Виртуальный анализатор по содержанию сернистых соединений в бутан – бутиленовой фракции установки газофракционирования продуктов коксования

Процессы газофракционирования предназначены для получения из нефтезаводских газов индивидуальных низкомолекулярных углеводородов С₁-С₆ (как предельных, так и непредельных, нормального или изостроения) или их фракций высокой чистоты, являющихся компонентами высокооктановых автобензинов, ценным нефтехимическим сырьем, а также сырьем для процессов алкилирования и производств метилтретбутилового эфира и т.д [1, с. 3].

Бутан-бутиленовая фракция (ББФ) является ценным сырьём для нефтехимического синтеза, в частности для производства высокооктановых компонентов бензинов (алкилата), полимеров и других продуктов. Качество ББФ регламентируется жёсткими требованиями по содержанию сернистых соединений, которые отравляют катализаторы последующих переделов и ухудшают экологические свойства целевой продукции.

На многих нефтеперерабатывающих заводах ББФ получают на установках газофракционирования (УГФ) продуктов коксования. В последние годы в переработку вовлекаются всё более тяжёлые и высокосернистые нефти, а также широко применяется замедленное коксование (УЗК). Сырьё с УЗК характеризуется повышенным содержанием меркаптанов, сероводорода и других сероорганических соединений, которые не полностью удаляются при первичной подготовке. Это приводит к значительным колебаниям концентрации серы в ББФ, что требует непрерывного и оперативного контроля.

Бутан-бутиленовая фракция установки газофракционирования продуктов коксования является сырьем секции 2000 установки подготовки бензина кислотным алкилированием (УПБКА). При текущей работе ГФУ УЗК качество бутан-бутиленовой фракции не соответствует проектному (по содержании серы более 10 ppm). Как следствие в смесевом сырье наблюдаются превышения по сере, и поток бутан-бутиленовой фракции с ГФУ направляют в некондицию до отработки качества (зачастую данный поток долго вовлекается в некондицию, хотя должен направляться в сырье УПБКА). Все ждут нового расчета по смесевому потоку и команды на вовлечение на УПБКА. Таким образом, появляются потери качества по определенным параметрам на смешении бензинов.

Решение проблемы высокого содержания сернистых соединений в бутан-бутиленовой фракции может быть осуществлено с помощью дополнительного контроля качества.

К существующим способам контроля относят:

• лабораторный анализ, недостатками которого являются большая задержка по времени от текущего состояния технологического процесса;
• поточные анализаторы, обладающими меньшей задержкой, однако требующие постоянной калибровки и обладающие высокой стоимостью;
• виртуальные анализаторы, не уступающие в стоимости поточным анализаторам, однако обладающие меньшей стоимостью.

В таблице 1 приведено сравнение различных методов анализа.

Таблица 1

Сравнение различных методов анализа

Виртуальный анализатор – косвенное измерение параметров качества, в основе которого лежит математическая модель, рассчитанная на статистических исторических данных технологических параметров и показателей качества. Он позволяет в режиме реального времени видеть качество продукта и вносить изменения в технологический процесс [2, с. 1].

Внедрение на установку виртуальных анализаторов приведет к:

• Отсутствию брака;
• Отсутствию необходимости в дополнительной технологической стадии;
• Отсутствию затрат на:

1) сырье;

2) энергоносители;

3) вспомогательные материалы (МДЭА, щелочь)

Виртуальный анализатор станет частью системы усовершенствованного управления технологическим процессом (СУУТП). Одним из основных принципов работы СУУТП является управление на основе прогнозирующих моделей (Model Predictive Control – MPC), которое позволяет оптимально решить проблему управления многомерными системами с ограничениями на управляющие (MV) и управляемые (CV) переменные. СУУТП реализуется в виде специализированного ПО, которое взаимодействует с автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУТП), специальным образом конфигурируется и настраивается под требования конкретного технологического процесса.

Различают 2 типа виртуальных анализаторов:

• модели «белого ящика», в основе которых лежат физико-химические закономерности процесса. Они обычно сфокусированы на описании идеальных устойчивых состояний и не могут описать реальные состояния процесса, также для сложных систем они могут быть нереализуемы;
• модели «черного ящика», в основе которых лежит немного знаний о процессе и реальные данные с производства [3, с. 15].

На рисунке 1 приведены схема и математическое описание виртуального анализатора.

Рисунок 1. Модель виртуального анализатора

Предложенный виртуальный анализатор не является полной заменой лабораторному или поточному анализу для целей аттестации продукции, но становится незаменимым инструментом оперативного управления. Особенно эффективен он при изменении состава сырья (например, переход на другой тип нефти или режим коксования).

В статье решена актуальная технологическая задача: оперативный контроль повышенного содержания сернистых соединений в бутан-бутиленовой фракции на установках газофракционирования продуктов коксования, обусловленного переработкой сырья с УЗК.
Проведённый сравнительный анализ показал, что виртуальный анализатор превосходит поточные по надёжности, скорости отклика и экономической эффективности в условиях переменного состава сырья.

1. https://studfile.net/preview/9179736/page:3/ Фракционирование углеводородных газов нефтепереработки;
2. https://habr.com/ru/articles/826324/ Виртуальный анализатор / Хабр;
3. https://www.dvfu.ru/upload/medialibrary/663/ipg644a10ox6e4oej9vr37rfsfzn2lxs/Снегирев_диссертация-final.pdf Методы и алгоритмы построения адаптивных виртуальных анализаторов для систем усовершенствованного управления, 2023. – 138 с.