XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Аннотация

Переработка нефти – сложный процесс, для проведения которого требуется привлечение специализированного оборудования. Автоматизация технологических процессов и производств позволяет освободить человека от выполнения некоторой работы, и делает это в разы быстрее и качественней. Автоматизированные системы управления технологическими процессами являются важными факторами в поднятие производительности труда, а также в увеличение качества произведённой продукции и экономии энергии, сырья и времени. Всё это делает автоматизацию производственных процессов одной из основных направлений технического прогресса.

Для полного понимания работы участка гидроочистки технологического процесса каталитического риформинга приведено его подробное описание. Процесс рассмотрен, как и с технологической стороны, так и с химической. В проекте подробно изучены процессы и аппараты объекта управления, которые используются для построения автоматизированной системы управления. Проведён полный анализ положительных и отрицательных сторон данной технологической схемы гидроочистки в процессе каталитического риформинга.

Ключевые слова: автоматизированные системы управления, каталитический риформинг, участок гидроочистки.

Annotation

Oil refining is a complex process that requires the involvement of specialized equipment. Automation of technological processes and production allows you to free a person from doing some work, and does it many times faster and better. Automated control systems for technological processes are important factors in raising labor productivity, as well as in increasing the quality of manufactured products and saving energy, raw materials and time. All this makes the automation of production processes one of the main directions of technical progress.

For a complete understanding of the operation of the hydrotreating section of the catalytic reforming process, its detailed description is given. The process is considered, both from the technological side and from the chemical one. The project details the processes and devices of the control object, which are used to build an automated control system.A complete analysis of the positive and negative aspects of this technological scheme of hydrotreating in the process of catalytic reforming has been carried out.

Key words: automated control systems, catalytic reforming, hydrotreating section.

Введение

Каталитический риформинг – ведущий процесс производства высокооктановых составляющих бензина для автомобилей и не только. На большинстве нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) присутствуют данные установки каталитического риформинга.

Развитие производства бензинов зависит напрямую от улучшения ведущих эксплуатационных свойств бензина: содержания ароматических углеводородов, денотативной стойкости топлива, давления насыщенных паров. Данный вопрос является основополагающим этой работы и имеет практическое внимание к задаче [1].

Риформинг – это процесс производственной переработки бензиновых и лигроиновых фракций нефти, целью которой является получение бензинов высшего класса. В 40-ых годах появились первые установки каталитического риформинга, которые предназначались для облагораживания прямогонных лигроиновых и бензиновых фракций.

Технология производства и переработки углеводородного сырья, а также сама составляющая всех получаемых продуктов постоянно изменяется за счёт того, что проводится разработка и освоение различных конфигураций процесса. Постоянно усовершенствуется схемы производственных процессов, создаются катализаторы с улучшенными характеристиками, появляются всё больше качественных оборудований.

Нефтеперерабатывающий завод представляет собой сложный комплекс технологических объектов, осуществляющих в первую очередь производство топлива и масел для различной техники.

Важнейшая задача АСУ – повышение эффективности управления объектом на основе роста производительности труда и совершенствования методов планирования процесса управления за счет улучшения качества регулирования и управления технологическим процессом.

Создание АСУ ТП гидроочистки в процессе каталитического риформинга позволяет добиться улучшения технико-экономических показателей производства нефтепродуктов. Применение высокооктановых бензинов способствует не только повышению топливной экономичности, но и снижению металлоемкости двигателя, увеличению его мощности и длительности межремонтного пробега автомобиля. Поэтому экономически целесообразно развивать производство автомобильных бензинов в направлении повышения их качества путем внедрения высокоэффективных вторичных процессов. Это позволит более эффективно использовать нефтяные ресурсы.

Ещё не мало важно то, что САУ помогает уменьшить вероятность возникновения аварийной ситуации. Системы выполняет информационные и управляющие функции, а также функции сигнализации и противоаварийной защиты. Так как установка оснащена современными приборами и датчиками, то их надежность значительно повышается, а в следствии чего сбоев и аварий становится меньше.

АСУ ТП участка гидроочистки реализует комплекс функций, который обеспечивает оперативный контроль и управление технологическим процессом участка, уменьшает количество выполняемых технологическим персоналом функций за счет их автоматизации, повышает качество и быстродействие регулирования и, как следствие, достижение высокого уровня стабилизации технологических режимов

Ключевым критерием качества работы АСУ ТП является стабильность заданных характеристик технологического процесса с учетом противоаварийной защиты для всех стадий технологического процесса.

Достижение вышеозначенных целей будет способствовать также улучшению экологической обстановки в районе нефтезавода.

