Optimalizálás az olajiparban II. BME 2015/2016 II. félév Szimulációs alapok Kubovicsné Stocz Klára kkubovicsne@mol.hu
Miről lesz szó? Mikor/hol/miért használunk szimulációt Milyen modellek Szimuláció általában Lépések Üzemi model Gázfrakcionáló a DF-ben Model építés ChemCad-ben
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)
Szimuláció a Finomítóban Hol és mit? Steady state szimuláció Dinamikus szimuláció Hőcserélők/ hőátadás Hőintegráció Kemence Reaktor modellek Csővezetékek/Piping network Lefuvató rendszerek/safety system
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
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
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
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.
Gázfrakcionáló üzem Fűtőgáz C3 C4 elegy I-bután E-107 E-113 E-124 E-119 E-117 E-122 E-105 106 112 123 E-111 118 P-301 E-116 E-109 E-115 E-126 E-121 E-128 E-127 C5+ N-bután
FELADAT 1. 1. Feladat Egyszerű folyamatábra vs PFD
1. lépés: Folyamatábra/PFD PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result Feladat: kiosztott PFD alapján rajzold meg az egyszerű folyamatábrát, a szimulációhoz
1. lépés: Folyamatábra/PFD PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result
1. lépés: Folyamatábra/PFD PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result
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
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
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
4. Lépés termodinamika PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result
4. Lépés termodinamika PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result
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
4. Lépés termodinamika PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result Termodinamika kiválasztás alapja a rendszerben jelenlevő komponensek, nyomás és hőmérséklet
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
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
5. Lépés áramok PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result Áramok definiálása: összetétel mennyiség thermal condition nyomás hőmérséklet fázis állapot
FELADAT 1. Egyszerű folyamatábra vs PFD 2. Mértékegységek/komponensek/termodinamika 3. Áramok
1. Program megnyitása 2. Mértékegységek 3. Komponensek/Termodinamika 4. Alapanyag megadása
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 11701 Cfok 15 barg 28 szivattyú kilépő barg 32 Szivattyú hatásfok 0,7 kolonna belépő Cfok 58,3
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)
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)
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
PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result
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
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
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
6. Lépés Készülékek Kolonna méretezés/ terhelési számítások: tányéros kolonnák szita buboréksapkás szelepes töltetes kolonnák rendezett rendezetlen
6. Lépés Készülékek
FELADAT 1. Egyszerű folyamatábra vs PFD 2. Mértékegységek/komponensek/termodinamika 3. Áramok 4. Készülékek 37
Kolonna adatok Technológiai jel és megnevezés 106 112 123 118 Etán-mentesítő Propán-mentesítő Bután-mentesítő i-c 4 /n-c 4 elválasztó Teljes magasság, mm 32020 39012 22058 51500 Külső átmérő, mm 1800 2500 1600 2000 Térfogat, m 3 166.75 36.95 148.5 Falvastagság, mm 30 25 12 12/14/16/20 Toronybelső FLEXITRAYS mozgó szelepek FLEXITRAYS fix szelepek Fix szelepes Superfrac tá-nyér, egyjáratú Szelepes Flexi-tray tányér, egyjáratú Tányérszám 43 72 28 100 Tányértávolság, mm 409/437,5/583/583/ 400/413,5/413,5/406/ 612* 406/418* 430/438 400/410 Betáplálás helye 17 16 18 54 Saját tömeg, kg 63500 93000 19200 39900 Tervezési nyomás, barg 40 21 10 8 Eng. nyomás, barg 40 21 7 8 Üzemi nyomás, barg 30 15 7 7 Próbanyomás vízzel, bar 50 8.75 Tervezési hőmérséklet, C 130 150 150 100 Üzemi hőmérséklet, C 120 110 100 70 Gyártó KVG KVG KVG Vegyépszer Gyártási szám 5321 5264 5320 87752 Megjegyzés - - - - Tányérszám: valós
Adatok: 106 kolonna 112 kolonna 123 kolonna 118 kolonna belépő áram: kg/h 11701 4850 Cfok 15 60 58 barg 28 6,6 szivattyú kilépő barg 32 106 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 43 72 28 100 betáplálás 17 16 18 54 hatásfok 75,00% 86,00% 70,00% 78,00%
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
Adatok: belépő áram: kg/h 11701 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 40 78 tányérhatásfok 0,8 0,8 betáplálás tányér 16 18 elvárt minőség fejtermék kg/h 3878 fej hőm Cfok 63 C4_fejben wt% 0,22 C3_fenékben wt% 0,02
FELADAT 1. Egyszerű folyamatábra vs PFD 2. Mértékegységek/komponensek/termodinamika 3. Áramok 4. Készülékek 5. Reference áram 43
Reference áramok kolonna belső áram kivétele reflux számítás hűtés számítása fenék cirkuláció számítása egyéb belső cirkulációk számítása
FELADAT 1. Egyszerű folyamatábra vs PFD 2. Mértékegységek/komponensek/termodinamika 3. Áramok 4. Készülékek 5. Reference áram 6. Szabályzó/Controler 45
Hűtéshez szükséges vízmennyiség meghatározása Víz adatai: hőmérséklet: nyomás 15 o C 3,5 barg 5000-60000 kg/h
Gőz meghatározása kolonna visszaforraláshoz gőz adatai: hőmérséklet: nyomás 250 o C 8,5 barg 1000-5000 kg/h
Eredmények Anyagmérleg Alapanyag 11701 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 106 2193 23,85 4422 2017,5 112 2445 26,59 3326 1517,5 106_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
Feladat Optimális betáplálási hely reboilerhő 7000 6000 5000 4000 3000 Sorozatok1 Sorozatok2 2000 1000 0 10 20 30 40 50 tányérszám
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-105 106 112 123 E-111 118 P-301 E-116 E-109 E-115 E-126 E-121 E-128 E-127 C5+ N-bután
Adatok: 106 kolonna 112 kolonna 123 kolonna 118 kolonna belépő áram: kg/h 11701 4850 Cfok 15 60 58 barg 28 6,6 szivattyú kilépő barg 32 2.áram Cfok 58,3 106 112 123 118 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 43 72 28 100 betáplálás 17 16 18 54 hatásfok 75,00% 86,00% 70,00% 78,00%
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 64,273 2- Methylprop ene 0,164 0,174 1-Butene 0,061 0,065 Cis-2- Butene 0,034 0,035 Trans-2- Butene 0,065 0,067 1-3- 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
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
Pseudo komponens generálása Alap beállítások: primary cutpoint set TBP, o F komponens 100-800 28 25 cut/ o F 800-1200 8 50 cut/ o F 1200-1600 4 100 cut/ o F Cut pontok száma kevés Gyengén adja vissza a mért adatokat sok Befolyásolja a számítási időt, CPU idő nagy lesz