Валидированное стационарное моделирование и многопараметрическая оптимизация промышленной установки гидроочистки тяжелой нафты

Адаптированный перевод статьи

Моделирование и оптимизация процессов гидроочистки тяжелой нафты: диагностика и многопараметрическая оптимизация промышленного реактора на НПЗ в Басре

Гидроочистка тяжелой нафты является критически важным технологическим этапом на современных нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ), поскольку она обеспечивает удаление серы и азота из сырья перед его дальнейшей переработкой. Однако создание точных моделей реакторов гидрообессеривания (гидродесульфуризации, HDS) и гидродеазотирования (гидроденитрогенизации, HDN) представляет собой сложную инженерную задачу. Сложность обусловлена двумя основными факторами: наличием трехфазной системы (жидкое сырье, водородсодержащий газ и твердый катализатор), а также высокой рефрактерностью — устойчивостью к химическим превращениям — стерически затрудненных молекул серы, которые с трудом вступают в реакции даже в жестких условиях.

В рамках представленного исследования была поставлена задача диагностики и оптимизации работы реальной промышленной установки гидроочистки, расположенной на НПЗ в городе Басра (Basrah Refinery, Ирак). Для достижения поставленной цели инженерами была разработана детальная технологическая модель, реализованная в специализированной программной среде Aspen HYSYS/Refining V14.0. Особое внимание было уделено аналитической характеризации тяжелых остаточных фракций: на основе лабораторных данных выполнен детальный покомпонентный анализ, необходимый для корректного описания свойств сырья и продуктов реакции.

Ключевым аспектом при построении модели стал обоснованный выбор термодинамического пакета HCRSRK. Данный пакет представляет собой специализированную модификацию кубического уравнения состояния Соава–Редлиха–Квонга (SRK), адаптированную для процессов гидрокрекинга и гидроочистки. Именно этот выбор позволил адекватно описать фазовое равновесие в системе «жидкость–газ» в присутствии водорода и тяжелых углеводородов.

Структурно модель включала параллельное описание двух ключевых реакторных зон: реактора гидрокрекинга и реактора идеального вытеснения (Plug Flow Reactor, PFR). При этом в модели учитывались кинетика реакций HDS и HDN, а также внутренние диффузионные сопротивления внутри пор катализатора, что является обязательным условием для корректного прогнозирования степени превращения.

Разработанная модель прошла строгую процедуру валидации на основе 12 реальных заводских испытаний (промышленных тестов). Результаты валидации показали высокую точность: коэффициент детерминации (R²) составил 0,9994, а относительные отклонения расчетных значений от экспериментальных данных не превысили 4 %. Такая высокая сходимость подтвердила адекватность модели и возможность ее использования для дальнейшей оптимизации.

После успешной валидации инженеры применили встроенный в среду Aspen HYSYS алгоритм многопараметрической оптимизации SQP (Sequential Quadratic Programming — последовательное квадратичное программирование). В качестве варьируемых параметров выступали температура процесса, рабочее давление и массовый расход водорода. В результате работы SQP-оптимизатора был найден новый технологический режим, который позволил значительно снизить концентрацию сероводорода (H₂S) на выходе из реактора: с исходного значения 7,9×10⁻⁵ масс.% до 4,27×10⁻⁵ масс.%. При этом оптимизация проходила с учетом ограничений, позволивших избежать нежелательного кинетического насыщения катализатора.

Представленный кейс наглядно демонстрирует корректную процедуру «настройки» каталитического реактора гидроочистки. Главным фактором, обеспечившим сходимость и точность расчетов, стали грамотный выбор термодинамического пакета HCRSRK, а также строгий учет диффузионных ограничений в пористой структуре катализатора. Эти аспекты часто игнорируются неопытными пользователями, что приводит к значительным погрешностям моделирования и неоптимальным режимам эксплуатации установок. Данная работа подтверждает, что комплексный подход к моделированию с учетом всех физико-химических особенностей процесса позволяет добиться существенного улучшения экологических и экономических показателей работы НПЗ.

Источник

Источник

Теги

• #AspenHYSYS
• #Hydrotreating
• #Оптимизация
• #HCRSRK
• #КинетикаРеакций

Источник: https://www.researchgate.net/publication/410766177_Validated_steady_state_simulation_and_multivariable_optimization_of_an_industrial_heavy_naphtha_hydrotreating_unit

#AspenHYSYS #Hydrotreating #Оптимизация #HCRSRK #КинетикаРеакций