Технологическая схема установки для гидроочистки

Процесс каталитической гидроочистки на заводе «Газпромневтегаз-ОНПЗ» превыше всего используется для значительного снижения интенсивности окраски депарафинированных рафинатов и увеличения их устойчивости к окислению. В это же время процессом гидроочистки получается снизить коксуемость, процентное содержание серы и кислотность масел.

Выход в 97-99% от массы сырья составляют гидроочищенные масла. [2]

В установку гидроочистки входят следующие секции: реакторная, нагревательная, секция очистки водородосодержащего газа от сероводорода, сепарационно-стабилизационная.

Почти все установки процесса гидроочистки имеют схожие схемы, хоть они и имеют различные применения, такие как: насыщение олефинами, десульфуризация, деазотирование и т.п.

Рисунок 1 - Технологическая схема гидроочистки на примере установки вакуумного газойля АО «Газпромнефть - ОНПЗ»

Реакторный блок имеет следующие основополагающие части: теплообменники (продуктовые и сырьевые), реактор(ы), сепаратор продуктов, печь нагревания газосырьевой смеси и конденсатор газопродуктовой смеси реактора. Также возможно присутствие дополнительных компонентов в системе: абсорбер циркулирующего ВСГ, сырьевые смеси, горячий сепаратор газопродуктовой смеси.

Очень часто на таких участках применяется схема рекуперации тепла, т.е. газосырьевую смесь подогревают гопродуктовой смесью, которая выходит из реактора. Данный процесс осуществляется на специальном блоке теплообмена. Это значительно помогает сократить затраты на энергию для нагрева газосырьевой смеси.

На большинстве установок исходное сырье и рециркулирующий водород нагреваются до требуемой температуры реакции именно в печи.

В большинстве случаев сырье и рециркулирующий водород нагревают вместе до нужной температуры проведения реакции прямо в печи.

Дополнительный водород заводится и соединяется с рецеркулирующим ВСГ.

Для перемещения огромного количества газа в относительно низкой степени сжатия используется рециркулирубщий газовый компрессор.

Рециркулирующий ВСГ и сырьё вместе с ним подаются в верхнюю часть реактора, предварительно нагретые до необходимой температуры.

Рисунок 2 - Реактор гидроочистки с 2 слоями катализатора

Азот и сера, которые присутствуют в сырье, в реакторе вырабатываются в виде аммиака и сероводорода. [3]

От совокупности наиболее благоприятных условий схемы интеграции тепла зависит выбор определённого метода разделения жидкости от пара. Для разделения компонентов на воду, пар и углеводородную смесь могут использовать до 4-ёх обособленных аппаратов.

Пары с верха горячего сепаратора направляются через воздушный холодильник в холодный сепаратор.

Главной функцией фракционного блока является разделение газопродуктовой смеси на необходимые компоненты. Блок фракционирования может быть двухколонной или одноколонной, всё зависит от типа установки гидроочистки.

В двухколонной схеме жидкость от отбойников напрямую и сразу попадают в колонну для отпаривания. Там для отпарки нафты и легких компонентов, которые пришли с верха колонны, используют пар и/или нагрев в печах. Продукты после отпарки попадают на фракционную колонну, где они дальше будут разделены на нефтепродукты. У каждой системы есть свои достоинства и недостатки

Достоинства и недостатки данной схемы установки для гидроочистки

Недостатки:

- такой способ ухудшает противоизносные свойства топлива, из-за того, что из продукта удаляются почти все гетероатомные соединения, которые образовывают защитный слой на поверхностях металла

- для такой схемы является необходимым использования блоков очистки водородосодержащих и углеводородных газов от pS, которые перерабатывают сероводород до серной кислоты или серы

- в данной схеме также необходимо использование очень дорогих, но не менее качественных, катализаторов и водорода, которые сейчас являются всё более дефицитными

Достоинства:

- в такой схеме у смазочных масел заметно улучшается цвет и запах, нежели в очистке глинами

-уменьшения вредных для человека и атмосферы выделений при сгорание таких продуктов

- значительно уменьшается коррозия оборудования

- заметное улучшение основных характеристик нефтепродуктов

Химические основы, сырье и продукты процесса гидроочистки

В процессе гидроочистки происходят такие реакции как:

Удаление серы, которое ещё называют обессересривание, в данной реакции органические соединения серы превращаются в сероводород [2]

Удаление азота, также называемые деазотированием или гидродеазотированием, при котором органические азотные соединения превращаются в аммиак

Удаление металлорганических соединений и металлов, также называемое гидродеметаллизацией, в данной реакции соединения металлоорганических компонентов превращаются в их сульфиды

Удаление кислорода, в данной реакции органические соединения кислорода превращаются в воду

Насыщение олефинов, в данной реакции органические соединения, содержащие двойные связи, превращаются в их насыщенные гомологи [4]

Ароматическое насыщение, также называемое гидродеароматизацией, при которой некоторые ароматические соединения превращаются в нафтены

Удаление галогенидов, при котором органические галогениды превращаются в галогениды водорода

Наилучшие результаты достигаются при гидроочистке, так как в большей мере обеспечивается соответствие целевых продуктов всем предъявленным требованиям [5].

