Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

GENERAL CHARACTERISTICS OF THE TECHNOLOGICAL PROCESS OF CATALYTIC ISOMERIZATION AND THE TASKS OF ITS AUTOMATION

Kolesnikov V.A. 1
1 OAO Progress
The author of this article discusses the process of catalytic isomerization of the fraction (NK – 62), based on the reaction of conversion of hydrocarbons C5 and C6 into their isomers on the catalysts IPM-02 and SI-2. Since this process is catalytic, according to the degree of explosion and fire hazard, it belongs to the first category of danger. Over time, isomerization is a continuous process. It requires high temperature and pressure, which creates a load on the main technological equipment, and the deviation of the parameters from the set values greatly affects the progress of the process and the quality of the resulting product. In order to maintain the required values of technological parameters, it is necessary to design an automatic control system that allows stable process control modes in accordance with the parameters of the technological regulations. Isomerization results in a compound with a different arrangement of atoms or groups, but there is no change in the composition and molecular weight of the compound. The main automation tasks that determine the efficiency and safety of the installation are the control and regulation of the consumption of raw materials, the temperature of the gas mixture at the outlet of the furnace P-1, the values of the liquid level in the tank E-1, maintaining a preset pressure at the inlet to the reactor P-2 and the groove of the pump TSN-1.
automation
technological process
isomerization
process
development

В первую очередь необходимо обратить на тот момент, что по протеканию во времени изомеризация является непрерывным процессом.

Цель исследования - дать общую характеристику технологического процесса и задачи его автоматизации

Материалы и методы исследования - совокупность общенаучных и частно-научных методов познания, в их числе: диалектический, системно-структурный, формально-юридический, социологический, статистический методы.

Для его проведения требуются высокие температура и давление, что создает нагрузку на основное технологическое оборудование, а отклонение параметров от заданных значений сильно влияет на ход процесса и качество получаемого продукта. [10]

Для поддержания требуемых значений технологических параметров необходимо проектирование системы автоматического управления, которые позволяют стабильно вести режимы управления процессом в соответствии с параметрами технологического регламента.

Процесс каталитической изомеризации предназначен для получения высокооктановых компонентов бензина, а также сырья для нефтехимической промышленности. Сырьем являются н-бутан, легкие прямогонные фракции НК—62°С, рафинаты каталитического риформинга, н-пентан и н-гексан или их смеси, выделенные при фракционировании газов. Процесс проводят в среде водородсодержащего газа.

Основными катализаторами являются: катализатор Фриделя—Крафтса, сульфид вольфрама, бифункциональные, цеолитсодержащие с благородными металлами и комплексные. Наиболее распространены в настоящее время бифункциональные катализаторы, содержащие платину или палладий на кислотном носителе (оксид алюминия, цеолит).

Выход целевого продукта — изомеризата с октановым числом 88—92 (исследовательский метод) — составляет 93—97% (масс.); побочным продуктом процесса является сухой газ, используемый как топливный.

Установка изомеризации состоит из двух блоков — ректификации и изомеризации. В блоке ректификации сырье предварительно разделяется на пентановые и гексановые фракции, направляемые на изомеризацию, после которой проводится стабилизация полученного продукта и выделение из него товарных изопентана и изогексана. В блоке изомеризации получают изомеризаты. В данной исследовательской работе рассматривается процесс каталитической изомеризации фракции (НК – 62), основанный на реакции превращения углеводородов С5 и С6 в их изомеры на катализаторах ИПМ-02 и СИ-2.

Поскольку данный процесс является каталитическим, то по степени взрыво- и пожароопасности он относится к первой категории опасности.

По протеканию во времени изомеризация является непрерывным процессом. Для его проведения требуются высокие температура и давление, что создает нагрузку на основное технологическое оборудование, а отклонение параметров от заданных значений сильно влияет на ход процесса и качество получаемого продукта.

Для поддержания требуемых значений технологических параметров необходимо проектирование системы автоматического управления, которые позволяют стабильно вести режимы управления процессом в соответствии с параметрами технологического регламента.

Рисунок 1 – Технологическая схема установки каталитической изомеризации

Установка изомеризации включает в себя следующие блоки:

- реакторный блок;

- блок стабилизации;

- блок деизогексанизации;

- блок осушки водородсодержащего газа. [8]

Технологическая схема установки изомеризации фракции НК—62°С, содержащей 27,5% (масс.) изопентана, 44% (масс,) н-пентана и 26,2% (масс.) изогексанов, на алюмоплатиновом катализаторе, промотированном фтором.

