СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ РАСЧЕТА ХИМИЧЕСКОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ ВОДОРОДА НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОБЪЕКТЕ Российский патент 2023 года по МПК C10G45/72 G01N33/22 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Предложенное изобретение, в целом, относится к системе и способу работе технологической установки такой как, например, нефтеперерабатывающая установка облагораживания средних дистиллятов и, в частности, к системе и способу для расчета химического потребления водорода на технологическом объекте.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время промышленность нефтепереработки имеет множество нерешенных проблем, связанных с введением более жестких требований к бензину, керосину и дизельному топливу для получения экологически чистых моторных топлив высокого класса. Сравнительно быстро меняющиеся требования вынуждают инвестировать средства в создание новых и модернизацию действующих установок.

Одним из основных методов облагораживания бензинов, дизельных топлив, газойлей и прочих нефтяных фракций являются гидропроцессы. Под облагораживанием в данной области техники понимается в том числе удаление из сырья соединений, содержащих в своем составе атомы серы. Сернистые соединения ухудшают качество топлив, вызывают повышенное коксо- и нагарообразование в двигателе, увеличивают выбросы в атмосферу оксидов серы. Гидроочистка (или гидрообессеривание) - это процесс облагораживания сырья на активной поверхности катализатора в среде водородсодержащего газа (ВСГ), то есть с использованием обогащенного водорода. Для получения дизельных топлив, соответствующих современным требованиям, необходимо совершенствование гидроочистки, в том числе путем расчета химического потребления водорода с целью обеспечения подачи его в соответствующем количестве.

Расчет химического потребления водорода на технологическом объекте в режиме онлайн является необходимой частью процесса гидроочистки, так как наличие в сырье непредельных углеводородов и высококипящих фракций с повышенным содержанием сернистых соединений приводит к значительному увеличению расхода водорода.

Таким образом, необходимым является создание системы и способа для расчета химического потребления водорода на технологическом объекте в режиме реального времени.

Из уровня техники известен источник M.R. Riazi «Characterization and Properties of Petroleum Fractions», 2005, раскрывающий метод Риази, который может быть использован в том числе для прогнозирования содержания водорода.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно первому аспекту предложена система для расчета химического потребления водорода на технологическом объекте гидроочистки дизельного топлива, включающая:

- базу данных, содержащую актуальные значения результатов лабораторного контроля по показателям качества смесевого сырья, поступающего на гидроочистку, и гидрогенизата;

- блок для расчета химического потребления водорода на технологическом объекте, выполненный с возможностью определения параметров смесевого сырья для пробы, взятой в месте лабораторного контроля; определения параметров гидрогенизата для пробы, взятой в месте лабораторного контроля после колонны стабилизации; причем определяемые параметры смесевого сырья и гидрогенизата включают в себя среднюю температуру кипения, относительную плотность, показатель преломления, фактор Уотсона, кинематическую вязкость при 100°C, молекулярную массу фракции, массовое содержание водорода; а также с возможностью определения потребления водорода на гидрирование углеводородов в 1 кг смесевого сырья; определения потребления водорода на реакцию обессеривание в 1 кг смесевого сырья; определения полного химического потребления водорода в 1 кг смесевого сырья; определения потребления водорода на гидрирование углеводородов в 1 м³ смесевого сырья; определения потребления водорода на реакцию обессеривание в 1 м³ смесевого сырья; определения полного химического потребления водорода в 1 м³ смесевого сырья; определения абсолютного потребления водорода с учетом измерений расходомера потока смесевого сырья до смешивания с водородсодержащим газом;

- блок отображения результатов расчета, выполненный с возможностью передачи через веб-интерфейс

- блок хранения результатов расчета, выполненный с возможностью их сохранения в численном виде;

В предлагаемой системе база данных выполнена с возможностью периодического обновления данных.

