3.5 Влияние на эффективность орошения
Энергозатраты на ректификацию, служащие критерием общей технико-экономической эффективности процесса, в основном состоят из двух частей: подвод энергии на создание парового потока (Qw) и энергозатраты на охлаждение орошения и дистиллата (Qd), поэтому поток орошения относится к таким воздействиям (тип U) на качество разделения, изменение значения которых влечет за собой основные изменения энергозатрат.
На рисунке 3.14 представлен график зависимости критериев N и М от орошения.
Из рисунка 3.14 видно, что для каждой колонны существует область (выделена синим прямоугольником), увеличение орошения выше которой не приводит практически к уменьшению примесей. На рис 3.15 приведены зависимости энергозатрат в колонне К-101 от расхода орошения и отбора при оптимальном вводе питания. Эти зависимости очень просты и носят типовой линейный характер для всех типов колонн.83
м
&¦*+ +-&07
Область оптимальных орошений
сг-tj
'?}&&
&*2
?}&S
C>4S
G4J?>,J9 -¦ 0,02
0УУ " ?>.&/
j?/l{ АГЛГ&^га,
/ ?
J •*"
.?
Энергия на разделение Z = 8,1987*1,23'х-0.0085*у Ось Z - энергозатраты, тыс. ккал /ч Ось У - отбор от потенциала, доли единицы Ось X - ооошение. кмоль/ч Рисунок 3.15- Типовая поверхность зависимостей энергозатрат на разделение от отбора и орошения (на примере данных К-101) Как видно из графиков на рисунке 3.15 наиболее сильным влиянием на энергозатраты обладает орошение. Это означает, что связь энергозатрат с качеством продуктов осуществляется в основном через изменения потока орошения и его минимизация (при условии обеспечения требуемого качества продуктов) является главным условием оптимальности режима по критерию минимума энергозатрат. 3.6 Структурная и параметрическая идентификация типовой модели статики процесса ректификации и выбор критерия оптимальности На базе результатов моделирования процесса в различных типах колонн можно сделать следующие выводы: 1) При выбранных'(оптимизированных) конструктивных параметрах (заданном числе тарелок в колонне л, постоянном давлении Р, постоянной температуре 85
орошения Tin, заданном уровне ввода питания nfи температуре питания Tf), а также при постоянных входных параметрах питания: количестве F, составе сырья Zf— качество разделения (оцениваемое по критериям М, N, или по значениям примесей в продуктах Xdm, XWJ1) и энергозатраты ректификационной колонны (Q) определяются только двумя независимыми режимными переменными: долей отбора целевого продукта от потенциала (е/е0); потоком орошения (Ln.). 2) Если принять в качестве целевых выходных переменных значения примесей {Xdm, XWJ) (или суммы этих примесей М) в продуктах разделения, то для узкого диапазона рабочих изменений (степени извлечения е/е0 от 0,90 до 0,99 и от 1,01 до 1,10 и орошения (Ln) от 0,8 до 1,4 от базовых значений,) типовая модель статических зависимостей выходных переменных от основных факторов процесса ректификации в колоннах различного типа может быть представлена следующими линеаризованными выражениями: Xdnr&o + &\* e/e0+ &M*Ln (3.11) XWJI=B1o + Bli* ele. где обозначения те же, что и для выражений 3.1-3.6. Зависимость энергозатрат от основных факторов процесса (целевая функция) имеет отчетливо линейный характер в соответствии с рисунком 3.15 в широком диапазоне изменений основных факторов режима: Q=B>o + Я3.* е/еь + В>ы*Ьп (3.13) Если выразить в уравнениях 3.11-3.12 основные факторы процесса (е/е0 и Ln) через содержание примесей в продуктах ( Xdm, XWJI) и подставить полученные выражения в 3.13, то можно получить зависимость энергозатрат от содержания примесей в продуктах. Как показано выше (в соответствии с рисунками 3.11, 3.12, 3.13, 3.14 и 3.15) улучшение качества разделения при ректификации (снижение содержания примесей) требует увеличения энергозатрат. Типовая структура этой зависимости с учетом знаков коэффициентов будет иметь следующий вид: Q=K,-K{*Xdm-K2*XWJ1 : : . (3.14) 86
