Применение инструментальных средств анализа установки висбрекинга для оптимизации рабочих характеристик
Изобретение относится к системам и способам для снятия характеристик и для количественного определения параметров дисперсной среды, в частности для измерения концентрации частиц или тенденции к формированию дисперсной фазы в образце текучей среды. Технический результат - управление загрязнением в установке. Способ использует оптическое устройство для измерения склонности к загрязнению технологической текучей среды в различных точках в технологической установке. Результаты измерения сравнивают друг с другом, и методы прогнозирования используют для оценки потенциала загрязнения в установке и для определения надлежащей дозировки химиката. Химикат, предохраняющий от загрязнения, затем вводят в установку для регулирования скорости загрязнения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 26 ил.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Данная заявка является частичным продолжением заявки на патент США с порядковым номером 11/456128, зарегистрированной 7 июля 2006 г., по которой в настоящее время принято решение о выдаче патента и которая была, в свою очередь, частичным продолжением заявки на патент США порядковый номер 11/178846, зарегистрированной 11 июля 2005 г., теперь патент США 7394545.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к системам и способам для снятия характеристик и для количественного определения параметров дисперсной среды и, в частности, для измерения концентрации частиц или тенденции к формированию дисперсной фазы в образце текучей среды. Настоящее изобретение также предлагает программу, которая использует эти измерения концентрации, чтобы контролировать и управлять работой технологической установки на нефтеперерабатывающем заводе.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Термическая конверсия является процессом, в котором приложением теплоты большие молекулы углеводородов разделяют на меньшие молекулы с более низкой точкой кипения. Эти операции выполняются в нефтеперерабатывающей промышленности такими установками как установка висбрекинга, установка коксования и установка для гидрокрекинга, чтобы получать промежуточные или легкие фракции более высокой стоимости из тяжелых остатков более низкой рыночной стоимости. Как свидетельствует европейский патент ЕР №768363, термин "технологическая установка" может использоваться также вместо термина "оборудование". Термический крекинг, применяемый в технологии висбрекинга, также снижает вязкость и температуру текучести тяжелых остатков.
Известно, что потенциал загрязнения текучей среды может быть оценен и охарактеризован концентрацией дисперсной фазы, в частности, концентрацией дисперсной фазы, присутствующей в определенном диапазоне размеров. В частности, было признано, что в углеводородных системах концентрация асфальтенов (то есть углеродистых частиц или их непрозрачной разновидности) с линейным размером больше, чем приблизительно 2 микрона, в образующихся при висбрекинге смолах является хорошим показателем потенциала загрязнения материала.
Процесс висбрекинга (visbreaking, VSB) был разработан несколько лет назад для снижения вязкости тяжелых продуктов, чтобы уменьшить количество более ценного разбавителя для удовлетворения требований к вязкости конечного продукта - тяжелого топлива. Сегодня, однако, он организуется с различными целями, а именно, с целью получения максимальной конверсии в средние и легкие дистилляты, чтобы удовлетворять потребности рынка.
Главным фактором при получении высокой степени конверсии является необходимость получать стабильный остаток. Известно, что увеличение температуры крекинга, конечно, вызывает более высокую степень конверсии в легкие и средние дистилляты, но производит намного более неустойчивую смолу, в результате чего конечный продукт выходит за пределы требуемой стабильности.
Увеличение легких фракций достигается увеличением жесткости крекинга посредством увеличения температуры на выходе печи установки для висбрекинга. Хотя произвольное увеличение этой температуры влечет за собой повышение степени конверсии, это также достигается в этом процессе за счет образования очень неустойчивой смолы в виде осадка с высокой концентрацией частиц асфальтена. Эти частицы создают серьезную угрозу загрязнения устройствам утилизации энергии (то есть печам и теплообменникам) в процессе. В этой связи, чтобы максимизировать рентабельность установки висбрекинга, необходимо оптимизировать температуру на выходе печи при поддержании стабильности производимой смолы. Хотя известно, что высокотемпературные диспергирующие агенты и присадки, предохраняющие от загрязнения и образования отложений, могут быть введены в систему, чтобы уменьшить тенденцию и скорость загрязнения, системы известного уровня техники не полностью подходят для формирования автоматизированной системы определения оптимального типа и/или количества химических диспергирующих агентов и присадок, предохраняющих от загрязнения и образования отложений, которые должны вводиться в установку висбрекинга, чтобы максимизировать рентабельность предприятия. Настоящее изобретение показывает, что, если потенциал загрязнения смолы может быть определен количественно, то точный уровень химического ингибитора может быть дозирован так, чтобы максимизировать рентабельность предприятия.
