Modelovanje i energetska optimizacija progresa katalitičkog reforminga benzina

Abstract

Proces katalitičkog reforminga benzina je jedan od glavnih procesa u industrijskojpreradi nafte, koristi se za proizvodnju visoko-oktanskih motornih benzina, kao i zaproizvodnju sirovina za procese u petrohemijskoj industriji.U doktorskoj disertaciji razmatrani su tehnologija, matematičko modelovanje procesa,strategija energetske optimizacije i pravci budućeg razvoja procesa katalitičkog reformingabenzina.Za modelovanje procesa katalitičkog reforminga benzina uspostavljen jetermodinamički model i razvijen je semi-empirijski pseudo-kinetički model. U cilju primeneodgovarajućeg termodinamičkog modela ravnoteže para-tečnost testirano je nekoliko modela:Redlich-Kwong, Soave-Redlich-Kwong, Benedict-Webb-Rubin-Starling i Chao-Seader. Nabazi dobijenih rezultata utvrđeno je da je Soave-Redlich-Kwong-ov model najadekvatniji zamodelovanje procesa katalitičkog reforminga benzina. U razvijenom kinetičkom modelustrategija grupisanja komponenti bazirana je na „PIONA” analizi. Grupisanje energijaaktivacija je uvedeno, kako bi se različite vrednosti energija aktivacije u okviru specifičnereakcione klase uzeli u razmatranje. Parametri modela određeni su usaglašavanjem vrednostidobijenih pomoću uspostavljenog modela sa podacima dobijenim iz industrijskogeksperimenta. Postignuto je veoma dobro slaganje vrednosti parametara procesa dobijenihupotrebom modela i parametara procesa sa postrojenja. Prednost pomenutog modela daveoma dobro predviđa koncentracije vodonika i lakih gasova u odnosu na postojeće modele,predstavlja značajan rezultat.S obzirom na to da je model formulisan na osnovnim principima procesa katalitičkogreforminga benzina, razvijeni kinetički model, uz određene modifikacije, može se primenitina bilo koji katalitički reformer.U radu je predložen i novi pristup za simulaciju i optimizaciju kontinualnoregenerativnogkatalitičkog reformera. Tipični kontinualno-regenerativni proces sastoji se odtri ili četiri reaktora sa reciklom. Reakciona šema i reaktori su matematički opisani prekosistema parcijalnih diferencijalnih jednačina. S obzirom na to da je analiza modela izvedenogza ovaj proces od nekoliko reaktora vremenski veoma zahtevna, razvijena je efikasnasimulaciona šema bazirana na kvazi-stacionarnim pretpostavkama. Takođe, u ciljusmanjivanja mogućnosti greške uzrokovane kvazi-stacionarnim pretpostavkama, predloženisu novi kriterijumi za fragmentaciju reaktora. Za određivanje parametara procesa uvedena jeoptimizaciona funkcija, koja je uključila minimizaciju potrošnje energenata. Upotrebljenafunkcija cilja predstavlja kombinaciju ekonomskih zahteva i zahteva zaštite životne sredine.Pokazano je da predložena optimizaciona strategija značajnije unapređuje modelovanjeprocesa.U doktorskoj tezi je razmatrana i mogućnost primene Rankine-ovog ciklusa zapoizvodnju električne energije iz izvora niskog toplotnog kvaliteta.

Catalytic naphtha reforming is one of the primary processes of naphtha refining. Thisprocess is used for the production of the primary component of high-octane motor fuels andalso for the production of feedstock for petrochemical industry.This thesis study the technology, process mathematical modeling, strategy for energyoptimization, and the direction for future developments of catalytic reformer process.A thermodynamic model has been set up and a semi-empirical pseudo-kinetic modelfor catalytic reforming has been developed with intention to provide correct processmodeling. In order to set up a proper thermodynamic model several models have been tested:Redlich-Kwong, Soave-Redlich-Kwong, Benedict-Webb-Rubin-Starling i Chao-Seader.Based on obtained results, it has been found that the Soave-Redlich-Kwong is the mostappropriate model for modeling catalytic naphtha reforming process. In the developed kineticmodel, the component “lumping” strategy is based on “PIONA” analysis. “Activation energylumps” were introduced to take into consideration different values of activation energieswithin the specific reaction classes. The parameters of the model have been estimated bybench marking with industrial data. Simulation results have been found to be in very goodagreement with plant data. Also, one of the significant advantages of the present kineticmodel is that it predicts the concentration of hydrogen and light gases very well, comparing tothe existing models.Since it was formulated from basic principles, this kinetic model with somemodification can be applied to any catalytic reformer.In addition, in the thesis the new approach for simulation and optimization of acontinuous catalytic regenerative reformer process was proposed. Typical continuous catalyticregenerative reformer process consists of three to four reactors with recycle. The reactionpatterns and reactors are typically modeled using system of partial differential equations.Furthermore, due to the fact that the numerical solution of the entire model developed for thisprocess, consisting of several reactors, is extremely time consuming, the new more efficientmethod was developed based on quasi-steady state assumptions. Moreover, with the aim ofavoiding introduction of large errors in calculations caused by quasi-steady state assumptionsthe new criteria for reactors fragmentation were proposed.In order to determine optimal values of process parameters new optimizationobjective function was formulated, minimizing the fuel consumption. The employed objectivefunction constitutes a combined measure for economic and environmental performance. Itwas shown that proposed method identifies considerable improvements for the process.In the thesis an application of Rankine cycle has been considered for powerproduction using low grade heat.