Согласно второму аспекту изобретения предложен способ расчета содержания водорода в смесевом сырье и гидрогенизате на технологическом объекте, представляющем собой установку гидроочистки дизельного топлива, включающий этапы:

- взятие пробы в месте лабораторного контроля, расположенном в зоне окончательного смешения смесевого сырья и занесение в базу данных информации о пробе; причем параметрами смесевого сырья, определяемыми при взятии пробы, являются плотность смесевого сырья, фракционный состав смесевого сырья и содержание серы в смесевом сырье;

- взятие пробы в месте лабораторного контроля, расположенном в зоне окончательного получения гидрогенизата и занесение в базу данных информации о пробе; причем параметрами гидрогенизата, определяемыми при взятии пробы, являются плотность гидрогенизата, фракционный состав гидрогенизата и содержание серы в дрогенизате;

- извлечение из базы данных последнего значения данных качества смесевого сырья и гидроочищенного дизельного топлива для дальнейшего расчета;

- определение параметров смесевого сырья для пробы, взятой в месте лабораторного контроля;

- определение параметров гидрогенизата для пробы, взятой в месте лабораторного контроля после колонны стабилизации;

причем определяемые параметры смесевого сырья и гидрогенизата включают в себя среднюю температуру кипения, относительную плотность, показатель преломления, фактор Уотсона, кинематическую вязкость при 100°C, молекулярную массу фракции, массовое содержание водорода;

- определение потребления водорода на гидрирование углеводородов в 1 кг смесевого сырья;

- определение потребления водорода на реакцию обессеривание в 1 кг смесевого сырья;

- определение полного химического потребления водорода в 1 кг смесевого сырья;

- определение потребления водорода на гидрирование углеводородов в 1 м³ смесевого сырья;

- определение потребления водорода на реакцию обессеривание в 1 м³ смесевого сырья;

- определение полного химического потребления водорода в 1 м³ смесевого сырья;

- определение абсолютного потребления водорода с учетом измерений расходомера потока смесевого сырья до смешивания с водородсодержащим газом;

- отображения результатов расчета посредством интерфейса;

- сохранения результатов расчета в базе данных.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества управления технологическим процессом вторичной переработки нефти.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее описаны неограничивающие примеры предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретения со ссылкой на чертеж, иллюстрирующий предпочтительный пример вариантов осуществления и не ограничивает объем охраны изобретения. На фиг.1 схематически изображена типовая установка гидроочистки дизельного топлива в соответствии с уровнем техники. На Фиг.1 также приведены краткие надписи

Согласно неограничивающему примеру осуществления технологический объект представляет собой типовую установку 1 гидроочистки дизельного топлива (г/о ДТ), как изображено на фиг.1, содержащей, без ограничения указанным, реакторный блок 2, который может включать два реактора, что обеспечивает ведение гидроочистки по двум независимым параллельным потокам сырья, что позволяет проводить ремонтные работы без полной остановки производства. Для специалиста в данной области техники очевидно, что установка 1 г/о ДТ может содержать другое количество реакторов, например, один или более двух.

Сырье из буферных емкостей 3 посредством насоса (на чертежах не показан) подается в тройник 4 смешения, в котором происходит смешение сырья с циркулирующим водородосодержащим газом (ЦВСГ). На фиг.1 представлена одна буферная емкость 3, однако специалисту в данной области техники очевидно, что их может быть и больше. В качестве сырья могут выступать, например, легкий газойль и прямогонные дизельные фракции. После смешения газо-сырьевая смесь нагревается в средствах нагревания (на чертежах не показаны), которые могут включать печи и/или теплообменники, и подается на вход реакторного блока 2.

Давление ЦВСГ в системе циркуляции водородсодержащего газа обеспечивается компрессорным блоком 5 ЦВСГ, при этом для поддержания требуемой концентрации водорода в систему циркуляции водородсодержащего газа посредством компрессора 6 подпиточного ВСГ может подаваться водород, получаемый, например, на установках по производству водорода и/или каталитического риформирования нафты.

Реакторный блок 2 содержит реактор гидроочистки, являющийся основным оборудованием процесса гидроочистки и представляющий собой вертикальный цилиндрический сосуд с выпуклым днищем сферической или близкой к эллиптической формы, высота которого больше его диаметра. По числу слоев катализатора реактор может быть одно-, двух- и многосекционным: для установок гидрообессеривания дистиллятов типичны реакторы с одним или двумя слоями катализатора, а для установок гидрокрекинга с четырьмя - пятью.

