Optimalizálás az olajiparban II.

Átírás

1 Optimalizálás az olajiparban II. BME 2015/2016 II. félév Szimulációs alapok Kubovicsné Stocz Klára

2 Miről lesz szó? Mikor/hol/miért használunk szimulációt Milyen modellek Szimuláció általában Lépések Üzemi model Gázfrakcionáló a DF-ben Model építés ChemCad-ben

3 Miért? Mire jó a szimuláció? Egyedi készülékek/egyszerűbb rendszerek - Üzemi problémák megoldása - Új javaslatok vizsgálata - Mi lenne ha vizsgálatok - Hogyan csináljuk, hogy - Milyen hatása van? - Készülékek működésének vizsgálata Bonyolultabb rendszerek. Teljes üzemi modellek Hőintegráció dinamikus modellek OTS Tervezési adatszolgáltatás (SCM)

4 Szimuláció a Finomítóban Hol és mit? Steady state szimuláció Dinamikus szimuláció Hőcserélők/ hőátadás Hőintegráció Kemence Reaktor modellek Csővezetékek/Piping network Lefuvató rendszerek/safety system

5 Szimuláció Szimuláció? Steady state szimuláció anyag és energia mérlegek különböző esetek vizsgálata szűk keresztmetszetek vizsgálata nem mérhető paraméterek meghatározása Időben állandó Időben változó Dinamikus szimuláció szabályozó rendszerek modellezése paraméterek időbeli változásának vizsgálata 5

6 Alapok Mit csinálunk? Folyamat ábra/process flowsheet P&I /PID Equipments Szimulációs folyamatábra/simulation flowsheet Simulation unit Mi kell hozzá? - áram paraméterek - Készülék paraméterek 6

7 Szimuláció lépései PFD M.e. Komp Termo Alap séma felállítása PFD alapján, készülékek-, áram kapcsolatok Mértékegységrendszer meghatározása SI/British, eltérések Komponensek Összetétel, pseudokomponens, assay data Termodinamika SRK/NTRL. Áram Áram adatok/áram tulajdonságok Készülékek Készülék paraméterek Run Model futtatása Result Eredmények ellenőrzése

8 Gázfrakcionáló üzem Üzem feladata: Az üzem a PB kénmentesítő termékét (az AV-1, AV-2, AV-3 üzemek valamint a HDS és BEK-2 üzemek kénmentesített PB-jét ), a Reformáló-4 üzemi PB-t és stabilgázt, valamint (téli időszakban) a GOK-3 üzemből származó PB-t dolgozza fel, ill. frakcionálja. A feldolgozás termékei: Fűtőgáz: a fűtőgáz gyűjtő és elosztó gerincvezetékbe adják ki. Propán: a propánt PB keveréshez használják, vagy PAM üzembe Bután elegy: a bután elegyet PB, illetve benzinkeveréshez használják. Lehetőség van a vegyipari benzinbe történő kitárolásra is. Izobután: az izobután a HF Alkilezőbe adható tovább vagy a bután elegyhez hasonlóan használható. Normál-bután: a normálbutánt az MSA üzembe adható ki vagy a bután elegyhez hasonlóan használható fel. Pentán frakció (maradék): a maradékot motorbenzinbe vagy vegyipari benzinbe keverik.

9 Gázfrakcionáló üzem Fűtőgáz C3 C4 elegy I-bután E-107 E-113 E-124 E-119 E-117 E-122 E E P-301 E-116 E-109 E-115 E-126 E-121 E-128 E-127 C5+ N-bután

10 FELADAT Feladat Egyszerű folyamatábra vs PFD

11 1. lépés: Folyamatábra/PFD PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result Feladat: kiosztott PFD alapján rajzold meg az egyszerű folyamatábrát, a szimulációhoz

12 1. lépés: Folyamatábra/PFD PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result

13 1. lépés: Folyamatábra/PFD PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result

14 2. Lépés Mértékegység rendszer PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result Mértékegységek:_ common SI tömeg : kg idő: h hőmérséklet o C nyomás barg térfogat m 3

15 3. Lépés Komponensek PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result Komponensek: egyedi komponensek jól definiált, ismert, kis CH magas szénatomszám pseudó-komponensek/petroleum komponens desztillációs görbe/sűrűség Probléma: könnyű anyagáramok: Nehéz komponensek elemzési/mintavételi problémák nem beazonosítható komponensek, nincs a rendszerben megfelelő komponens

