой уравнений

балансов в соответствии со схемой: N

А — ►Лл.Ф — ►ГхГ+л'гБ + ГзЛф + г^к

Математическое моделирование процессов крекинга в кипящем слое и восходящем потоке катализатора. Для процесса в кипящем слое катализатора предлагалось считать [49], что сырье движется

визотермическом потоке идеального вытеснения, а катализатор —

впотоке идеального перемешивания. При этих допущениях вид математического описания будет тот же, что и приведенный выше; но в него не войдет уравнение теплового баланса. В работах [50, 51] считали изотермическими потоками идеального перемешивания и движение сырья, и движение катализатора. В цитированных выше работах получено удовлетворительное совпадение экспери­ ментальных и рассчитанных данных.,

Возможность обработки результатов по таким, казалось бы, противоречивым математическим описаниям объясняется тем, что авторы обрабатывали данные, в которых изменение режимных характеристик и выходов продуктов незначительно. При неболь­ шом изменении функции и аргумента даже существенно нелиней­ ная зависимость dGfdV для потока вытеснения близка к линейной dG/dV — const = AG/V, справедливой для потока перемешивания.

Авторы работы [51] обратили внимание на то, что в процессах

скипящим слоем в транспортной линии (до входа в реактор) смешиваются потоки катализатора и сырья и идет интенсивный процесс крекинга. Они предложили двухстадийный расчет про­

цесса в кипящем слое: для изотермического потока идеального вытеснения в транспортной линии и для изотермического потока идеального перемешивания в реакторе: Такой подход представ­ ляется оправданным и эффективным для целей управления.

Следует учитывать, что кипящий слой нельзя рассматривать как однородную структуру. В нем существуют так называемая плотная фаза (содержащая катализатор) и газовые пузыри, причем между этими двумя фазами идет непрерывный массообмен, а хи­ мический процесс осуществляется в плотной фазе. Установлено,

374

что благодаря быстрому теплообмену кипящий слой можно счи­ тать изотермическим, поэтому для расчета процесса в нем исполь-

.зугот комбинированную модель, которую принято называть двух­ фазной. Продемонстрируем структуру уравнений такой модели.

Будем считать, что линейная скорость потока v одинакова в обеих фазах, q — доля объема плотной фазы, а — поверхность фаз в единице объема аппарата, Р — константа скорости межфаз­ ного обмена, S — сечение аппарата. Концентрации вещества i в обеих фазах в элементарном объеме аппарата на расстоянии х ют входа в него соответственно Cin и Cir.

Составим для стационарного режима уравнение материального •баланса по веществу i (см. главу II). Для этого выделим элемен­

тарный слой сечением S и толщиной dx.							В этом слое в направле­
нии потока концентрации меняются от							С,- п	до С; п	dCt п и от
€ 1Г до Cir -\- dClT. Составляющие						баланса даны ниже для плот­
ной фазы:
		Приход i		в элементарный слой =
	с основным		с перемешиваю-				из газо-
	потоком		щим потоком				вых пу­
							зырей
Г			d (С* п ™f~dC; п)					"1	-
	n+ Di пSq -			’- -J -		+ P (Ci г-		Ci „) a S dxJ
	= уходу i из элементарного						слоя
	с	основным		с перемешивающим на ре­
		потоком			потоком		акцию
			(С[ n + dCV п) -f~ Dt пSq				^	-|- wS dsj
С учетом того, что d(dCln)Idx = (d2Cin!dx2) dx\ получим:
	d2C( п		dCi п		. ра
Di п		dx2	v dx		q	(Ci r - C i n) - — w = 0			(Х.21а)
с граничными условиями
с т	г	т	г		п	d2C‘ n(0)		dCt п (0)	л
Ot П	—	г (0) = C i о			Di п	^2---- —		v ----- ~ -------- 0
								dx
Аналогично для газовых пузырей найдем (отсутствует переме­
шивающий	поток):
		v	dCi г		Ра
			dx		1— Я (Ci г—		п) = 0		(Х.216)

с граничным условием: С[г (0) = CiQ. В уравнениях (Х.21) w — общая скорость расходования вещества во всех простых стадиях (скорость образования войдет со знаком «плюс»). Записывая уравнения (Х.21 а) и (Х .216) для каждого компонента схемы (Х .20), получим математическое описание каталитического кре­ кинга в кипящем слое. Хотя решение такой системы дифферен­ циальных уравнений не вызывает затруднений (см. главу V),

372

однако ввиду ограниченности экспериментальных данных сложно определить значения коэффициентов D in, q, (}, т. е. решить обрат­ ную задачу.