В реакторном блоке 2 осуществляется процесс риформинга. Газопродуктовая смесь из реакторного блока 2 поступает в сепаратор 7, где продукты разделяются на гидрогенизат и циркулирующий водородсодержащего газа (ВСГ). После сепаратора 7 нестабильный гидрогенизат поступает в колонну стабилизации 8, в которой происходит удаление легких углеводородов и сероводорода из нестабильного гидрогенизата с получением стабильного гидрогенизата, т.е. гидроочищенного дизельного топлива и бензина. Циркулирующий ВСГ после сепаратора 7 поступает в блок 9 очистки, в котором циркулирующий ВСГ подвергается очистке от сероводорода. После блока 9 очистки циркулирующий ВСГ поступает на компрессорный блок 5, включающий циркуляционные компрессоры, обеспечивающие циркуляцию ВСГ в цикле. Далее циркулирующий ВСГ смешивается с поступающим в установку подпиточным ВСГ и возвращается на тройник 4 смешения, причем на линии между компрессором 4 смешения 6 подпиточного ВСГ и тройником 4 смещения установлен расходомер 10 потока ВСГ. На линии между буферной емкостью 3 и тройником 4 смешения установлены расходомер 11 сырьевого потока и средства 12 лабораторного контроля гидроочищенного дизельного топлива. После колонны 8 стабилизации на линии гидроочищенного дизельного топлива установлены средства 13 лабораторного контроля гидрогенизата.

Согласно неограничивающему примеру осуществления для обеспечения расчета химического потребления водорода на технологическом объекте выполняют следующие этапы.

Сбор данных лабораторного контроля смесевого сырья с использованием средств 11 лабораторного контроля сырья и гидроочищенного дизельного топлива с использованием средств 12 лабораторного контроля гидрогенизата.

Перечень номеров позиций:

1 - типовая установка гидроочистки дизельного топлива

2 - реакторный блок

3 - буферные емкости

4 - тройник смешения

5 - компрессорный блок

6 - компрессор подпиточного ВСГ

7 - сепаратор

8 - колонна стабилизации

9 - блок очистки

10 - расходомер потока ВСГ

11 - расходомер 11 сырьевого потока

12 - средства лабораторного контроля гидроочищенного дизельного топлива

13 - средства лабораторного контроля окончательно смешенного сырья

Сбор данных виртуальных анализаторов качества смесевого сырья и гидроочищенного дизельного топлива. Следует понимать, что виртуальные анализаторы сырья представляют собой математические модели, осуществляющие косвенный расчет показателей качества технологического процесса. Обычно по различным причинам технологический процесс отклоняется от заданных режимных параметров, что требует корректировки. Виртуальные анализаторы позволяют получать в режиме реального времени и использовать в управлении данные о трудноизмеримых технологических параметрах, таких как температура, давление, расход, при этом виртуальные анализаторы выполняют функцию обычных измерительных устройств и могут использоваться в системах управления совместно с ними. Таким образом, виртуальный анализатор позволяет оператору непрерывно контролировать ход ведения процесса в случае задержки данных лабораторных анализов, а также выхода из строя или отсутствия поточных анализаторов.

Сохранение данных о качестве смесевого сырья и гидроочищенного дизельного топлива в базе данных.

Извлечение из базы данных последнего значения данных качества смесевого сырья и гидроочищенного дизельного топлива для дальнейшего расчета.

В случае если расчет ведется для плановых параметров производства, пользователь обновляет плановые данные для дальнейшего расчета.

Далее проводят расчет следующих промежуточных характеристик для дальнейшего расчета химического потребления водорода: средняя температура кипения; относительная плотность; показатель преломления фракции; фактор Уотсона; плотность в градусах API; вязкость; молекулярная масса фракции.

