Момотенко Д. О., к.т.н. Ладієва Л. Р.

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Україна

Система автоматичного керування початкової фази виробництва n-парафінів (установка «ПАРЕКС»)

Адсорбційний процес "Парекс", застосовується для поділу гасових фракцій на два продукти: рідкі нерозгалужені парафінові вуглеводні або так звані n-парафіни (С₁₀ – С₂₀) і депарафінованний гасовий дистилят, званий денормалізатом (компонент дизельного палива з температурою застигання мінус 60…70 °С). Сировиною установки є прямокутний гасовий дистилят широкого або вузького фракційного складу (в залежності від вимог, що пред'являються до продуктів), який попередньо піддається гідроочистці. Зміст нерозгалужених парафінових вуглеводнів в одержуваній фракції рідких n-парафінів (парафін-сирець) досягає 99% (мас.) від сировини. До сировини пред'являються досить жорсткі вимоги за змістом сірки, олефінів та домішок. В якості адсорбенту в даному процесі використовується нерухомий шар цеоліту.

В установці «ПАРЕКС» в якості десорбента використовується газоподібний аміак (циркулює в установці), який легко витісняє n-парафіни та досить легко десорбується з цеоліту газосировинною сумішшю на стадії адсорбції, тим самим забезпечуючи глибоке видалення n-парафінів з гасового дистиляту.

На ефективність проведення процесу впливають: температура, тиск, якість гасового дистиляту, співвідношення «гасовий дистилят: циркулюючий водневовмісний газ» та співвідношення «циркулюючий водневовмісний газ:свіжий водневовмісний газ».

До гасового дистиляту додається циркулюючий водневовмісний газ у кількості 10% від поданого гасового дистиляту. До цієї суміші додається свіжий водневовмісний газ, який складає 5% від кількості циркулюючого водневовмісного газу. Кінцева суміш надходить до змійовика трубчастої печі 1 (див. рис. 1), де нагрівається до температури 380 °С. Далі по трубопроводі нагріта суміш надходить до адсорбера-десорбера 2, де відбувається насичення n-парафінами нерухомого шару цеоліту. На цій стадії з адсорбера виходить суміш денормалізата (ізо-парафінові, нафтові та ароматичні вуглеводи) та аміаку.

Запропонована система автоматичного регулювання початкової фази виробництва n-парафінів. Регулятор співвідношення 1, за допомогою регулюючого клапану 2, забезпечує задане співвідношення гасовий дистилят:циркулюючий водневовмісний газ. Співвідношення циркулюючий водневовмісний газ:свіжий водневовмісний газ забезпечується регулятором співвідношення 3, що впливає на регулюючий клапана 4.

Температура суміші на виході з трубчастої печі 5 регулюється через зміну подавання палива за допомогою регулятора 8 і регулюючого клапана 9. Регулятор співвідношення 6 підтримує на заданому рівні співвідношення паливо:повітря зміною подавання в піч повітря клапаном 7.

Рис.1. Система автоматизації початкової фази виробництва н-парафінів (установка «ПАРЕКС»)

Для забезпечення заданого насичення нерухомого шару цеоліту n-парафінів в процесі адсорбції зменшують подачу нагрітої суміші до адсорбера 15, що надходить з трубчастої печі 5 регулятором 16, який впливає на регулюючий клапан 17. Це пов’язано з тим, що в процесі адсорбції адсорбент (цеоліт), насичується n-парафінами, тим самим втрачаючи свої сорбційні властивості.

Забезпечення температури газоподібного аміаку на виході з трубчастої печі 10 регулюється через зміну подавання палива регулятором 13 та регулюючим клапаном 14. Регулятор співвідношення 11 підтримує на заданому рівні співвідношення паливо:повітря зміною подавання в піч повітря клапаном 12.

Отримано математичну модель динаміки процесу ізотермічної адсорбції газу на цеоліті:

,

,

,

де F – витрата суміші газу, м³/год; R – газова стала, 4.82 (Па^.м³)/(моль^.К); T – температура, 653К; - загальний тиск, 1400000 Па; - середня концентрація суміші газу в i – ому об’ємі; M - молярна маса суміші газу, 0.5 кг/моль; - постійний коефіцієнт, 0.9 с^-1; - порожність 11.4; - адсорбційна здатність 5.5; - час насичення адсорбенту, 0.07 год; q₀ – поглинена кількість адсорбуємого газу на одиницю маси адсорбенту, 18.4 моль/кг; V – об’єм цеоліту, 0.2 м³; w - маса цеоліту, 160 кг; k - кількість об’ємів.

Початкові умови процесу адсорбції

Виконавши деякі математичні перетворення, запишемо нашу математичну модель у вигляді:

,

де ;

Для даної моделі обираємо критерій оптимальності вигляду:

Об’єднаємо критерій та обмеження за допомогою множників Лагранжа:

Скористаємось рівняннями Ейлера-Лагранжа. Отже для цієї задачі ці рівняння мають вигляд:

спряжена система:

оптимальне керування:

Використовуючи програмне керування знайдемо оптимальне керування.

В результаті даних розрахунків отримуємо такий графік:

Рис.2. Математична модель процесу розрахована в прямому часі при оптимальному керуванні

Висновок

В результаті розрахунку отримано оптимальне програмне керування і вектор переходу стану у стан рівноваги.