Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшая проблема в нефтеперерабатывающей промышленности - обеспечение дальнейшего углубления переработки нефти и существенное увеличение выработки моторных топлив, сырья для химической, нефтехимической II микробиологической промышленности. Эта задача должна решаться преимущественно путем интенсификации и реконструкції.;! действующих установок переработки нефти и нефтяных фракций.
Процессы ректификации являются одними из основньх процессов в нефтеперерабатывающей промышленности, поскольку часто именно ими определяются качества конечных продуктов производства. Отличительной чертой этих процессов являются большие капиталовложения (до 50% стоимости оборудования) при их строительстве и значительные энергозатраты (до 70% всех энергозатрат приходится на процессы ректификации).
Нефтепродукты относятся к классу многокомпонентных смесей. В промышленности при разделении многокомпонентных смесей применяют сложные ректификационные колонны и системы колонн с взаимосвязанными потоками. Применение таких колонн дает возможность существенно повысить эффективность процесса массообмена на тарелках и улучшить энергетические показатели процесса. В связи с этим проблема разработки надежного метода расчета процесса в таких аппаратах имеет большое практическое значение.
Исходя из этого, сформулированы цель и задачи исследований. Они выполнены в соответствии с межотраслевой программой "Глубокая переработка нефтяных остатков" (утверждена Миннефтехкмпромом СССР и Минвузом РСФСР 02.12.86г.), Указом Президента РФ от г. №236 "О государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития".
Цел і, работы. Разработка надежных и быстродействующих методов и алгоритмов расчета процесса ректификации нефтей и нефтяных смесей и сложных разделительных системах для исследования и проектирования промышленных колонн.
Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в задачи исследования входило:
получение надежных аналитических зависимостей для расчета физико-химических и термодинамических свойств углеводородов и узких нефтяных фракций, необходимых для моделирования процессов нефтепереработки;
разработка устойчивых и быстродействующих методов и алгоритмов расчета процесса ректификации нефтяных смесей в сложных разделительных системах с охватом всего многообразия схем разделения.
Научная новизна работы
Разработан принципиально новый метод оценки допустимой точности определения физико-химических и термодинамических свойств углеводородов и узких нефтяных фракций, основанный на интегральной оценке затрат на процесс разделения (эксплуатационных и капитальных) в зависимости от изменения точности их определения. На основании выполненных расчетных исследований сформулированы требования к точности определения физико-химических и термодинамических свойств углеводородов и узких нефтяных фракций и получены аналитические зависимости для их определения, отвечающие этим требованиям.
Получены формулы для определения числа независимых переменных (степеней свободы) системы нелинейных уравнений, описывающих процесс ректификации нефтяных смесей, при закрепленных тепловых на-грузісах и отборах продуктов разделения.
Показано, что нелинейность общей системы уравнений, описывающих процесс ректификации нефтяных смесей, уменьшается, если она разбивается на две подсистемы меньшей размерности с выбором в качестве независимых переменных температур и отношение величин паровых и жидиїх потоков на тарелках
Расчетными исследованиями установлено, что метод Тилле и Гед-деса (с учетом наших модернизаций) наиболее простой в реализации и устойчивый п работе, при расчете процесса ректификации нефтяных смесей и сложных разделительных системах. Метод Льюиса-Матссона .(с учетом разработанных нами модификаций) можно эффективно использовать для расчета процесса ректификации в простых и сложных колоннах с одним вводом сырья.
Для расчета ректификации нефтяных смесей в сложных разде
лительных системах при заданных тепловых нагрузках разработан на
дежный и быстродействующий метод. Это двухконтурный метод, с: опре
делением температур на тарелках во внутреннем итерационном контуре
методом Бройдена с использованием полученных аналитических частных
производных. Соотношения паровых и жидких потоков на тарелках опре
деляются во внешнем итерационном контуре методом простых итераций.
Разработан принципиально новый одноконтурный метод рас
чета сложных ректификационных систем с закрепленными отборами про
дуктов разделения. Линеаризацией функциональных зависимостей эн
тальпий паровых и жидких потоков при температурах на тарелках осуще
ствляется переход от 2/? независимых переменных (температур и соотно
шения величин паровых и жидких потоков на тарелках) к п независимым
переменным (температур на тарелках). При этом система уравнений обще
го теплового баланса также линеаризуется.
Практическая значимость работы
По разработанным методам и алгоритмам расчета процесса ректификации нефтяных смесей в сложных разделительных системах составлены программы их расчета на ЭВМ и ПЭВМ. Разработанные программы переданы для использования в отраслевой фонд алгоритмов и программ Миннефтехимпрома СССР, во ВНИПИНЕФТЬ, Ленгипронефтгхим, НПО "МАСМА".
На основе разработанных методов, алгоритмов и программ в ИПНХП АН РБ(Баш НИИ НП) с 1976 года по настоящее время ведутся работы по оптимизации работы колонного оборудования гри реконструкции действующих и проектировании новых процессов. В течении 1976-1998 гг. работы по колонному оборудованию с применением методов, алгоритмов и программ, разработанных автором, внедрены і! производство следующих предприятий: АО УНПЗ, АО НУНПЗ, АО УФЛНЕФТЕХИМ, Московский, Новополоцкий, Гурьевский, Красноводский НПЗ, Астраханский, Оренбургский ГПЗ, ПО Омскнефтеоргсинтез, Фергананефтеоргсин-тез, Куйбышевнефтеоргсинтез, Пермнефтеоргсинтез. Фактический экономический эффект от внедрения только за 1980-1988 год составил 14.8 млн. рублей в ценах 1990 года.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и республиканских конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе:
на всесоюзном семинаре "Алгоритмизация расчета процессов и аппаратов химических производств, переработки и транспорта нефти и газа на ЭВМ" (г. Киев, 1974 г.); на всесоюзном совещании по теории и практике ректификации нефтяных смесей (г. Уфа, 1975 г.);
на IV всесоюзной конференции по ректификации (г. Уфа, 1978 г.);
на всесоюзном семинаре по оптимизации сложных систем (г. Винницы,1983 г.);
на всесоюзной конференции "Современные машины и аппараты химического производства" (г. Ташкент, 1983 г.); на V всесоюзной конференции по теории и практике ректификации (г.Северодонецк, 1984 г.);
на VI всесоюзной конференции по ректификации (г.Северодонецк, 1991 г.).
на второй научно-практической республиканской конференции но энергоресурсосбережению в Республике Башкортостан, январь 1999 г.
на 9-ом международном конгрессе "Новые высокие технологии для газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи" и 7-ой Международной выставке "Газ.Нефть-99", Уфа, июнь 1999 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 научные работы, в том числе 1 монография, 24 статьи, 16 тезисов докладов и одна депонированная рукопись. Основные материалы, относящиеся к теме диссертации, изложены в научно-технических отчетах Института проблем нефте-химпереработкн АН РБ (БашНИИ НП).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов.
Материалы диссертации изложены на 310 стр. машинописного текста, включая 13 таблиц, 33 иллюстраций, список цитируемой литературы из 193 наименований.