Исходное сырье – гидроочищенная фракция НК-62 °С - поступает в на прием насоса Н-1, смешивает­ся с изомеризатами из блока изомеризации (продукт с низа колон­ны К-6 проходит теплообменник Т-4), которые насосом Н-2 прокачи­вают через теплообменник Т-1. Расход сырья измеряется с помощью датчика (поз. FЕ 3-1), регистрируется на контроллере (поз. FIСА 3-2) с сигнализацией по максимальному и минимальному значению и регулируется клапаном (поз. FV 3-3).

Смесь, охладившись в холодильни­ке Т-5, поступает в изопентановую колонну К-1. Уровень жидкости измеряется с помощью датчика (поз. LЕ 4-1), регистрируется на контроллере (поз. LIСА 4-2) с сигнализацией по максимальному и минимальному значению и регулируется клапаном (поз. LV 4-3). Верхний продукт этой колонны (смесь изопентана и бутана), пройдя конденсатор-холо­дильник КХ-1, поступает в емкость Е-1, откуда часть его подается на оро­шение колонны К-1, а часть, пройдя теплообменник Т-2, поступает в колонну К-2. Уровень жидкости в колонне К-2 измеряется с помощью датчика (поз. LЕ 5-1), регистрируется на контроллере (поз. LIСА 5-2) с сигнализацией по максимальному и минимальному значению и регулируется клапаном (поз. LV 5-3).

С низа колонны К-1 смесь н-пентана и гексанов насосом Н-3 прокачивается через теплообменник Т-1 в колонну К-3. Уровень жидкости в колонне К-3 измеряется с помощью датчика (поз. LЕ 6-1), регистрируется на контроллере (поз. LIСА 6-2) с сигнализацией по максимальному и минимальному значению и регулируется клапаном (поз. LV 6-3). В колонне К-2 ректификат колонны К-1 разделяется на бутаны и изопентан.

В колонне К-3 продукт с низа колонны К-1 разделяется на н-пентановую фракцию, направляемую в блок изомеризации, и смесь гек­санов, направляемую в колонну К-4. В колонне К-4 смесь гексанов раз­деляется на изогексан и н-гексан. Последний может быть подверг­нут изомеризации. Уровень жидкости в колонне К-4 измеряется с помощью датчика (поз. LЕ 7-1), регистрируется на контроллере (поз. LIСА 7-2) с сигнализацией по максимальному и минимальному значению и регулируется клапаном (поз. LV 7-3).

Пентановая фракция, поступающая в блок изомеризации, по­дается насосом на смешение с водородсодержащим газом. Смесь сырья и водородсодержащего газа нагревается в теплообменниках Т-3 и печи П-1 до температуры реакции и поступает в реактор Р-1, где на катализаторе среднетемпературной изомеризации ИПМ-02 в присутствии водорода протекают реакции изомеризации нормальных парафинов. Температура на выходе печи П-1 измеряется с помощью датчика (поз. ТЕ 1-1), регистрируется на контроллере (поз. ТIСА 1-2) с сигнализацией по максимальному и минимальному значению и регулируется клапаном (поз. TV 1-3). Ошибка регулирования в контроллере обрабатывается по ПИД-закону. Давление на входе в реактор Р-1 измеряется прибором (поз. РЕ 2-1) и регистрируется на контроллере (поз. РIА 2-2) с сигнализацией по максимальному и минимальному значению.

Выходящая из реактора Р-1 газо-продуктовая смесь (ГПС) охлажда­ется в теплообменнике Т-3 и холодильнике КХ-5, после чего направ­ляется на разделение в продуктивный сепаратор С-1.

Из сепарато­ра С-1 выходит циркулирующий водородсодержащий газ, который смешивается со свежим водородсодержащим газом, подвергается осушке цеолитами типа NaA в адсорбере К-5 и подается во всасывающую ли­нию циркуляционного компрессора ЦК-1. Сжатый водородсодержа­щий газ смешивается с сырьем.

Нестабильный изомеризат из сепа­ратора С-1 нагревается до 85—90° С в теплообменнике Т-4 и посту­пает в стабилизационную колонну К-6. С ее верха уходит жирный газ, с низа — стабильный изомеризат, который направляется в блок ректификации.

