Simularea unei instalatii de prelucrare a titeiului brut prin fractionare - chimie industriala

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI

FACULTATEA DE CHIMIE INDUSTRIALA

SIMULAREA UNEI INSTALATII DE PRELUCRARE A TITEIULUI BRUT PRIN FRACTIONARE

Introducere

In aceasta lucrare se va prezenta o simulare a unei instalatii de prelucrare a titeiului brut prin fractionare in vederea obtinerii produselor: nafta, kerosen, benzina, motorina, uleiuri si reziduul de la distilarea atmosferica.

Titeiul brut este preincalzit, apoi se alimenteaza intr-un separator in care vor fi separati vaporii componentilor usor volatili de faza lichida, care apoi va fi incalzita intr-un cuptor. Curentul de vapori va ocoli cuptorul si va intra intr-un amestecator unde va fi amestecat cu un curent cald ce vine de la cuptor. Dupa amestecare se va crea un nou curent ce va fi alimentat intr-o coloana de rectificare la presiune atmosferica pentru a fi fractionat. Instalatia de lucru este prezentata in figura 1.

Fig.1: Schema instalatiei de prelucrare a titeiului

Lucrarea va prezenta constructia completa a unei simulari, adica: selectarea pachetului de proprietati si a componentilor, caracterizarea titeiului brut, instalarea curentilor si operatiilor unitare si examinarea rezultatelor finale.

1. Descrierea instalatiei:

In instalatia prezentata in fig. 1 vor avea loc procesele: in instalatia de separare denumita PreFlash intra curentul PreheatCrude ce vine de la o instalatie de preincalzire; aici vaporii vor fi separati de lichid, iar lichidul ce iese este trimis la un cuptor, denumit Heater, pentru a fi incalzit; vaporii iesiti din separator vor ocoli cuptorul si vor intra intr-un Mixer pentru a fi amestecati cu cei veniti de la cuptor si denumiti HotCrude; noul curent, denumit TowerFeed, este alimentat in coloana de distilare pentru obtinerea fractiilor petroliere.

Coloana este modelata ca un Reflux Absorber, adica coloana de absorbtie cu reflux, care este echipat cu trei recirculari (pumparound) si cu trei coloane laterale (side striper). Coloana principala are 29 de talere si un condensator partial; curentul de alimentare provenit de la Mixer este alimentat pe talerul 28, iar aburul supraincalzit va fi alimentat pe ultimul taler (BottomSteam). Sarcina termica necesara separarii va fi asigurata de un curent energetic alimentat pe talerul 28.

Din coloana se vor evacua mai multe produse: Naphta, OffGas si WasteH2O ce provin din condensator; Residue ce provine din blazul coloanei; Kerosene, Diesel (motorina), AGO (petrol de la distilarea la presiune atmosferica) vor proveni fiecare dintr-unul din separatoarele laterale (side stripere).

Fig. 2: Coloana principala

In continuare va vom prezenta etapele parcurse pentru a construi simularea:

2. Crearea unui nou set de unitati de masura:

Se va construi un set de unitati adecvat pentru aceasta instalatie utilizand capacitatea simulatorului de crea un nou set de unitati prin modificarea unuia existent. In cazul de fata se va particulariza setul predefinit SI prin modificarea unitatilor de masura pentru densitate (din Kg/m³ in API) si pentru densitatea standard (din Kg/m³ in API 60) ca in figurile:

Fig. 3

Fig.4

3. Definirea pachetului de calcul al proprietatilor:

Aceasta operatie se va efectua cu ajutorul ferestrei Simulation Basis Manager in care se va defini un pachet de proprietati pentru fluide, adica componentii si metodele de calcul ale proprietatilor. In acest caz se va alege metoda Peng Robinson, componentii puri si cei ipotetici care vor fi generati pe parcursul simularii.

3.1 Alegerea metodei de calcul:

Din pagina Prop Pkg se va selecta pachetul de proprietati dorit, adica Peng Robinson, iar ca alternativa se va alege drept Property Pkg Filter metoda EOS (ecuatii de stare).