Известно также, что тенденция загрязнения исходного углеводородного сырья или его смесей может быть связана с тенденцией нерастворимых органических материалов осаждаться в оборудовании теплопередачи или другом оборудовании технологической установки нефтеперерабатывающего завода.
Поэтому в одном аспекте настоящее изобретение предлагает упрощенную автоматизированную систему и способ, которые могут легко использоваться для выполнения оптического анализа образующихся при висбрекинге смол и других образцов текучей среды, чтобы характеризовать и количественно измерять концентрацию частиц в образце текучей среды с высокой точностью и воспроизводимостью. В другом аспекте настоящее изобретение использует эти измерения концентрации, чтобы определять потенциал загрязнения образующихся при висбрекинге смол и регулировать введение химических ингибиторов в установку висбрекинга для улучшения выхода легких фракций. В еще одном или дополнительном аспекте, последовательность определенных количеств подготавливается из того же самого образца с различным разбавлением, чтобы управлять разделением фаз, выполняя последовательность измерений концентрации, коррелированных с классическим измерением числа пептизации (peptization value, Pv), критерия качества продукта. В еще одном или дополнительном аспекте, настоящее изобретение использует данные концентрации для оценки потенциала загрязнения исходного сырья, связывает данные концентрации с потенциалом загрязнения исходного сырья и обеспечивает оптимальную дозировку химической обработки для уменьшения скорости загрязнения. Эти и другие аспекты данного изобретения станут очевидными специалистам после прочтения нижеследующего описания.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном аспекте настоящее изобретение предлагает систему и способ для оценки концентрации неоднородностей, содержащихся в смоляном побочном продукте работы установки висбрекинга. Изобретение обеспечивает это путем измерения модуляции света, проходящего сквозь образец текучей среды. Система использует сильно собирающую оптическую систему линз, чтобы фокусировать свет на подготовленном образце. В одном примере осуществления используется оптика обычного оптического микроскопа. Столик, перемещающийся по трем осям, устанавливается ниже фокусирующей оптики так, чтобы образец мог сканироваться по большой области и в определенной фокальной плоскости. Фотодетектор помещается на противоположной от фокусирующей оптики стороне столика, чтобы измерять свет, проходящий сквозь образец. Сигнал фотоприемника считывается аналого-цифровым преобразователем (analog-to-digital converter, ADC), чтобы обеспечить цифровую (то есть количественную) меру интенсивности проходящего света. Перемещающиеся столики затем перемещаются по такой схеме, что интенсивность проходящего света измеряется по репрезентативному пути по образцу. Когда непрозрачность, рассеивающий элемент или. непрозрачная частица порогового размера встречаются в образце, интенсивность проходящего света сильно уменьшается. Такое изменение интенсивности света затем связывается с обнаружением непрозрачной частицы, чтобы охарактеризовать и количественно определить концентрацию частиц в образце текучей среды с высокой точностью и воспроизводимостью. Алгоритмы обработки данных реализованы так, чтобы определять фоновый уровень помех, связанный с полученными данными, и устанавливать пороговый уровень. Также определенное отношение сигнал/шум может быть задано для определения, когда регистрировать событие обнаружения. Разрешающая способность по размеру может быть достигнута согласно физическим размерам перетяжки сфокусированного луча света.
В другом аспекте настоящее изобретение использует данные измерения концентрации для оценки потенциала загрязнения образующихся при висбрекинге смол в установке висбрекинга для регулировки введения химических ингибиторов в установку висбрекинга и улучшения выхода легких фракций. Изобретение предлагает автоматизированную программу, которая позволяет пользователю максимизировать производство легких фракций посредством моделирования корреляции между эксплуатационными параметрами, такими как качество исходного сырья, жесткость крекинга, глубина переработки, длительность работы и скорость загрязнения подвергаемого воздействию теплообменника или печи для регулировки введения химических ингибиторов в установку висбрекинга в соответствии с требованиями заказчика и/или требованиями производства.