Мощности гидроочистки в России и Западной Европе составляют 28-30 %, в США 43,6 % от объема первичной переработки нефти [1].

Постоянное совершенствование процесса гидроочистки в течение последних двух десятилетий дало катализаторы, способные работать без существенной потери активности или сокращения срока службы, а также противостоять воздействию значительных количеств серы, азота, кислорода, металлов [4].

Гидроочистку керосиновых фракций используют для получения компонентов реактивных топлив, которые с требованиями стандартов должны содержать до 0.05% общей серы и 0.001-0.005% масс [6].

Катализаторы, необходимые для гидроочистки

Катализаторы гидроочистки представляют собой материалы с большой площадью поверхности, состоящие из активного компонента и промотора, который равномерно распределен по носителю.

Кобальт-молибденовые катализаторы

В целом, катализаторы Co-Mo были разработаны главным образом для обессеривания, но также достигается некоторое деазотирование и деметаллирование. Эти катализаторы могут гидроочищать сырье с различными свойствами [4].

Катализаторы Co-Mo имеют низкую активность гидрирования, поэтому они имеют наименьшее потребление водорода для удаления серы. Они также имеют самую низкую чувствительность потребления p к изменениям рабочего давления. В целом, катализаторы Co-Mo имеют самые высокие характеристики обессеривания при более низких рабочих давлениях (<40 кгс/см² изб.).

Никель-молибденовые катализаторы

Катализаторы Ni-Mo были разработаны для обессеривания, но особенно для гидрирования и деазотирования. Удаление металлов также может быть достигнуто. Эти катализаторы могут гидроочищать сырье с различными свойствами. Катализаторы Ni-Mo обладают более высокой способностью к деазотированию, чем Co-Mo, и поэтому используются для крекированного сырья или в других областях, где деазотирование и / или насыщение столь же важны, как и обессеривание.

Более высокая гидрирующая способность катализаторов Ni-Mo позволяет использовать их в качестве верхнего слоя для насыщения олефинов и других предшественников смолистых отложений, чтобы смягчить загрязнение слоя катализатора, приводящее к накоплению перепада давления и плохому распределению потока жидкости через слой катализатора.

Автоматизированные системы гидроочистки в процессе каталитического риформинга

Разработка и внедрение АСУ ТП гидроочистки в процессе каталитического риформинга должно обеспечивать (высокое качество, производительность, безопасность замена ручного труда и т.д.), что и приведет к получению стабилизации прибыли за счет производства продукции, которая способна конкурировать на рынке и удовлетворять требованиям потребителей.

Системы автоматизации осуществляют управляющие и информационные, противоаварийные и сигнализационные функции.

АСУ ТП (Автоматизированная система управления технологическим процессом) установки гидроочистки состоит из подсистем аварийной защиты и сигнализации (ПАЗ), и подсистем управления и наблюдения, или по другому распроданной системой управления (РСУ).

На станциях инженера и оператора есть программные пакеты открытого интерфейса данных для ОРС для того, чтобы была возможность выдавать данные в супервизорные системы.

Структура автоматизированной системы:

1.  Верхний уровень:

- две станции оператора на базе промышленных компьютеров;

- программное обеспечение SCADA-система для дистанционного управления и визуализации ходом техпроцесса.

- пассивное и активное оборудование коммуникации сети Ethernet

2. Средний уровень:
- устройства бесперебойного электропитания
- аппаратные регуляторы;
- контроллеры подсистемы ПАЗ;
- промышленные контроллеры и панели оператора, которые предназначены для контроля и управления оборудованием участка; 
3. Нижний уровень:
- электроприводы задвижек / клапанов-отсекателей / насосов / вентиляторов (каждая единица технологического оборудования имеет свое устройство плавного пуска и тепловую защиту) - применяются для исполнения команд управления;
- датчики уровня загазованности в фильтр-прессной / операторной / компрессорной;
- электроприводные задвижки с унифицированными токовыми сигналами 4-20 mA;
- датчики расхода / уровня / температуры / давления;

Структурная схема АСУ ТП DELTAV.