Fig. 5

3.2 Selectarea componentilor usori:

O parte din componenti se vor selecta separat pentru ca ei nu fac parte din compozitia titeiului si trebuie tratati ca niste componenti individuali, incluzand aici si componentii usori care vor fi si ei specificati separat.

In acest caz drept componenti individuali se vor considera: H₂O, C₃, iC₄, nC₄, iC₅, nC₅, iar ei se vor introduce in lista de componenti utilizand fereastra Components.

Fig. 6

3.3 Caracterizarea titeiului:

Caracterizarea titeiului si a altor fractii petroliere se face pe baza datelor experimentale. Aici se va utiliza procedura de caracterizare a titeiului din HYSYS pentru a converti datele experimentale in pseudocomponenti. Caracterizarea titeiului se va face din pagina Oil Manager din fereastra de proprietati Simulation Basis Manager (Fig.7).

Fig. 7

Se va apasa butonul Enter Oil Environment si in pagina care va apare se va incepe definirea tipului de titei prin utilizarea butonului ADD:

Fig. 8

Primul pas va fi specificarea compozitiei fractiei usoare:

Fig. 9

iar apoi se vor specifica valorile proprietatilor si proprietatile globale ale titeiului:

Fig. 10

Pasul al doilea este specificarea datelor pentru: curba de distilare, masele moleculare, densitate, viscozitate disponibile din date experimentale. Apoi se va actiona functia de calculare a acestor proprietati si se vor analiza rezultatele (Fig. 11) si reprezentarile grafice ale proprietatilor (Fig. 12).

Fig. 11

Fig. 12

Pasul trei il reprezinta generarea pseudocomponentilor prin activarea butonului Blend din fereastra Oil Characterization si a butonului ADD. Se vor utiliza apoi datele de la definirea titeiului, iar Blend-ul va fi calculat automat. Daca se doreste se poate continua simularea cu aceste date, dar pentru o mai atenta analiza se vor introduce noi date pentru taierea intervalului si se vor analiza noile date (Fig. 13).

Fig. 13

Pasul patru este cel de instalare a fluidului petrolier in pagina Install Oil din aceeasi fereastra utilizata mai sus. Aici se va introduce curentul Preheat Crude ale carui proprietati vor fi analizate in mediul de simulare, iar caracterizarea titeiului este in acest moment completa.

4. Mediul de simulare:

La trecerea in acest mediu vor fi disponibile trei ferestre: PFD, Workbook si Sumary. In general, primul pas dupa intrarea in mediul de simulare este instalarea curentilor de alimentare care se poate face cu ajutorul ferestrelor: Workbook si PFD, in aceasta prezentare fiind utilizate pentru exemplificare ambele metode.

In cazul de fata se va observa in Workbook ca a fost deja instalat curentul de alimentare Preheat Crude in timpul caracterizarii fluidului petrolier, insa conditiile de alimentare nu au fost precizate. In acest caz ele se vor preciza acum: temperatura de intrare este 235⁰C, presiunea 5,15 bar si debitul volumetric 662,42 m³/h. Restul caracteristicilor vor fi calculate automat de catre HYSYS (Fig. 14).

Fig. 14

Pasul urmator va fi instalarea curentilor de utilitati calde: Bottom Steam care va avea proprietatile: temperatura de intrare 190⁰C, presiunea 10,5 bar, debitul masic 3400 Kg/h si Diesel Steam care va avea proprietatile: temperatura de intrare 150⁰C, presiunea 3,5 bar, debitul masic 1360 Kg/h (Fig. 15).

Dupa specificarea conditiilor de alimentare se vor introduce compozitiile de alimentare in pagina Compositions din aceeasi fereastra. Astfel ca pentru curentul Bottom Steam, care contine numai apa, se va scrie in dreptul componentului H₂O valoarea 1 ca fractie molara, iar apoi prin normalizare se vor calcula automat compozitiile celorlalti componenti, care vor fi zero. Acelasi lucru se va face si pentru curentul Diesel Steam. Dupa introducerea acestor compozitii pagina din fig. 15 va arata ca in fig.16.