Выход изопентана из сырья — до 97% - Стабильный изомеризат содержит 55,2% изопентана и 44,6% н-пентана. Степень превра­щения н-пентана не превышает 60% за один проход, поэтому про­цесс ведут с рециркуляцией изомеризата, кратность которой зави­сит от содержания н-пентанов в исходном сырье и уменьшается с увеличением его концентрации.

Полученные компоненты: гексан, изогексан, изопентан, бутаны контролируются октаномерами (поз. AE 8-1, AE 9-1, AE 10-1, AE 11-1) соответственно с регистрацией на контроллере (поз. AIА 8-2, AIА 9-2, AIА 10-2, AIА 11-2) и сигнализацией по максимальному и минимальному значениям соответственно.

В случае перегрева подшипников насосов Н-1 – Н-12 или превышения давления на выкиде предусмотрена аварийная остановка насосов.

Расход водорода 0,22—0,28% от сырья. Допускаемые примеси в циркулирующем газе (% масс.), не более: сероводорода 0,005, моноэтаноламина 0,0002, влаги мо­жет быть до 10 мг/м3.

Катализатор регенерируют трехступенчатым выжигом кокса при 300, 380 и 450°С в потоке инертного газа с добавлением на послед­ней ступени прокалки 0,2—1% кислорода. Состав инертного газа, подаваемого в циркуляционную систему, должен удовлетворять следующим требованиям: 02 ≤ 0,2%; СО, С02 и SO2≤10 мг/м3; влаги ≤ 10 мг/м3. В зависимости от режима продолжительность ра­боты катализатора между регенерациями составляет 4—12 меся­цев.

Результаты исследования и обсуждение.

В данной статье проекте был автоматизирован реакторный блок, а конкретно следующие параметры – температура на выходе из печи П-1, давление на входе во второй реактор Р-2, расход сырья, уровень в ёмкости Е-1, ПАЗ насоса ЦН-1.

Существующая система управления процессом деизопентанизации установки изомеризации имеет одноуровневую структуру управления. Она включает в себя датчики температуры на входе и выходе из подогревателя, датчики концентрации, расхода, температуры, установленного на трубопроводе деизопентановой фракции. Датчики температуры и расхода установленные на трубопроводе подачи пара в ребойлер. Датчики расхода, давления, температуры, установленные на трубопроводе сырья. Датчики расхода и температуры, установленные на трубопроводе верхнего продукта

Система работает в информационном режиме, осуществляет только сбор, регистрацию и индикацию параметров технологического процесса. [1]

Основным блоком данной технологической установки является реакторный блок. Важнейшими параметрами, влияющими на ход процесса и, в конечном итоге, на качество получаемой продукции, являются температура и давление.

Процесс изомеризации осуществляется при температурах: в первом реакторе - 250-310 °С, во втором реакторе – 130-200°С; давлениях: в первом реакторе – 29-33 кгс/см2, во втором реакторе – 28-30 кгс/см2.

Повышение температуры сверх указанных пределов ведет к:

1) ухудшению селективности процесса, способствуя протеканию реакций газообразования;

2) снижению продолжительности межрегенерационного периода катализаторов.

Необходимый уровень давления нужен для обеспечения стабильности катализатора и продолжительности межрегенерационного периода. Повышение давления ведет к снижению степени изомеризации парафиновых углеводородов. Снижение давления ниже указанных величин ведет к быстрой деактивации катализатора.

Немаловажным параметром является расход сырья (60 – 80 м3/ч), поскольку именно он определяет производительности всей установки в целом. Изменение расхода сырья может вызвать аварию.

Основными задачами автоматизации данной исследовательской работы, определяющими эффективность и безопасность работы установки, являются контроль и регулирование расхода сырья, температуры газосырьевой смеси на выходе из печи П-1, значений уровня жидкости в ёмкости Е-1, поддержание заданной величины давления на входе в реактор Р-2 и ПАЗ насоса Н-1.

Выводы и заключение.

Индикация значений температуры предусмотрена в теплонагруженных участках установки (реактора, печи, теплообменники). Отображение давления (или перепада давлений) на потоках реакторного блока.

Величина давления позволяет не только регулировать оперативные параметры с целью поддержания качества конечных продуктов на должном уровне, но и дает возможность судить о работоспособности некоторых узлов, аппаратов или, например, о закоксованности катализатора.

Уровень в колоннах и емкостях регулируется для обеспечения нормальной работы насосов, а также во избежание захлебывания аппаратов.

Величина расходов потоков является важным и технологическим, и коммерческим параметром.

Изменением расхода можно напрямую или косвенно влиять на различные технологические параметры процесса.