Обработка и сбор данных производственных процессов установки гидроочистки на интегрированной АСУ ТП DELTA V.

Рисунок 4 − Структурная схема АСУ ТП DELTAV АО «Газпромнефть - ОНПЗ»

1 − компьютеры операторной; 2 – коммутаторы; 3 – ПЛК; 4 – механизмы, датчики

HISPC – Станция оператора, которая служит для мониторинга и управления схемой производства. Она предоставляет значения всех переменных, использующийся в технологическом процессе, состояния сигнализации и оборудования, на экране монитора для более быстрой оценки состояния установки. Она также предоставляет интерфейс для операторов для управления и мониторинга исполнительными электрооборудованием и механизмами. [7]

HISENG – Станция инженера, которая имеет функции проектирования и используется для конфигурирования и программирования АСУ ТП DELTA V и является обслуживающим техническим инструментом для данной АСУ ТП.

Основой для АСУ ТП DELTAV служат дублированные контроллеры MD+.

Контроллер MD+.

Контроллеры MD+ реализует связь с другими узлами схемы производства и управление полевыми устройствами.

Контроллер MD поддерживает управление периодическими процессами, а также функции усовершенствованного управления.

Данный контролер реализует управление всеми щагами процесса по передаче данных в коммуникационной сети, выполнение всех операция управления каналами интерфейса ввода-вывода. А также осуществляет генерацию аварийные сообщения, сбор данных и присваивает меток по времени. [7]

Цикл обработки любого подобного контура осуществляется в течение 100 мс.

По мере роста системы можно расширять возможности программного обеспечения и увеличивать количество сигналов, обрабатываемых контроллером Delta V. Начав с 50 параметров, их число можно довести до 500.

Заключение

Гидроочистка – процесс превращения химических веществ под воздействием высокого давления, температуры и водорода.

Гидрогенизационный процесс очищения сырья, которое было получено при термокаталитических процессах на первичной обработке сырья. Такой способ применяется для устранения кислородных, азотистых, непредельных и металлоорганических соединений из нефтепродукта.

Совместно осуществляется снижение количества смол и гидросодержащих соединений, насыщение непредельных углеводородов, а также происходит гидрокрекинг углеводородов.

Схема гидроочистки состоит из системы стабилизации гидроочищенного сырья, удаления сероводорода из циркулирующего газа, реакторный блок (печь и реактор(ы)), а также систему промывки дистиллята от сероводорода.

Применение АСУ ТП в процессе гидроочистки нефтепродуктов реализовывает автоматизацию, а также оптимизацию производственных процессов, повышают надёжность и точность системы, помогая наблюдать промежуточные данные в измерениях; обеспечивать безопасность для персонала и всей области функционирования; проводить диагностику измерительной аппаратуры; регулировать и стабилизировать показатели; осуществлять оптимальное управление; контролировать поведение системы и выполнять сигнализацию при аварийных событиях , избегая неблагоприятного результатов (поломки, потерю данных); осуществлять хранение и передачу данных на всех этапах работы системы; увеличить качество работы системы.

Список литературы

Баннов П. Г. Процессы переработки нефти. Учеб-метод.пособие/ П.Г. Баннов - СПб.: Химиздат.- 2009.-368с.

Кондрашева Н.К., Кондрашев Д.О., Абдульминев К.Г. Технологические расчеты и теория каталитического риформинга бензина. – Уфа: ООО «Монография», 2008. –

160с.

«Установка гидроочистки дизельного топлива, керосина, бензина, нафты» https://pronpz.ru/ustanovki/gidroochistka.html

(Дата обращения: 29.10.20)

Владимиров А.И. Установки каталитического риформинга. – М.: Нефть и газ, 1993. - 60с.

Ахметов С. А., Сериков Т. П., Кузеев И. Р., Баязитов М. И. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа: Учебное пособие // Под ред. С. А. Ахметова. — CПб.: Недра, 2006. - 868 с.

Мирошникова Д.Н., Леденёв С.М. Совершенствование процесса каталитического риформинга бензиновой фракции//Успехи современного естествознания. – 2010. – №1 – 162с. (Дата обращения: 5.10.20)

«Автоматизация объектов гидроочистки бензина»
https://studwiki.turbopages.org/stud.wiki/s/manufacture/3c0a65635b2bc68b5c43a88521316d36_0.html (Дата обращения: 5.10.20)

Код для цитирования: Скопировать