Fig. 15

Fig. 16

Metoda de instalare utilizand fereastra PFD este: se apasa butonul Material Steam din Object Palette si apoi se trece in pagina de lucru si se face click. Pentru a defini acel curent se va da dublu click pe curentul nou aparut si se va afisa o fereastra de dialog in care se vor introduce parametrii de intrare ale curentului. Astfel s-a atasat curentul AGO Steam ce are proprietatile: temperatura de intrare 150⁰C, presiunea 350KPa, debitul masic 1134 Kg/h. Dupa introducerea acestor date fereastra in care s-a lucrat va arata ca in fig. 17.

Fig. 17

4.1 Instalarea operatiilor unitare:

Instalarea acestor operatii se poate face la fel ca si instalarea curentilor de material prin mai multe metode. In aceasta lucrare vor fi prezentate cateva metode.

4.1.1 Operatia separator:

Operatia Separator este utilizata pentru separarea curentului de alimentare Preheat Crude in doua faze: lichida si gazoasa. Aceasta operatie va fi instalata cu ajutorul ferestrei Workbook, pagina Unit Ops efectuandu-se operatiile prezentate in fig. 18.

Fig. 18

Dupa selectarea operatiei se va intra in fereastra de proprietati a acesteia. Aici se vor efectua operatiile care vor fi afisate in indicatorul de stare situat in partea de jos a ferestrei si optional se va denumi si operatia. Operatiile care vor trebui efectuate vor fi: denumirea operatiei cu PreFlash, instalarea curentului de alimentare - Preheat Crude, crearea curentului de vapori ce ies din coloana prin denumirea lui in casuta corespunzatoare - PreFlashVap, crearea curentului de lichid ce iese din coloana prin denumirea lui in casuta corespunzatoare - PreFlashLiq. In acest exemplu nu va fi necesara atasarea unui curent energetic, iar valoarea caderii de presiune afisata implicit de catre program, adica zero, se va considera acceptabila. Totul este prezentat in fig.19.

Fig. 19

Pentru a analiza parametrii calculati pentru curentii de iesire se va deschide pagina Worksheet.

Avand in vedere ca aceasta operatie a fost complet definita se va reveni in fereastra Workbook unde, in pagina UnitOps, vom vedea afisata operatia proaspat instalata.

4.1.2 Cuptorul pentru incalzirea titeiului:

Acest utilaj va fi modelat ca o operatie Heater, adica incalzitor, cu ajutorul ferestrei PFD. Se va apasa butonul Heater din Object Palette si apoi se va elibera simbolul operatiei in fereastra PFD si astfel va aparea simbolul incalzitorului in spatiul de lucru. Avand in vedere ca este vorba de un cuptor se va schimba simbolul operatiei intr-unul care sa semene cu un cuptor. Urmeaza legarea curentilor necesari functionarii utilajului la acesta cu ajutorul modului Attach. Astfel se vor lega curentii: de intrare - PreFlashLiq, de iesire - 1, energetic - Q-100 (fig. 20).

Fig. 20

Curentii de iesire si energetic al cuptorului ne fiind definiti se va deschide fereastra de proprietati a acestuia in care se vor efectua operatiile: redenumirea operatiei in Furnance, se specifica caderea de presiune, in pagina Parameters, la valoarea 70KPa, se denumeste curentul de iesire al utilajului - HotCrude, se specifica valoarea temperaturii acestui curent in fereastra de proprietati a acestuia ca fiind 345⁰C si se denumeste curentul energetic - CrudeDuty (fig. 21).

Fig. 21

4.1.3 Operatia Mixer:

Aceasta operatie este utilizata pentru amestecarea curentului iesit din cuptor - HotCrude si a celui venit de la separator - PreFlashVap in vederea obtinerii curentului de alimentare pentru coloana. Aceasta operatie se va instala asemanator cu cea a cuptorului. Pentru ea se va alege simbolul Mixer din Object Palette si cu ajutorul modului Attach i se vor lega curentii de intrare, iar cel de iesire va i calculat automat de catre HYSYS. Acesta se va denumi - TowerFeed (fig. 22).

Fig. 22

4.1.4 Operatia Column:

Inainte de instalarea acestei operatii se va crea un curent energetic care va asigura sarcina termica pe talerul 28 al coloanei. El se va denumi TrimDuty.