16 3. Lépés Komponensek PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result Megadható: - név alapján - képlet alapján -programban használt kód alapján Sorrend rendezhető HIDROGEN METAN ETAN ETILEN PROPAN PROPILEN I_BUTAN N_BUTAN I_BUTEN 1_BUTEN CIS_2_BUTEN TR_2_BUTEN 13BUTADIEN I_PENTAN N_PENTAN C6_ES_NEH_M SZENDIOXID SZENMONOXID NITROGEN OXIGEN H2S

17 4. Lépés termodinamika PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result

18 4. Lépés termodinamika PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result

19 4. Lépés termodinamika PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result Termodinamikai módszer kiválasztása a ChemCad-ben: Komponens lista alapján Hőmérséklet és nyomás tartomány Automatikus választási lehetőség Átgondolni

20 4. Lépés termodinamika PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result Termodinamika kiválasztás alapja a rendszerben jelenlevő komponensek, nyomás és hőmérséklet

21 5. Lépés áramok PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result Áram típusok: Betáplálás Termék belső áram Cirkuláció reference áram cirkuláció Belső áram betáplálás Termék Termék

22 5. Lépés áramok PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result Áram tulajdonságok: hőmérséklet nyomás mennyiség összetétel Betáplálás: Termék/belső áram: Cirkulációs áram definiálni számolt indító érték Számolt paraméterek fix tulajdonságok MW, Liq. Molar volume Carbon Number Chemical formula Critical p, T Critical volume Flash point Freezing point GHT (gross heating value) LHV (lower heating value) Normal boiling point Specific gravity hőmérséklet függő Liquid density Thermal conductivity viscosity Vapor pressure

23 5. Lépés áramok PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result Áramok definiálása: összetétel mennyiség thermal condition nyomás hőmérséklet fázis állapot

24 FELADAT 1. Egyszerű folyamatábra vs PFD 2. Mértékegységek/komponensek/termodinamika 3. Áramok

25 1. Program megnyitása 2. Mértékegységek 3. Komponensek/Termodinamika 4. Alapanyag megadása

26

27 Adatok: Betáplálás adatai: 106_alapanyag m/m% HIDROGEN 0,089 METAN 0,206 ETAN 3,609 ETILEN 0,003 PROPAN 35,862 PROPILEN 0,042 I_BUTAN 20,950 N_BUTAN 36,119 I_BUTEN 0,100 1_BUTEN 0,037 CIS_2_BUTEN 0,020 TR_2_BUTEN 0,038 13BUTADIEN 0,000 I_PENTAN 2,134 N_PENTAN 0,473 C6_ES_NEH_M 0,144 SZENDIOXID 0,000 SZENMONOXID 0,060 NITROGEN 0,109 OXIGEN 0,000 H2S 0,003 belépő áram: kg/h Cfok 15 barg 28 szivattyú kilépő barg 32 Szivattyú hatásfok 0,7 kolonna belépő Cfok 58,3

28 6. Lépés Készülékek PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result Készülékek: Valós készülékek szivattyú hőcserélő/process-process és hűtő kolonna Segéd készülékek komponens szeparátor kalkulátor elosztó/keverési pont(keverő)

29 6. Lépés Készülékek PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result Hőcserélők egyszerű hőmérleg alapján számol (ideális eset) belépő áramok paraméterei (T, p, Q) Specifikáció: (csak egy) Egyik kilépő áram hőmérséklete Átadott hőmennyiség Elpárologtatás mértéke Túlhűtés mértéke Túlhevítés mértéke Hőmérséklet különbség Nyomásesés mindkét oldalon (default)

30 6. Lépés Készülékek PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result Hőcserélők részletes Készülék fizikai paraméterei alapján számol belépő áramok paraméterei (T, p, Q) Specifikáció: Készülék típusa (TEMA kód) Elhelyezkedés (vízszintes/függőleges) Köpeny méretek (párhuzamos, soros) Cső szám, méretek, elhelyezkedés. Terelő lemezek, méret, elrendeződés Elpiszkolódási faktor Csonk méretek

31 PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result

32 Triangular patter: + jobb a hőátadási koefficiens + 15%- kal nagyobb felület egységnyi térfogatra - Nagyobb nyomásesés - nehéz tisztítás Square pattern: + kicsi nyomásesés + könnyű tisztítás - kisebb a hőátadő felület + nehezebb, lerakódásra hajlamos áramok Rotated square pattern: közepes nyomásesés

33 6. Lépés Készülékek Kolonna paraméterek: Elválasztás számítása Tányér hatásfok Kondenzátor/reboiler =1/N. tányér Betáplálási tányér Oldalelvétel Kondenzátor típusa: total/parciális/víz dekantálás kondenzációs hőmérséklet /túlhűtés Nyomások: fej nyomás kondenzátor nyomás/nyonásesés fenéknyomás/nyomásesés

