Optimalizálás az olajiparban II.

Az előadások a következő témára: "Optimalizálás az olajiparban II."— Előadás másolata:

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

2 Miről lesz szó ? Mikor/hol 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

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

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

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

7 Szimuláció lépései Alapmodel építés Mértékegységrendszer meghatározása
PFD Alapmodel építés PFD, készülékek, áram kapcsolatok M.e. Mértékegységrendszer meghatározása SI/British, eltérések Komp Komponensek Összetétel, pseudokomponens, assay data Termo 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 106 112 123 118 C3 C4 elegy I-bután N-bután C5+
P-301 E-105 112 123 118 E-107 E-109 E-113 E-115 E-116 E-128 E-126 E-127 E-121 E-124 E-117 E-111 E-122 E-119 C3 C4 elegy I-bután N-bután C5+ Fűtőgáz

10 FELADAT 1. 1. Feladat Egyszerű folyamatábra vs PFD

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

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

13 1. lépés: Folyamatábra/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 hőmérséklet oC nyomás barg térfogat m3

15 3. Lépés Komponensek Komponensek: egyedi 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: elemzési/mintavételi problémák Nehéz komponensek nem beazonosítható komponensek, nincs a rendszerben megfelelő komponens

16 3. Lépés Komponensek Megadható: - név alapján Sorrend rendezhető
PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result 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 Megadható: - név alapján - képlet alapján -programban használt kód alapján Sorrend rendezhető

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 táblázat

21 5. Lépés áramok Áram típusok: Betáplálás cirkuláció Belső áram
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 Áram tulajdonságok: hőmérséklet nyomás mennyiség
PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result Áram tulajdonságok: hőmérséklet nyomás mennyiség összetétel 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 Betáplálás: definiálni Termék/belső áram: számolt Cirkulációs áram indító érték

23 5. Lépés áramok Áramok definiálása: összetétel mennyiség
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 Program megnyitása 2. Mértékegységek 3. Komponensek/Termodinamika 4. Alapanyag megadása

26

27 Adatok: Betáplálás adatai: belépő áram: kg/h 11701 Cfok 15 barg 28
szivattyú kilépő 32 Sizivattyú hatásfok 0,7 2.áram 58 106_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 SZENMONOXID 0,060 NITROGEN 0,109 OXIGEN H2S

28 6. Lépés Készülékek Készülékek: Valós készülékek szivattyú
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 Hőcserélők 6. Lépés Készülékek egyszerű hőmérleg alapján számol
PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result 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) Hőcserélők

30 Hőcserélők 6. Lépés Készülékek részletes
PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result 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 Hőcserélők

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 Elválasztás számítása Kolonna paraméterek:
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 fenék reflux tányér hőmérséklet desztillátum hőmérséklete fenék hőmérséklet desztillátum mennyisége fenéktermék mennyisége egy-több komponens mennyisége a desztillátumban 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

38 Kolonna adatok Technológiai jel és megnevezés 106 112 123 118
Etán-mentesítő Propán-mentesítő Bután-mentesítő i-C4/n-C4 elválasztó Teljes magasság, mm 32020 39012 22058 51500 Külső átmérő, mm 1800 2500 1600 2000 Térfogat, m3 ápr.65 166.75 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 409/437,5/583/583/612* 400/413,5/413,5/406/406/418* 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 7 Üzemi nyomás, barg 15 Próbanyomás vízzel, bar 50 26.márc 8.75 09.okt Tervezési hőmérséklet, °C 130 150 Üzemi hőmérséklet, °C 120 110 70 Gyártó KVG Vegyépszer Gyártási szám 5321 5264 5320 87752 Megjegyzés -

39 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 32 2.áram 58,3 fej nyomás 22,47 14,51 5,45 5,95 kond nyoás 22,37 14,41 5,35 5,85 fenék nyomás 22,89 14,96 6 6,41 elvárt minőség fejtermék 3878 fej hőm 63 C4_fejben wt% 0,22 C3_fenékben 0,02 C5 és nehezebb fejben 0,1 iC4 fenékben 1 nC4 fejben 5 tányérszám 43 72 100 betáplálás 17 16 18 54 hatásfok 75,00% 86,00% 70,00% 78,00%

40

41 6. Lépés Készülékek PFD ME Komp Termo Áram Készülék Run Result

42 Adatok: belépő áram: kg/h 11701 Cfok 15 barg 28 szivattyú kilépő 32 2.áram 58,3 106 kolonna 112 kolonna fej nyomás 22,37 14,51 kond nyoás 22,47 fenék nyomás 22,89 14,96 tányérszám 40 78 tányérhatásfok 0,8 betáplálás tányér 16 18 elvárt minőség fejtermék 3878 fej hőm 63 C4_fejben wt% 0,22 C3_fenékben 0,02