Coloana necesara se va instala pe baza unui model deja existent in biblioteca HYSYS. Ea se va instala ca si celelalte operatii utilizand simbolul Refluxed Absorber, insa vor trebui introduse informatiile implicite necesare.

Informatiile necesare completarii primei pagini de proprietati a coloanei sunt: numarul de talere - 29, curentul de intrare in blazul coloanei - BottomSteam, curentul de alimentare al coloanei - TowerFeed ce va intra pe talerul 28, curentul energetic pentru talerul 28 - TrimDuty, curentul gazos de iesire din condensatorul partial - OffGas, curentul lichid de iesire din condensator - Naphta, curentul de apa care rezulta din condensator - WasteH2O ce iese sub forma de vapori (W), curentul energetic al condensatorului - CondDuty, curentul de iesire din blaz - Residue (fig. 23).

Fig. 23

Pentru a doua pagina de proprietati a coloanei avem datele: presiunea din condensator - 135,8KPa, caderea de presiune din condensator - 62KPa, presiunea din refierbator - 225,5KPa (fig.24).

Fig. 24

Pagina a treia de proprietati a coloanei este optionala. Aici se specifica doar unele valori estimative pentru rezolvarea coloanei. In acest caz ele se vor adauga pentru o convergenta mai rapida. Parametrii introdusi sunt prezentati in fig.25.

Fig. 25

In ultima pagina de proprietati a coloanei se introduc valorile debitelor de: vapori ce ies din condensator - 0m³/h si reflux al condensatorului - 1m³/h si in final se va apasa butonul DONE (fig. 26).

Fig. 26

Dupa terminare se vor face niste specificatii in pagina Specs: debitul de reflux se va sterge, la fel si specificatia BtmsProdRate si se adauga specificatia WasteH2ORate.

4.1.5 Operatiile de tip Side-Striper:

Prin atasarea echipamentelor laterale coloana va deveni non-standard, deoarece operatiile atasate difera foarte des. Astfel ca aceste operatii vor trebui instalate individual. Ele se instaleaza din pagina SideOps.

Primele operatii atasate coloanei vot fi cele de stripare din pagina SideStrippers. Aici se va apasa butonul ADD si se va deschide o fereastra de dialog numita NewSideStripper. In aceasta fereastra se vor introduce date pentru formarea striperelor, care vor fi in numar de trei.

Primul striper este KeroSS. El are 3 talere, e de tip refierbator si are valoarea raportului de fierbere 0,75. Se va selecta talerul sursa - talerul 9 si talerul destinatie - talerul 8. Se denumeste curentul de iesire din striper - Kerosene si se specifica debitul de iesire al acestuia - 85 m³/h. La final se apasa butonul Install (fig. 27).

Fig. 27

Celelalte stripere se vor instala in acelasi mod, dar cu specificatiile:

DieselSS: are talerul 17 ca taler sursa si talerul 16 ca taler destinatie; curentul de iesire se numeste Diesel si are debitul 113 m³/h; pentru ca este un curent de stripare cu abur  se va activa butonul Steam Stripped si se va crea curentul SteamFeed care va fi denumit DieselSteam;

AGOSS: are talerul 22 ca taler sursa si talerul 21 ca taler destinatie; curentul de iesire se numeste AGO si are debitul 33 m³/h; pentru ca este un curent de stripare cu abur  se va activa butonul Steam Stripped si se va crea curentul SteamFeed care va fi denumit AGOSteam.

4.1.6 Operatiile de tip Pump Around:

Aceste operatii se ataseaza din pagina PumpArounds a ferestrei SideOps. Aici se va apasa butonul ADD si se va deschide o fereastra de dialog numita Pumparound. In aceasta fereastra se vor introduce date pentru formarea acestor utilaje, care vor fi in numar de trei.

Primul utilaj va avea talerul de pe care extrage lichid talerul 2 si talerul pe care retrimite lichid talerul 1. Se va apasa butonul Install si se va deschide o noua fereastra de dialog in care fiecare circuit de recirculare are asociate 2 specificatii: debitul de recirculare si diferenta de temperatura dintre temperatura curentului de lichid extras de pe taler si cea a curentului de lichid recirculat. Debitul de lichid recirculat este de 333 m³/h. Specificatia pentru curentul extras se va schimba in Duty si acum va trebui introdusa sarcina termica cu valoarea -5,8e+7KJ/h. semnul minus apare pentru a indica faptul ca are loc o racire (fig. 28).