Ясно поэтому, что применение рассмотренного математиче­ ского описания требует выполнения значительного объема гидро­ динамических исследований методами, рассмотренными в главе III. С этой целью следует использовать иерархический подход, раз­

витый	в работах	М. Г. Слинько с сотр. [52].
В	последние	годы интенсивно исследуются процессы катали­

тического крекинга в восходящем потоке катализатора, создавае­ мом параллельным скоростным потоком углеводородов. Гидро­ динамика восходящего потока изучена недостаточно. Сообщается [53], что этот поток, как и поток в транспортной линии реактора

с	кипящим слоем, характеризуется идеальным вытеснением.
В	этом случае структурой математического описания (табл. Х-1)

можно пользоваться и для восходящего потока. Однако в усло­ виях высоких и близких линейных скоростей потоков катализа­ тора и сырья определение вида w требует анализа внешнедиффузиопных эффектов (см. главу IX ). Второе существенное обстоя­ тельство, которое нужно учитывать для рассматриваемых типов аппаратов, — это блокирование поверхности микрозерен катали­ затора коксом (см. стр. 348).

Уже отмечалось, что дезактивация — процесс более медлен­ ный, чем крекинг. Можно считать [54], что если максимальное

время, необходимое для химического	превращения, равно 10 с,
то дезактивация протекает в течение	1012—7654310е с. Это позволяет

не использовать нестационарную модель в частных производных, а дополнить стационарное математическое описание уравнениями

для изменения	констант скоростей	со временем (см. табл. Х-1).
В работе [53]	продемонстрирована	возможность такого подхода

для расчета каталитического крекинга в восходящем потоке. Оптимизация по такой структуре математического описания тре­ бует применения прямых вариационных методов и проиллюстри­ рована в главе VI.

ЛИТЕРАТУРА

1.	Бельцов Б . А. «Химия итехнология топлив пмасел», 1967, № 4, с. 31—35.
2.	Рубекин Н. Ф. «Химия и технология топлив и масел», 1966, № 6,
3.	с. 40—44.
	Крейн Г . Д ж . и др. Труды IV Международного нефтяного конгресса.
4.	Т. 3. М., Гостоптехиздат, 1961, с. 34—60.
	Sm ith 1. М. Chem. Eng. Progr., 1959, v. 55, № 6, p. 76—83.
5.	Ж оров Ю. M . и др. «Кинетика и катализ», 1965, т. 6, № 6, с. 1092—109S.
6.	Ж оров Ю. М. и др. «Химия и технология топлив и масел», 1965, № 1,

с.12—16.

7.Иоффе И . И . и др. Труды II Всесоюзной конференции по химическим

реакторам. Т. IV. Новосибирск, 1966, с. 720—729.

373

8.Рубекин Н. Ф. и др. Научно-техническая конференция по применении» математических методов и средств вычислительной техники в системе

управления. М., ЦНИИТЭнефтехпм, 1966, с. 40—49.

9.Ж оров Ю. М. Использование методов химической кинетики для раз­ работки, моделирования и оптимизации процессов нефтеперерабатыва­ ющей и нефтехимической промышленности. Автореф. докт. дисс. М .,

МИНХ и ГП, 1967. 35 с.

10.Жоров Ю. М. Расчеты и исследования химических процессов нефтепере­ работки. М., «Химия», 1973. 214 с.

11.Розовский Я . А ., Щ екинВ . В . Труды института нефти. Т. 10. М., Изд-во АН СССР, 1957, с. 293 -308 .

12.Шумский В . М. и др. «Автоматизация и КИП». М., ЦНИИТЭнефтехпм,. 1975, № 12, с. 5 -1 0 .

13.Жоров Ю. М. и др. «Кинетика и катализ», 1967, т. 8, № 3, с. 658—663.

14.Nelson W. L . Oil a. Gas J., 1971, № 30, р. 122—123.

15.	M axted Е . D. Adv. in Cat., 1951,	v. 3,	p. 129—174.
16.	Weekman V. W. Ind. Eng. Chem.	Proc.	Des. Dev., 1968, v. 7, № 1,

p. 1235-1240.