В еще одном аспекте настоящее изобретение использует способ управления и оптимизации ввода химиката в технологическую установку для ограничения загрязнения. Способ использует оптический прибор для измерения склонности к загрязнению обрабатываемой текучей среды в различных точках в технологической установке. Результаты измерения сравнивают друг с другом, и используют способы прогнозирования для оценки потенциала загрязнения в установке и определения надлежащей дозировки химиката. Химикат присадки, предохраняющей от загрязнений и образования отложений, затем вводится в установку для управления скоростью загрязнения. Способ и его применение продолжают на постоянной основе для поддержания оптимального управления загрязнением в установке.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - вид сканирующего устройства в соответствии с настоящим изобретением, показывающий схематическую взаимосвязь различных элементов.
Фиг.2 поясняет пример экрана компьютера, отображающего интерфейс сбора данных в соответствии сданным изобретением.
Фиг.3 - схема, иллюстрирующая оптику, используемую для фокусировки луча света до узкой перетяжки луча.
Фиг.4 поясняет множество расположенных на расстоянии друг от друга линейных сканирований по сравнению со сплошным блоком, представляющим эквивалентную эффективную площадь поверхности.
Фиг.5 - график, иллюстрирующий необработанные данные светопропускания, полученные на основании сканирования одной строки.
Фиг.6 - график, иллюстрирующий необработанные данные, изображенные на фиг.5, после их фильтрации для удаления шума строки и больших изменений интенсивности.
Фиг.7 - график, иллюстрирующий уменьшение статистической погрешности как функции полной длины сканирования.
Фиг.8 - график, показывающий корреляцию неоднородности образца, измеренной прибором для образцов с различной степенью разбавления полностью крекированного (то есть с высокой плотностью частиц асфальтена) образца.
Фиг.9 - схема механизма химического эффекта диспергирующих агентов.
Фиг.10 - график отношения числа Pv к температуре на выходе печи (furnace outlet temperature, FOT) с обработкой химикатом и без нее.
Фиг.11 поясняет стабильность смолы и конверсию, когда асфальтены распределяются в дисперсионной среде посредством пептизирующего действия ароматических углеводородов и смол.
Фиг.12 - график, иллюстрирующий необработанные данные, полученные при испытании конверсии печи для висбрекинга.
Фиг.13-16 - графики, иллюстрирующие необработанные данные, полученные путем применения улучшения конверсии.
Фиг.17 - график, иллюстрирующий данные устройства контроля загрязнения установки висбрекинга (visbreaker fouling monitor, VFM) в зависимости от откорректированной температуры внешней поверхности.
Фиг.18 - принципиальная схема, иллюстрирующая приводимые в качестве примера виды процесса в установке висбрекинга.
Фиг.19А, 19B поясняет измерение уровня Pv измерительной системой в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.20 - таблица, иллюстрирующая данные подсчета частиц устройством VFM для высокоасфальтеновой сырой нефти (сырье A), смешанной в нескольких соотношениях со стандартным ассортиментом нефтей (сырьем B).
Фиг.21 - график, иллюстрирующий данные подсчета частиц устройством VFM для высокоасфальтеновой сырой нефти (сырье A), смешанной в нескольких соотношениях со стандартным ассортиментом нефтей (сырьем B).
Фиг.22 - график, иллюстрирующий уменьшение фактической температуры на входе печи вследствие загрязнения при измерении на месте эксплуатации.
Фиг.23 - график, иллюстрирующий данные подсчета частиц устройством VFM для высокоасфальтенового сырья (сырья D), смешанного с другим стандартным ассортиментом нефтей (сырье E).