Urmatoarele doua utilaje se vor instala in acelasi mod, dar avand nevoie de specificatiile:

• utilajul 2: se extrage de pe talerul 17 si se retrimite pe talerul 16; debitul de lichid recirculat este 198,7 m³/h, iar sarcina termica este -3,7e+7KJ/h;
• utilajul 3: se extrage de pe talerul 22 si se retrimite pe talerul 21; debitul de lichid recirculat este 198,7 m³/h, iar sarcina termica este -3,7e+7KJ/h.

Fig. 28

S-au creat pana acum 13 grade de libertate suplimentare si s-au acumulat 13 grade de libertate. In general sunt necesare 13 specificatii active intr-un caz ca acesta si valoarea parametrului Degrees of Freedom este nula (fig. 29).

Fig. 29

4.1.7 Adaugarea unor noi specificatii pentru coloana:

Cu toate ca parametrul Degrees of Freedom este zero si coloana este gata de rulare, se vor mai adauga cateva specificatii: una de tip OverFlash si una de tip Duty. Pentru a efectua aceste operatii se va activa fereastra Specs din pagina Design si se va apasa butonul ADD.

Pentru adaugarea specificatiei OverFlash se va selecta din grupul de specificatii cea cu numele Column Liquid Flow. Se va denumi apoi specificatia cu numele dorit, se va specifica faptul ca este utila pentru talerul 27 si va avea un debit de 23,2 m³/h (fig. 30).

Fig. 30

Specificatia de tip Duty se adauga in acelasi mod, doar ca din grupul de specificatii se va alege acum Column Duty. Se denumeste specificatia cu numele KeroRebDuty, se specifica curentul de energie ca fiind KeroSS_Energy COL1 si se scrie valoarea 7,9e+6 KJ/h in spatiul SpecValue.

Dupa efectuarea operatiilor de mai sus lista de specificatii va fi completa si va arata ca in fig. 31.

5. Simularea coloanei:

Pentru a finaliza aceasta simulare va trebui sa lasam programul sa calculeze coloana, pentru a vedea daca ea converge si daca datele introduse pana acum au fost bune. Ultimele operatii pe care le vom efectua sunt acelea de a folosi unele specificatii care acum sunt active ca si estimari si invers. Astfel ca vom efectua operatiile in fereastra Monitor la tabelul Specifications: se introduce debitul 132,5 m³/h pentru specificatia Distilate Rate, se activeaza specificatiile: OverFlash, KeroRebDuty, VapourProductRate si se dezactiveaza specificatiile: RefluxRatio, WasteH2ORate, KeroSS BoilUp Ratio. Dupa aceasta se va apasa butonul Run pentru a porni efectuarea calculelor. Fereastra obtinuta in urma calculelor va arata ca in fig. 32 si va contine in coltul din dreapta sus profilul de temperatura.

Fig. 31

Fig. 32

6. Afisarea unor curbe de distilare si a unor rezultate:

Dupa ce coloana a convers, ceea ce inseamna ca datele introduse au fost bune, va trebui sa analizam rezultatele obtinute cu ajutorul tabelelor de date si a curbelor care se pot obtine cu ajutorul programului HYSYS.

Se vor prezenta curbele: Boiling Point Properties (fig.33), in care sunt prezentate datele de pe talerele mai importante ale coloanei principale, si curbele de distilare a unuia din produsi, si anume Naphta (fig. 34).

Fig. 33

Fig. 34

Ca rezultate se vor prezenta datele utilizate de catre program in calcule si afisate in Workbook in legatura cu toti curentii folositi in simulare (fig. 35).

Fig. 35

Bibliografie:

1. Plesu V., Bologa V.:"Initiere in utilizarea simulatorului HYSYS , vol. II, editura Bren
2. HYSYS 3.0.1: HYSYS Tutorials, cap. R1: Atmospheric Crude Tower