17.Blanding F. H. Ind. Eng. Chem., 1953, v. 45, № 7, p. 1186—1192.

18. Woichechowsky B . W. Canad. J. Chem. Eng., 1968, v. 46, № 1,

р. 4 8 -5 5 .

19.Ланченков Г . M. ЖФХ, 1948, т. 22, с. 209—216.

20.Левиптер М. Е ., Ланченков Г. М. «Химия и технология топлив и масел»,

1966, № 3, с. 9—13.

21. Жоров Ю. М. и др. «Химия и технология топлив и масел», 1971, № 10,

с. 10 -14 .

22.Bubo G„ Szekly A. Acta Chim. Hung., 1952, № 2-3, p. 273—281.

23.Введенский А. А. Термодинамические расчеты нефтехимических процес­ сов. М., Гостоптехиздат, 1960. 530 с.

24.Орочко Д. И ., Сулимов А. Д ., Осипов Л. Н. Гидрогенизацпоппые процессы в нефтепереработке. М., «Химия», 1971. 350 с.

25.Кацобашвили Я . Р. и др. Труды института нефти. Вып. 8. М., Изц.-во АН СССР, 1956, с. 153.

26.К арж евВ . И ., Шаволина Н. В . Труды ВНИИ НП. Вып. 13. М., «Химия», 1969, с. 268-270.

27.Ланченков Г. М ., Васильева И. И ., Жоров IO. М . «Нефть и газ», 1967, № 12, с. 1 2 -17 .

28.Сб. «Каталитические процессы переработки нефти». М., «Химия», 1971, с. 40.

29.Сб. «Новейшие достижения нефтехимии и нефтепереработки». Т. 9—10. М., «Химия», 1970, с. 190—195.

30.Гоникберг М. Г ., Ли-Гуан-нянъ. ДАН СССР, 1960, т. 130, с. 763.

31.Quader S. A . J. Inst. Petrol., 1970, v. 56, р. 187.

32.Альтшулер С. А ., Агафонов А. В ., Ботников А . А . «Химия и технология топлив и масел», 1970, № 10, с. 7—11.

33.Альтшулер С. А. и др. «Химия и технология топлив и масел», 1969, № 1, с. 2 7 -3 0 .

34.Кацобашвили Я . Р ., Голосов С. А . ЖПХ, 1960, т. 31, с. 1369.

35. П ережигина И . Я .,	Осипов Л. Н. Гидроочистка нефтепродуктов. М.,
ЦНИИТЭнефтехпм,	1975. 49 с.

36.Бычкова Д . М ., Сулимов А. Д . Труды ВНИИ НП. Вып. 13. М., «Химия», 1970, с. 50—68.

37.Ж оров Ю. М ., Ланченков Г . М. «Химия и технология топлпв и масел», 1969, № 8, с. 4—8. Ланченков Г. М ., Федоров В . В ., Ж оров IO. М . При­

менение математических описаний для проектирования химических процессов. М., ЦНИИТЭнефтехпм, 1968. 55 с.

38. Ж оров IO. М . и др. «Нефтепереработка и нефтехимия», 1970, № 5,

с.10—14.

39.Carr N . L ., Stanfield D. L . «Techniques de petrole», 1968, № 2960, p. 39.

374

40.	Beuther II., Schm idt В . VI				World Petrol. Congr.,	1963, Sec. Ill, p. 20.
	Garder S. A .,			N ill G. K .	Ind. Eng. Chem. Proc.	Des. Dev., 1968, v. 8.
	№ 8,	p. 98.				'
41.	Ж оров 10.		M .,	Панченков Г . M. «Химия и технология топлив и масел»,
	1973,	№	10,	с. 5—9.

42. Оболенцев Р. Д ., Машеина А. В . Гидрогенолиз сероорганпческпх соеди­ нений нефти. М., Гостоптехиздат, 1961. 240 с.

43. Альтшулер С. А. л др. «Нефтепереработка и нефтехимия». М., ЦНИИТЭнефтехпм, 1970, № 6, с. 11—13.

44.Панченков Г . М. и др. «Нефть л газ», 1966, № 6, с. 49—53.

