بخشی از مقاله
چکیده
هدف اصلی واحد کراکینگ کاتالیستی بستر سیال - - FCC، تبدیل بخشی از نفت خام با هیدروکربن های سنگین و نقطه جوش بالا به نام گازوئیل، به بنزین با ارزش و با اکتان بالا و گازمایع می باشد. در این مقاله، از طرح مرکب مرکزی - CCD - در پنج سطح -2 - ، -1 ، 0، +1 ، - 2 همراه با روش سطح پاسخ - RSM - برای بهینه سازی مقادیر بنزین، عدد اکتان ، ضریب تبدیل و گازمایع براساس شبیه ساز تجاری PETRO-SIM استفاده شد.
در توسعه این مدل، اثر چهار متغیر شامل: دمای راکتور، دمای قسمت بالای برج جداساز، دمای قسمت پایین برج بوتان زدا ، شدت جریان خوراک و همچنین اثرات متقابل آنها، بررسی شد. شرایط بهینه برای حداکثر مقادیر خروجی با استفاده از روش RSM به این شرح می باشد: دمای قسمت بالای برج جداساز 136 درجه سانتیگراد، دمای قسمت پایین برج بوتان زدا 179درجه سانتیگراد، دمای راکتور 525 درجه سانتیگراد و شدت جریان خوراک هم 40000بشکه در روز.
-1 مقدمه
پالایشگاه نفت آبادان شامل واحدهای عملیاتی متعددی است که نفت خام را به محصولات باارزشی مثل بنزین، گازوئیل و سوخت جت تبدیل میکنند. مجتمع FCC یکی از واحد های تبدیل کاتالیستی می باشد که از گازوئیل سنگین - VGO - محصولات با ارزشی مثل بنزین،گازوئیل با کیفیت تولید می کند. خوراک این واحد پس از خروج از مخازن با عبوراز تعدادی مبدل حرارتی گرما داده میشود تا به دمای 232 درجه سانتی گراد برسد. این خوراک در انتهای قسمت بالا برنده راکتور تزریق می شود ودر تماس با کاتالیست داغ تبخیر می شود.
واکنش کراکینگ کاتالیستی در فضای اندک بالابرنده خوراک رخ می دهد. تحت شرایط عملیاتی عادی، نسبت کاتالیست به نفت - COR - بین 4 تا 9 متغیر است. واکنش انجام گرفته نیز گرماگیر بوده و گرمای لازم را از کاتالیست های داغ تامین می کند. همچنین به علت پایین بودن زمان اقامت گاز در بالابرنده خوراک - حدود 2-4 ثانیه - در مقایسه با زمان اقامت در برج احیا کننده که در حدود 30 ثانیه است، رفتار در ناحیه بالابرنده خوراک را می توان شبه پایا در نظر گرفت.[1-2] بعد از خروج از بالابرنده خوراک، بخار حاصل در 9 عدد سیلکون راکتور، از کاتالیست جدا می گردد و این بخار به برج جداساز هدایت می شود تا فراورده های مختلف موجود در آن از یکدیگر جدا شوند. بنزین ناپایدار به قسمت بازیابی گاز می رود تا محصولات گاز سبک، گاز مایع و بنزین با اکتان بالا حاصل شود.
-2 مدل آماری
روش رویه سطح پاسخ - - RSM ترکیبی از تکنیک های آماری و ریاضیات برای طراحی آزمایشات است. استفاده از این روش مشکلات موجود در برخی از روشهای آماری قبلی که در آنها تنها اثر مستقل برخی متغیرهای فرایندی مورد مطالعه قرار می گرفت، را برطرف کرد. در روشهای قبلی یک متغیر بعنوان فاکتور تغییر پذیر انتخاب و سایر متغیرها ثابت باقی می ماندند که عملا با نادیده گرفتن اثر متقابل متغیرها بر یکدیگر، مدل مربوطه به سمت بهینه سازی غیر واقعی هدایت می شد.
روش RSM از میان طرح های آزمایشی، اثر فاکتورهای مورد بحث و تاثیرات متقابل آنها برای بهینه سازی فرایند را مورد بررسی قرار می دهد.[ 5 -7] مزیت اصلی این روش، کاهش تعداد آزمایشاتی است که برای سنجش اثر متغیرها لازم است انجام شود. اخیرا ابزارهای بهینه سازی روش RSM ، در فرایندهای مختلف استفاده می شوند.