34 6. Lépés Készülékek Kolonna paraméterek: Elválasztás élessége: specifikációkkal határozzuk meg specifikációk száma a kolonna szabadsági fokától függ Leggyakoribb specifikációk fej reflux desztillátum hőmérséklete desztillátum mennyisége egy-több komponens mennyisége a desztillátumban egy-több komponens kinyerése fenék tányér hőmérséklet fenék hőmérséklet fenéktermék mennyisége egy-több komponens mennyisége fenéktermékben egy-több komponens kinyerése egy adott tányér hőmérséklete

35 6. Lépés Készülékek Kolonna méretezés/ terhelési számítások: tányéros kolonnák szita buboréksapkás szelepes töltetes kolonnák rendezett rendezetlen

36 6. Lépés Készülékek

37 FELADAT 1. Egyszerű folyamatábra vs PFD 2. Mértékegységek/komponensek/termodinamika 3. Áramok 4. Készülékek 37

38 Kolonna adatok Technológiai jel és megnevezés Etán-mentesítő Propán-mentesítő Bután-mentesítő i-c 4 /n-c 4 elválasztó Teljes magasság, mm Külső átmérő, mm Térfogat, m Falvastagság, mm /14/16/20 Toronybelső FLEXITRAYS mozgó szelepek FLEXITRAYS fix szelepek Fix szelepes Superfrac tá-nyér, egyjáratú Szelepes Flexi-tray tányér, egyjáratú Tányérszám Tányértávolság, mm 409/437,5/583/583/ 400/413,5/413,5/406/ 612* 406/418* 430/ /410 Betáplálás helye Saját tömeg, kg Tervezési nyomás, barg Eng. nyomás, barg Üzemi nyomás, barg Próbanyomás vízzel, bar Tervezési hőmérséklet, C Üzemi hőmérséklet, C Gyártó KVG KVG KVG Vegyépszer Gyártási szám Megjegyzés Tányérszám: valós

39 Adatok: 106 kolonna 112 kolonna 123 kolonna 118 kolonna belépő áram: kg/h Cfok barg 28 6,6 szivattyú kilépő barg kolonna 112 kolonna 123 kolonna 118 kolonna fej nyomás barg 22,47 14,51 5,45 5,95 kond nyomás barg 22,37 14,41 5,35 5,85 fenék nyomás barg 22,89 14,96 6 6,41 elvárt minőség fejtermék kg/h 3878 fej hőm Cfok 63 C4_fejben wt% 0,22 C3_fenékben wt% 0,02 C5 és nehezebb fejben wt% 0,1 ic4 fenékben wt% 1 1 nc4 fejben wt% 5 tányérszám betáplálás hatásfok 75,00% 86,00% 70,00% 78,00%

40

41 6. Lépés Készülékek PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result -Elméleti tányérszámot adunk meg - Kondenzátor és reboiler 1-1 tányérnak számít - Betáplálásnál is figyelembe kell venni a kondenzátort - Ügyelni kell a fej/kondenzátor/fenéknyomásra - Ügyelni kell total/partial kondenzator

42 Adatok: belépő áram: kg/h Cfok 15 barg 28 szivattyú kilépő barg 32 Betáp hőm Cfok 58,3 106 kolonna 112 kolonna fej nyomás barg 22,37 14,51 kond nyoás barg 22,47 fenék nyomás barg 22,89 14,96 tányérszám tányérhatásfok 0,8 0,8 betáplálás tányér elvárt minőség fejtermék kg/h 3878 fej hőm Cfok 63 C4_fejben wt% 0,22 C3_fenékben wt% 0,02

43 FELADAT 1. Egyszerű folyamatábra vs PFD 2. Mértékegységek/komponensek/termodinamika 3. Áramok 4. Készülékek 5. Reference áram 43

44 Reference áramok kolonna belső áram kivétele reflux számítás hűtés számítása fenék cirkuláció számítása egyéb belső cirkulációk számítása

45 FELADAT 1. Egyszerű folyamatábra vs PFD 2. Mértékegységek/komponensek/termodinamika 3. Áramok 4. Készülékek 5. Reference áram 6. Szabályzó/Controler 45