45.Орочко Д . И. Теоретические основы ведения синтезов жидких топлив. М., Гостоптехиздат, 1951. 420 с.

46.Ж оров Ю. М П а н ч е н к о в Г . М. Труды МИНХ и ГП, вып. 37. Кинетика,

	катализ, нефтехимия. М., ГОНТИ, 1962, с. 12—22.
47. Ж оров Ю. М . и др. «Нефть и газ», 1971, № 3, с. 49—57.
48.	Ж оров Ю. М . и др. «Нефть и газ», 1973, № 8, с. 55—58. Панченков Г. М.
49.	и др. Автоматизация и КИП. М., ЦНИИТЭнефтехпм, 1970, № 7,.с. 1—3.
	Орочко Д . И ., Чернакова Г . Н. Азерб. хим. ж., 1970, № 3, с. 27—28.

50.Панченков Г . М. и др. «Химия и технология топлив и масел», 1965, № 4, с. 11—15.

51.Pachowsky It. A ., Wojciechowsky В . W. Canad. J. Chem. Eng., 1974, v. 52,

№ 5, p. 625—629.

52. Слинько M. Г. — В кн.: Научные основы приготовления катализаторов. Новосибирск, Изд-во СО АН СССР, 1968, с. 68—82.

53. P araskos У. А . а. о. Ind. Eng. Chem. Proc. Des. Dev., 1976, v. 15, № 1, p. 165—169.

54. М атрос Ю. Ш. — В кн.: Катализаторы и каталитические процессы. Новосибирск, Изд-во СО АН СССР, 1977, с. 111—134.

Заключение

Из изложенного выше видно, что при решении технических проблем нефтепереработки и нефтехимии инженеры — исследо­ ватели, проектировщики и эксплуатационники — могут получить полезную и интересную количественную информацию, применяя в сочетании методы физического и математического моделирования.

Не следует, однако, забывать, что применение этих методов не является самоцелью. Моделирование — это инструмент, который помогает инженерам, но не заменяет их. Только квалифи­ цированное и эффективное использование методов моделирования для решения технических задач в короткие сроки будет способ­ ствовать успеху инженерного поиска. Превращение же инжене­ рами моделирования в самоцель может только дискредитировать это направление.

Применительно к процессам нефтепереработки и нефтехимии при решении технических задач следует избегать излишней дета­ лизации знаний о процессе, стремления создавать и использовать сложные многоразмерные математические описания. Выше пока­ зано, что математические описания таких процессов могут быть довольно просты. Во многих случаях для создания сложных

375

математических описаний нет достаточной информации, и их при­ менение не будет корректным; кроме того, нет уверенности, что сложные математические описания позволят с большей эффектив­ ностью решать технические задачи, чем простые.

Как научное направление, моделирование процессов нефте­ переработки и нефтехимии развивается и совершенствуется, по­ добно самим процессам. Открываются интересные проблемы для научных работников в создании новых методов исследования, совершенствовании структур математических описаний, алгорит­ мов расчетов. Так, становится очевидной ограниченность области применения детерминированных описаний, однако не развиты методы создания вероятностных описаний, учитывающих физико­ химические закономерности.

Как в СССР, так и во всем мире большое число инженеров и научных работников связывают свою деятельность с процес­ сами нефтепереработки и нефтехимии. Использование 'и развитие методов моделирования сделают их деятельность более эффектив­ ной.

ЮРИЙ МОИСЕЕВИЧ ЖОРОВ

Моделирование физико-химических процессов нефтепереработки и нефтехимии

Редактор Р. Е. Миневич Художник Н. В. Носов

Художественный редактор Н. В. Носов Технический редактор Г. И, Косачева Корректоры Л. В . Лазуткипа, Н. А, Иванова

ИБ № 350

Сдано в.наб. 7. 12. 77.				Подп. к печ. 17. 04. 78
Т-06252.	Формат бумаги 60 х			90l/ lC.	Бум. тип. Кв 2
Гарпитура	обык. новая.		Высокая печать.
Уел. печ. л. 23,5.		Уч.-изд. л.		23,56.	Тираж 3400 экз.
Зак. 672.	Цепа	3 р. 80	к.	Изд. Кв	1294,

Издательство «Химия». Москва, Стромынка, 13.

Ленинградская типография Кв 6 Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР

по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 196006, Ленинград, Московский пр., 91.