Фиг.24 - схема, иллюстрирующая, как устройство VFM может использоваться для управления загрязнением в агрегате из последовательных теплообменников предварительного подогрева нефтехимической установки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Примеры осуществления и примеры, описывающие настоящее изобретение, будут описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. Как показано на фиг.1, это изобретение использует оптическую систему, которая в целом обозначена позицией 10 и в данном примере осуществления содержит собирающую линзу, источник 12 света и столик 14, перемещающийся по нескольким осям. Источник 12 света может быть реализован, например, в виде твердотельного лазера видимого излучения. Инфракрасный (infra-red, IR) лазер также может использоваться и в некоторых случаях предпочтителен вследствие того факта, что растворы углеводородов (hydrocarbonate, HC) обычно намного более прозрачны для инфракрасного излучения, чем для видимого света. Перемещающийся столик 14 может перемещаться горизонтально в направлениях X и Y в ответ на управляющие сигналы, формируемые соответствующим компьютером 20, для направления луча света по множеству путей сквозь образец. Третья ось перемещает столик вертикально, к фокусирующей линзе и от нее. Это позволяет выбирать фокальную плоскость внутри образца. В другом примере осуществления настоящее изобретение предполагает обеспечение средств для перемещения источника 12 света относительно образца, таким образом позволяя направлять луч света сквозь образец для достижения тех же самых результатов. Кроме того, настоящее изобретение предполагает также использование проточной ячейки для приема потока образца текучей среды, причем образец текучей среды течет сквозь проточную ячейку, в то время как луч света направляется сквозь часть протекающего образца. Также применяется фотоприемник 16, например, PIN-фотодиод, расположенный на противоположной стороне столика 14, для детектирования света 13, передаваемого сквозь объем образца, который расположен на перемещающемся столике. Фотоприемник 16, в свою очередь, подключен соединителем и кабелем 17, например, витой парой с миниатюрным байонетным соединителем (Bayonet Neill-Concelman, BNC), к аналого-цифровому (analog-to-digital, A/D) преобразователю 18 для количественного определения интенсивности проходящего света. Как описано ниже, это сделано для отбора проб или обнаружения появления неоднородностей при прохождении света, которые могут быть вызваны минералами и другими включениям и агломерирующим или стабильно локализованным темным веществом различного типа.
В одном примере осуществления изобретения образец коллоидной текучей среды материала густой вязкой смолы, отбираемый из установки висбрекинга, помещается на перемещающийся столик 14. В зависимости от режима в установке висбрекинга образец может содержать (но не обязательно) асфальтеновые (или основанные на углероде) частицы. Асфальтеновые частицы в среде смолы непрозрачны для видимого света. Среда смолы также непрозрачна для видимого света, если длина пути сквозь среду превышает линейный размер, обычно приблизительно равный 1 см. Объем образца распределяется на предметном стекле или проточной ячейке 15 так, что получается типичная толщина образца 10-20 микрон. В связи с этим, толщина среды образца должна быть сделана достаточно малой для различения прозрачности между средой вязкой смолы и рассматриваемыми асфальтеновыми частицами. В этом примере осуществления, чтобы оптимизировать прохождение света от источника малой мощности, выбран твердотельный лазер, который создает излучение приблизительно на длине волны 633 нм. Это обеспечивает адекватную мощность в соответствующей области электромагнитного (electromagnetic, ЕМ) спектра для обеспечения передачи сквозь тонкий слой смолы, в то время как частицы карбида остаются непрозрачными.
Чтобы иметь чувствительность к неоднородностям определенного размера, должна использоваться соответствующая оптика для фокусирования света лазера на образце. Выбор источника монохроматического света позволяет оптимизировать конструкцию оптики. Как показано на фиг.3, для фокусировки луча света 100 до размера перетяжки приблизительно 1 микрон используется система 200 сильно собирающих линз. Размер перетяжки луча определяет минимальный поперечный размер неоднородности, которая должна полностью ослабить свет лазера. Если неоднородность меньше 1 микрона, она все еще допускает прохождение света. Таким образом, фокусирующая оптика определяет, частично, пороговый размер для обнаружения неоднородности. Уравнение для расчета перетяжки луча является следующим:
W=0,61λ/d,
где W=ширина (1/e) перетяжки луча,
λ=длина волны света,
d=числовая апертура.
Например, если λ=633 нм и d=0,56, то W=0,7 мкм.
Так как представляют интерес неоднородности больше 1 микрона (и меньше ~20 микронов), инфракрасный лазер не используется, даже при том, что растворы углеводородов (hydrocarbon, HC) более прозрачны для инфракрасного излучения, потому что перетяжка луча увеличилась бы в размере для данной оптики. Также уменьшилась бы чувствительность прибора. Предпочтительно, длину волны и перетяжку луча выбирают так, чтобы минимизировать интерференционные искажения, которые могут возникнуть, когда концентрация дисперсной фазы возрастает или толщина образца изменяется (например, под покровным стеклом.)
Толщина образца 120 текучей среды выбрана равной приблизительно 10 микронам. Луч 100 фокусируют на предметном стекле 104, ниже покровного стекла 102 или проточной ячейки в объеме образца. Глубина и ширина фокуса ограничены оптической системой и выбранной длиной волны света. В одном примере осуществления оба размера выбраны приблизительно равными 1 микрону.