-3 روش کار
متغیرهایی که از فرایند FCC در مدل آماری بکار گرفته می شود باید شرایط بهینه سازی یک مجتمع را در بر داشته باشند. از این رو بعضی از متغیرهای حل مساله مستقل×از×هم×نبوده و به هم وابسته اند و برخی روی محصولات دیگر تاثیر دارند×و همچنین برخی تقریبا ثابت اند که این متغیرها را باید در مرحله اول شناسایی وحذف نمود. دمای خوراک ثابت و متغیرهای دمای راکتور و نسبت شدت خوراک به کاتالیست و مقدار چرخشی کاتالیست وابسته به هم هستند و همگی روی دمای راکتور تاثیر گذارندودمای قسمت پایین برج بوتان زدا نیز تاثیر مستقیم بر هر دو محصول بنزین و گاز مایع دارد.
هر کدام از این عوامل می توانند به عنوان ورودی های مساله بکار گرفته شوند. شدت جریان خوراک بر روی موازنه جرم محصولات موثر است. پارامتر بعدی دمای قسمت بالای برج جداساز - تفکیک کننده - می باشد که نقطه پایانی بنزین و همچنین شیب حرارتی برج را تحت تاثیر قرار دهد. در نهایت مقدار شدت جریان خوراک، دمای قسمت بالای برج جداساز، دمای قسمت پایین برج بوتان زدا و دمای راکتور بعنوان متغیرهای مستقل و تاثیر گذار بر متغیرهای وابسته و خروجی مساله شامل مقادیر بنزین، گازمایع، عدد اکتان و ضریب تبدیل محصولات انتخاب می شوند.
مدل مورد نظر، مدل آماری توسعه داده شده براساس شبیه ساز تجاری PETRO-SIM است که در توسعه این مدل، در ابتدا براساس تئوریهای آماری آرایه ای از داده های ورودی انتخاب شده و نتایج شبیه سازی با استفاده از این داده ها تعیین می گردد. در ادامه با استفاده از نرم افزار Design Expert مدل آماری مناسب توسعه داده خواهد شد. نتایج عملکرد این مدل از طریق محاسبه R2، تحلیل متغیرها - آنالیز واریانس - ، تحلیل نمودار های ارتباط بین پارامترها و نتایج بهینه متغیرها، مشخص می شود.
-4 توسعه مدل آماری
روش RSM روشی علمی، اقتصادی و آسان جهت بهینه سازی داده های فرایند می باشد. نخستین گام در بهینه سازی مطلوب RSM ، طراحی صحیح آزمایشات برای ارزیابی میزان کارایی پارامترهای مدل است و دومین گام، توسعه یک مدل چندجمله ای مناسب برای داده های آزمایشی از طریق رگراسیون و سپس استفاده از آزمایشات آماری شامل R2 - ،F-test ، - Adequate precision برای بررسی مطلوبیت مدلها است. [5 - 7 ] آخرین گام درروش استفاده از RSM ، تعیین فاکتورهای ارزش گذاری مطلوب برای شرایط بهینه است.
طرح CCD علاوه بر داشتن همه ویژگی های طرحهای رویه پاسخ، یک طرح دوسطحی کامل است که به آن تعدادی آزمایش اضافی برای برآورد آثار مدل مرتبه دوم، افزوده می شود.
.1-4 محاسبه متغیرها و سطوح
متغیرها و سطح های این مسئله بهینه سازی بر طبق اصول طرح مرکب مرکزی وداده های صنعتی به کمک شبیه ساز محاسبه شده است
دمای راکتور ،دمای قسمت بالای برج جداساز،دمای قسمت پایین برج بوتان زدا و شدت جریان خوراک به×=ترتیببا A، B ،Cو Dکدگذاری میشوند
هر متغیر در5 سطح مورد بررسی قرار گرفته است - جدول - 1 خروجی هم مقدار بنزین ، درجه آرام سوزی بنزین ،درصد تبدیل و مقدار گازمایع خواهد بود
جدول - - 1 متغیرها و سطوح آنها برای طرح مرکب مرکزی
باتوجه به داشتن چهار متغیر ورودی در این مساله ، انتخاب می شود.پایه اصول ذکر شده این روش به انجام تعداد 2K +2*K+6 آزمایش با شرایط مندرج در جدول - 1 - نیاز دارد که K تعداد متغیرهای مستقل مساله می باشد. شرایط آزمایش های ترسیم شده جهت توسعه مدل آماری مناسب با شرایط مساله را با کمک شبیه ساز تجاری PETRO-SIM3.2 پاسخ داده می شود. ابتدا متغیرهای این نرم افزار با توجه به داشته های واحد کت کراکر تنظیم شدند سپس با توجه به شرایط مساله، خروجی آزمایشها از این نرم افزار دریافت می شود.
برای تعیین کارایی مدل آماری از محاسبهR2 ، تحلیل متغیرها - آنالیز واریانس - استفاده شد.