Затем на основе результатов расчета промежуточных характеристик рассчитывают химическое потребление водорода. Для расчета химического потребления водорода на установке гидроочистки дизельного топлива берут параметры сырья и гидроочищенного дизельного топлива, приведенные в таблице 1

Таблица 1. Параметры для расчета № Параметр Единицы измерения Обозначение в формуле 1 Плотность смесевого сырья кг/м3 Dens_flow 2 Фракционный состав смесевого сырья; °C T10_flow, T50_flow, T90_flow, T95_flow 3 Содержание серы в сырье % мас. MFS_flow 4 Плотность гидроочищенного дизельного топлива кг/м3 Dens_hydr 5 Фракционный состав гидроочищенного дизельного топлива °C T10_hydr, T50_hydr, T90_hydr, T95_hydr 6 Содержание серы в гидроочищенном дизельном топливе % мас. MFS_hydr

Параметры сырья определяют средствами 13 лабораторного контроля окончательно смешенного сырья для пробы, которая взята в точке лабораторного контроля, расположенной после буферной емкости 3, где происходит окончательное смешение сырья. Параметры гидроочищенного дизельного топлива определяют для пробы, взятой в точке лабораторного контроля после колонны стабилизации, где происходит окончательное выделение товарного гидроочищенного дизельного топлива.

Средняя температура кипения (ABP) в Кельвинах смесевого сырья и гидроочищенного дизельного топлива по формулам (1-2):

Относительная плотность (SG) смесевого сырья и гидроочищенного дизельного топлива определяют по формулам (3-4):

Показатель преломления (n20) смесевого сырья и гидроочищенного дизельного топлива определяют определяют по формулам (5-6):

Фактор Уотсона (Kw) для смесевого сырья и гидроочищенного дизельного топлива определяют по формулам (7-8):

Фактор Уотсона характеризует содержание парафиновых и ароматических углеводородов во фракции. Принимает значения от 10 до 12, где 10 указывает на большое содержание ароматических углеводородов, а 12 на большое содержание парафинов.

Пересчитывают плотность на API градусы для смесевого сырья и гидроочищенного дизельного топлива по формулам (9-10):

Кинематическую вязкость при 100°C (vis) смесевого сырья и гидроочищенного дизельного топлива определяют по формулам (11-12):

Молекулярную массу (MW) в а.е.м. (атомных единицах массы) фракции смесевого сырья и гидроочищенного дизельного топлива определяют по формулам (13-14):

Массовое содержание водорода (MFH) в смесевом сырье и гидроочищенном дизельном топливе определяют по формулам (15-16):

Далее определяют потребление водорода на гидрирование углеводородов в 1 кг смесевого сырья (QH_HC) в н.м³/кг по формуле (17):

Далее определяют потребление водорода на реакцию обессеривание в 1 кг смесевого сырья (QH_S) в н.м³/кг по формуле (18):

Полное химическое потребление водорода (QH) в н.м³/кг определяют по формуле (19):

Потребление водорода на гидрирование углеводородов в 1 м³ смесевого сырья (FH_HC) в н.м³/м³ определяют по формуле (20):

Потребление водорода на реакцию обессеривание в 1 м³ смесевого сырья (FH_S) в н.м³/м³ определяют по формуле (21):

Полное химическое потребление водорода в 1 м³ смесевого сырья (FH) в н.м³/м³ определяют по формуле (22):

Таким образом абсолютное потребление водорода в Q2 н.м³/м³, измеряемое объемным расходомером на линии потока водородсодержащего газа установки гидроочистки дизельного топлива, определяется по следующей формуле (23):

где Q1 - измерения расходомера потока сырья до тройника смешения установки гидроочистки дизельного топлива.

Следует понимать, что специалисту в данной области техники очевидны и другие варианты осуществления настоящего изобретения без выхода за рамки объема охраны согласно формуле изобретения.