46 Hűtéshez szükséges vízmennyiség meghatározása Víz adatai: hőmérséklet: nyomás 15 o C 3,5 barg kg/h

47 Gőz meghatározása kolonna visszaforraláshoz gőz adatai: hőmérséklet: nyomás 250 o C 8,5 barg kg/h

48 Eredmények Anyagmérleg Alapanyag kg/h 106 Gáz 3878,0 kg/h 106 fenék 7822,0 kg/h 112 Propán 1061,0 kg/h 112 fenék 6761,0 kg/h kondenzátor reboiler energia víz energia gőz MJ/h m3/h MJ/h kg/h , , , ,5 106_alapanyag 108gáz 112-Propán 112 fenék m/m% m/m% m/m% m/m% HIDROGEN 0,089 0,27 0,00 0,00 METAN_M 0,206 0,62 0,00 0,00 ETAN 3,609 10,89 0,00 0,00 ETILEN 0,003 0,01 0,00 0,00 PROPAN 35,862 80,88 99,74 0,02 PROPILEN 0,042 0,11 0,04 0,00 I_BUTAN 20,950 5,24 0,21 33,21 N_BUTAN 36,119 1,43 0,01 61,68 I_BUTEN 0,100 0,02 0,00 0,16 1_BUTEN 0,037 0,00 0,00 0,06 CIS_2_BUTEN 0,020 0,00 0,00 0,03 TR_2_BUTEN 0,038 0,00 0,00 0,07 13BUTADIEN_MM 0,000 0,00 0,00 0,00 I_PENTAN 2,134 0,00 0,00 3,69 N_PENTAN 0,473 0,00 0,00 0,82 C6_ES_NEH_M 0,144 0,00 0,00 0,25 SZENDIOXID 0,000 0,00 0,00 0,00 SZENMONOXID 0,060 0,18 0,00 0,00 NITROGEN 0,109 0,33 0,00 0,00 OXIGEN 0,000 0,00 0,00 0,00 H2S 0,003 0,01 0,00 0,00

49 Feladat Optimális betáplálási hely reboilerhő Sorozatok1 Sorozatok tányérszám

50

51 Feladat 1. Készítse el a 123 kolonna modelljét 2. Készítse el a 118 kolonna modelljét 3. Határozza meg a fejtermék hűtéshez szükséges víz mennyiségét 4. Határozza meg a kiforraláshoz szükséges gőz mennyiségét 5. Határozza meg az optimális betáplálási helyet Fűtőgáz C3 C4 elegy I-bután E-107 E-113 E-124 E-119 E-117 E-122 E E P-301 E-116 E-109 E-115 E-126 E-121 E-128 E-127 C5+ N-bután

52 Adatok: 106 kolonna 112 kolonna 123 kolonna 118 kolonna belépő áram: kg/h Cfok barg 28 6,6 szivattyú kilépő barg 32 2.áram Cfok 58, kolonna kolonna kolonna kolonna fej nyomás barg 22,47 14,51 5,45 5,95 kond nyoás barg 22,37 14,41 5,35 5,85 fenék nyomás barg 22,89 14,96 6 6,41 elvárt minőség fejtermék kg/h 3878 fej hőm Cfok 63 C4_fejben wt% 0,22 C3_fenékben wt% 0,02 C5 és nehezebb fejben wt% 0,1 ic4 fenékben wt% 1 1 nc4 fejben wt% 5 tányérszám betáplálás hatásfok 75,00% 86,00% 70,00% 78,00%

53 123 betáp 118 betáp Hydrogen 0 0 Methane 0 0 Ethane 0 0 Acetylene 0 0 Propane 0,020 0,021 Propylene 0,000 0,000 I-Butane 33,214 35,264 Butane 61,680 64, Methylprop ene 0,164 0,174 1-Butene 0,061 0,065 Cis-2- Butene 0,034 0,035 Trans-2- Butene 0,065 0, Butadiene 0,000 0,000 I-Pentane 3,693 0,098 N-Pentane 0,819 0,002 Hexane 0,249 0,000 Carbon Dioxide 0 0 Carbon oxide 0 0 Nitrogen 0 0 Oxygen 0 0 Hydrogen Sulfide 0 0 Water 0 0

54 Petroleum assay stream Áram definiálása: mennyiség (tömeg áram) hőmérséklet nyomás desztillációs görbe sűrűség Megadható: Light Ends_ könnyű komponensek MW special data harmatpont folyáspont viszkozítás kéntartalom Desztillációs adatok: TBP (true boiling point) ASTM D86 (v/v %) atm pressure L/M petroleum term. ASTM D1160 (v/v%) vacuum nehéz frakció ASTM D2887 (m/m%) gas kromatográfia SimDis

55 Pseudo komponens generálása Alap beállítások: primary cutpoint set TBP, o F komponens cut/ o F cut/ o F cut/ o F Cut pontok száma kevés Gyengén adja vissza a mért adatokat sok Befolyásolja a számítási időt, CPU idő nagy lesz