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

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

46 Hűtéshez szükséges vízmennyiség meghatározása
Víz adatai: hőmérséklet: 21 oC nyomás 3,5 barg kg/h

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

48 Eredmények Anyagmérleg Alapanyag 11701 kg/h 106 Gáz 3878,0 106 fenék
7822,0 112 Propán 112 fenék 106_alapanyag 108gáz m/m% HIDROGEN 0,089 0,27 METAN_M 0,206 0,62 ETAN 3,609 10,89 ETILEN 0,003 0,01 PROPAN 35,862 80,88 PROPILEN 0,042 0,11 I_BUTAN 20,950 5,24 N_BUTAN 36,119 1,43 I_BUTEN 0,100 0,02 1_BUTEN 0,037 0,00 CIS_2_BUTEN 0,020 TR_2_BUTEN 0,038 13BUTADIEN_MM 0,000 I_PENTAN 2,134 N_PENTAN 0,473 C6_ES_NEH_M 0,144 SZENDIOXID SZENMONOXID 0,060 0,18 NITROGEN 0,109 0,33 OXIGEN H2S kondenzátor reboiler energia víz gőz MJ/h m3/h kg/h 106 2193 23,85 4422 112

49 106 kolonna profil ChemCAD „eredmény”
6.5.6 Page 1 Simulation name: GFR_3 Date: Time: 20:06:29 Unit type : TOWR Unit name: Eqp # 3 * Net Flows * Temp Pres Liquid Vapor Feeds Product Duties Stg C bar-G kg/h MJ/h 55,2 22,37 7832,71 3878,1 -2193 2 63 22,47 8322,69 11710,81 3 66,1 22,48 8396,01 12200,79 4 68,5 22,5 8414,16 12274,11 5 70,7 22,51 8422,58 12292,26 6 72,6 22,52 8429,96 12300,68 7 74,3 22,54 8436,8 12308,06 8 75,9 22,55 8441,73 12314,9 9 77,1 22,56 8443,42 12319,83 10 78,2 22,57 8440,87 12321,52 11 79,1 22,59 8433,17 12318,97 12 79,9 22,6 8419,25 12311,27 13 80,7 22,61 8396,08 12297,35 14 81,4 22,63 23481,79 12274,18 11701 15 84,9 22,64 24534,42 15658,89 16 86,1 22,65 24882,21 16711,52 17 86,7 22,67 25058,93 17059,31 18 87,1 22,68 25166,21 17236,03 19 87,4 22,69 25237,34 17343,3 20 87,6 22,71 25288,79 17414,44 21 87,8 22,72 25330,59 17465,88 22 88 22,73 25369,48 17507,69 23 88,3 22,75 25410,74 17546,58 24 88,6 22,76 25459,46 17587,84 25 89,1 22,77 25520,95 17636,56 26 89,7 22,78 25601,52 17698,05 27 90,5 22,8 25711,82 17778,62 28 91,7 22,81 25861,7 17888,92 29 93,2 22,82 26066,54 18038,79 30 95,2 22,84 26344,27 18243,64 31 97,7 22,85 26713,08 18521,37 32 100,8 22,86 27185,79 18890,18 33 104,5 22,88 27759,69 19362,88 34 108,8 22,89 19936,79 7822,9 4422 Mass Reflux ratio 2,02 Total liquid entering stage at 66,246 19645,543 kg/h.

50 Feladat Optimális betáplálási hely reboilerhő tányérszám

51

52 Feladat Készítse a 112 vagy 123 vagy 118 kolonna modelljét a megadott paraméterek alapján, adott specifikációk mellett Határozza meg a fejtermék hűtéshez szükséges víz mennyiségét Határozza meg az optimális betáplálási helyet 106 P-301 E-105 112 123 118 E-107 E-109 E-113 E-115 E-116 E-128 E-126 E-127 E-121 E-124 E-117 E-111 E-122 E-119 C3 C4 elegy I-bután N-bután C5+ Fűtőgáz

53 Kolonna specifikációk:
Adatok: 106 kolonna 112 kolonna 123 kolonna 118 kolonna belépő áram: kg/h 11701  106 fenék 4850 Cfok 15  53,5 60 58 barg 28  22,89  15,06 6,6 szivattyú kilépő 32 2.áram 58,3 fej nyomás 22,47 14,61 5,55 5,95 kond nyoás 22,37 14,51 5,45 5,85 fenék nyomás 22,89 15,06 6,1 6,41 elvárt minőség fejtermék 3878 fej hőm 63 C4_fejben wt% 0,22 C3_fenékben 0,02 C5 és nehezebb fejben 0,1 iC4 fenékben 1 nC4 fejben 5 tányérszám 43 72 100 betáplálás 17 16 18 54 hatásfok 75,00% 86,00% 70,00% 78,00%

54 123 betáp 118 betáp Hydrogen Methane Ethane Acetylene Propane 0,020 0,021 Propylene 0,000 I-Butane 33,214 35,264 Butane 61,680 64,273 2-Methylpropene 0,164 0,174 1-Butene 0,061 0,065 Cis-2-Butene 0,034 0,035 Trans-2-Butene 0,067 1-3-Butadiene I-Pentane 3,693 0,098 N-Pentane 0,819 0,002 Hexane 0,249 Carbon Dioxide Carbon oxide Nitrogen Oxygen Hydrogen Sulfide Water

55 Jó munkát mindenkinek !!!