Для реального процесса существенно наличие ограничений по качеству продукта , то есть задания одного или нескольких ограничений вида: Xdm, Д Q= - Кх * (Xdin>-X dm)- K2 * {XWJ1-X), (3.16) то можно увидеть, что минимум энергозатрат при качестве не ниже заданного, достигается при условии: Xdnb=X dm XWJf=X (3.17) Именно в этой точке AQ меняет знак. Для определения координат минимума энергозатрат в пространстве основных факторов процесса (е/е0 и Ln при условии заранее оптимизированных конструктивных параметров) необходимо подставить условие 3.17 в выражения 3.11 и 3.12, получив координаты точки пересечения трех поверхностей (точка В на рисунке 3.16 или ее проекция - точка В1 на рисунке 3.17): поверхности (Ш) зависимости примесей легких в "нижнем" продукте; поверхности (П2) зависимости примесей тяжелых в "верхнем" продукте; плоскости ограничений (ПЗ) по содержанию примесей. Таким образом, минимум энергозатрат приходится на область извлечения целевого продукта (рис. 3.16,3.17), близкую к потенциалу (е/е^=1) при расходе флегмы, обеспечивающей минимум запаса по качеству. Например, для колонны К-101 при заданном значении примесей в дистиллате и кубе не более 0,07 молей {X задш1Ное =0,07) локализация минимума энергозатрат будет определяться решением системы трех уравнений: A^/n=0.112-0.002*LN+0.0008*(e/e0) (3.18) Xlw=-0.6226+0.00876*LN+0.4956*(e/e0) s*.dm Л худ Л. Предложенный подход позволяет отказаться от непосредственного использования функционала, связывающего энергозатраты (Q) с основными режимными факторами и примесями в сложных алгоритмах его минимизации, и ограничиться 87
контролем и минимизацией разницы фактического и заданного содержания примесей в продуктах с использованием только зависимостей {3.11) и (3.12), что позволяет минимизировать (Q) опосредовано.
Ось Z - примеси, % моль Ось X - орошение, кмоль/ч Ось У - отбор от потенциала, ? 20
Рисунок 3.16- Типовая упрощенная (линеаризованная) топология основных статических поверхностей ректификации (на примере колонны К-101)
Энергия на разделение Z = 8,1987+1,23*x-0,0085*y Ось Z - энергозатраты, тыс. ккал /ч Ось У - отбор от потенциала, доли единицы Ось X - опошение. кмоль/ч Рисунок 3.17- Типовая поверхность зависимостей энергозатрат на разделение от отбора и орошения (на примере данных К-101) На основании вышеизложенного можно заключить, что контроль примесей в продуктах с целью минимизации запаса по качеству является основным принципом оптимального управления ректификацией по критерию минимум энерогозатрат и вид типового функционала энергетической эффективности процесса четкой ректификации в общей форме может иметь следующий вид:
(3.19) / = V \VLJL 1—'-dr -» Min, эр* L-i J ' r2-rl где V;- вес (значимость, важность) i-то продукта; Ху, Xff3$#-текущие и заданные (оптимальные установки) значения примесей в продуктах, т.е. концентрации /-го ключевого компонента ву-том продукте разделения; j = \7n.
Такой функционал имеет смысл минимума энергозатрат на процесс при качестве не ниже заданного. Таким образом, оптимизация ректификации сводится к удержанию минимального запаса по качеству продуктов (минимальной разницы между заданными и фактическими значениями примесей в продуктах), что равносильно поиску точки пересечения трех поверхностей (точка В на рисунке 3.16), доставляющей минимум энергозатрат (минимум орошения при оптимальном отборе дистиллата и заданном содержании примесей). Рисунок 3.18- Плановые распределения узких фракций по продуктам (на примере LP-модели установки АВТ-5 ОАО «КНПЗ») Критерий в виде (3.19) не применим для ректификации нефти, так как примеси индивидуальных компонентов (Х0 в смежных фракциях идентифицированы быть не могут. 90
Рисунок 4.8 - Сравнение расчетных и фактических значений модельной нефтесмеси (погрешность 0,6% мае.) 6 7 Номер анализа —О—Расчетное содержание фракций до 360 "С ф Расчетное содержание фракций до 180 "С —А— Фактическое содержание фракций до 360 °С —О—Ф активе кое содержание фракций до 180 °С Рисунок 4.9 - Сравнение расчетных и фактических данных по фракционному составу перерабатываемой нефтесмеси (погрешность 1,5-1,7 % мае.)
2003 г Фиксированный пробег
Содержание Температура сырья К-2 Рисунок 5.6 - Снижение светлых в мазуте К-2 в ходе оптимизации режима Как видно из данных рисунка 5.6, в ходе пассивного внедрения рекомендаций в период 2003 года было достигнуто снижение потерь светлых с мазутом на 1% мае. (с 12% в 2002 году до 11% в 2003 году). В ходе активного эксперимента (фиксированного пробега) с использованием математической модели объекта удалось достичь снижения потерь еще на 4% (с 11 до 7%). Таким образом, общее снижение потерь светлых составило 5% или около 42% первоначального содержания.