Изобретение относится к системе для расчета химического потребления водорода на технологическом объекте гидроочистки дизельного топлива, включающей: базу данных, содержащую актуальные значения результатов лабораторного контроля по показателям качества смесевого сырья, поступающего на гидроочистку, и гидрогенизата; блок для расчета химического потребления водорода на технологическом объекте, блок отображения результатов расчета и блок хранения результатов расчета. Изобретение также касается способа расчета содержания водорода в смесевом сырье. Технический результат - повышение качества управления технологическим процессом вторичной переработки нефти. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Система для расчета химического потребления водорода на технологическом объекте гидроочистки дизельного топлива, включающая:

- базу данных, содержащую актуальные значения результатов лабораторного контроля по показателям качества смесевого сырья, поступающего на гидроочистку, и гидрогенизата;

- блок для расчета химического потребления водорода на технологическом объекте, выполненный с возможностью определения параметров смесевого сырья для пробы, взятой в месте лабораторного контроля; определения параметров гидрогенизата для пробы, взятой в месте лабораторного контроля после колонны стабилизации; причем определяемые параметры смесевого сырья и гидрогенизата включают в себя среднюю температуру кипения, относительную плотность, показатель преломления, фактор Уотсона, кинематическую вязкость при 100°C, молекулярную массу фракции, массовое содержание водорода; а также с возможностью определения потребления водорода на гидрирование углеводородов в 1 кг смесевого сырья; определения потребления водорода на реакцию обессеривания в 1 кг смесевого сырья; определения полного химического потребления водорода в 1 кг смесевого сырья; определения потребления водорода на гидрирование углеводородов в 1 м³ смесевого сырья; определения потребления водорода на реакцию обессеривания в 1 м³ смесевого сырья; определения полного химического потребления водорода в 1 м³ смесевого сырья; определения абсолютного потребления водорода с учетом измерений расходомера потока смесевого сырья до смешивания с водородсодержащим газом;

- блок отображения результатов расчета, выполненный с возможностью передачи через веб-интерфейс;

- блок хранения результатов расчета, выполненный с возможностью их сохранения в численном виде.

2. Система по п.1, в которой база данных выполнена с возможностью периодического обновления данных.

3. Способ расчета содержания водорода в смесевом сырье и гидрогенизате на технологическом объекте, представляющем собой установку гидроочистки дизельного топлива, включающий следующие этапы:

- взятие пробы в месте лабораторного контроля, расположенном в зоне окончательного смешения смесевого сырья, и занесение в базу данных информации о пробе; причем параметрами смесевого сырья, определяемыми при взятии пробы, являются плотность смесевого сырья, фракционный состав смесевого сырья и содержание серы в смесевом сырье;

- взятие пробы в месте лабораторного контроля, расположенном в зоне окончательного получения гидрогенизата, и занесение в базу данных информации о пробе; причем параметрами гидрогенизата, определяемыми при взятии пробы, являются плотность гидрогенизата, фракционный состав гидрогенизата и содержание серы в гидрогенизате;

- извлечение из базы данных последнего значения данных качества смесевого сырья и гидроочищенного дизельного топлива для дальнейшего расчета;

- определение параметров смесевого сырья для пробы, взятой в месте лабораторного контроля;

- определение параметров гидрогенизата для пробы, взятой в месте лабораторного контроля после колонны стабилизации;

причем определяемые параметры смесевого сырья и гидрогенизата включают в себя среднюю температуру кипения, относительную плотность, показатель преломления, фактор Уотсона, кинематическую вязкость при 100°C, молекулярную массу фракции, массовое содержание водорода;

- определение потребления водорода на гидрирование углеводородов в 1 кг смесевого сырья;

- определение потребления водорода на реакцию обессеривания в 1 кг смесевого сырья;

- определение полного химического потребления водорода в 1 кг смесевого сырья;

- определение потребления водорода на гидрирование углеводородов в 1 м³ смесевого сырья;

- определение потребления водорода на реакцию обессеривания в 1 м³ смесевого сырья;

- определение полного химического потребления водорода в 1 м³ смесевого сырья;

- определение абсолютного потребления водорода с учетом измерений расходомера потока смесевого сырья до смешивания с водородсодержащим газом;

- отображение результатов расчета посредством интерфейса;

- сохранение результатов расчета в базе данных.