Фиг.2 поясняет пример экрана устройства отображения, представленного программным обеспечением настоящего изобретения. Экран устройство отображения, показанный на фиг.2, представляет собой интерфейс сбора данных, позволяющий оператору определить множество параметров сбора данных сканирования, параметров анализа, рабочих условий прибора и результатов измерения. Способы, которыми оператор выбирает элементы, входные данные, и иным образом взаимодействует с интерфейсом сбора данных, являются обычными, и дальнейшее рассмотрение этих операций здесь не приводится. В примере осуществления изобретения программное обеспечение сбора данных было реализовано с помощью Visual Basic® в Excel® с кодом анализа и обработки сигналов, реализуемым в GNU Octave, хотя специалистам в области техники программного обеспечения будет ясно, что много других программных средств могут использоваться для достижения тех же самых результатов.
Для проверки правильности и измерения характеристик сканирования согласно примеру осуществления данного изобретения был разработан и реализован план испытания. В частности, повторяемость измерений подтверждалась анализом изменений между идентичными измерениями. Воспроизводимость данных исследовалась с помощью анализа влияния сканирования различных областей в образце. Это усложнялось влияниями неоднородности образца. Точность системы проверяется сравнением данных сканирования с видимыми изображениями и Pv (Pv=число пептизации) образца. Точность результатов проанализирована для статистической неопределенности с учетом длины пути и посредством оптимизации площади образца, как рассмотрено более подробно ниже.
Фиг.4 поясняет пример того, как система сканирования выполняет измерения в большой области образца. Массив линейных сканирований (показанный на правой стороне фиг.4) представляет ту же самую эффективную площадь поверхности, что и малый блок, показанный на левой стороне фиг.4. Например, массив 20 строк линейных сканирований длиной 15 мм с 1 мкм шириной луча лазера фактически сканирует ту же самую площадь, что и меньший блок 0,48×0,64 мм. Однако, за счет расположения пути измерения так, чтобы расширить его на большую область образца, влияние неоднородности образца, локальных флуктуации в образце и изменений образца резко снижается. В связи с этим статистические результаты намного более точны и воспроизводимы.
Для демонстрации повторяемости результатов сканирования были произведены пять идентичных 15 мм сканирований одного и того же образца, каждое покрывающее эффективную площадь 0,015 мм2. Измерение показало, что число отсчетов при сканировании строки длиной 15 мм было идентичным в пределах 95% границ доверительного интервала. При увеличении области измерения до путей сканирования длиной 20-15 мм были получены те же самые систематические влияния. После применения статистического анализа к результатам было обнаружено, что измерения сканирования одной строки обычно распределяются со среднеквадратическим отклонением (а)=1,6 единиц отсчета при среднем 8,0 единиц отсчета. Кроме того, полный итоговый отсчет образца был равен 159 со среднеквадратичным отклонением 9 единиц отсчета. Это показывает, что как средний отсчет неоднородностей на пути, так и полный итоговый отсчет неоднородностей был статистически идентичен и воспроизводим по отдельным испытаниям, таким образом стабильность и повторяемость прибора являются отличными. Это также демонстрирует, что относительную погрешность можно снизить, увеличивая длину сканирования. Это возможно вследствие того факта, что независимые погрешности складываются не линейно, а в квадратуре.
Как может быть замечено из вышеприведенных данных, система в соответствии с настоящим изобретением способна минимизировать и количественно измерять влияние неоднородности образца.
На фиг.5 показан график, представляющий приводимые в качестве примера необработанные данные, полученные из сканирования единственной строки длиной 15 мм и в течение окна сбора данных длительностью 10 с.
На фиг.6 необработанные данные, как показано на фиг.5, фильтруют посредством преобразования Фурье для удаления линии шума 50/60 Гц, при этом используется медианный фильтр для удаления больших изменений интенсивности, чтобы извлечь число единиц отсчета выше порогового значения. Этот процесс может быть повторен для сканирований всех строк (например, сканирований 20 строк), чтобы вычислить полную поверхностную плотность гомогенности испытуемого образца. В одном примере число пиковых подсчетов из сканирования одной строки вычисляют как:
ρ1=(9±3)/(15 мм×1 мкм)=600±200 мм-2.
Повторяя это вычисление для измерения, перекрывающего более 20 путей, погрешность уменьшают, как показано ниже:
ρtot=(149±12)/(20×15 мм×1 мкм)=497±40 мм-2.
Как видно, погрешность уменьшается согласно гауссовой статистике, где погрешность распространяется в квадратуре, что является известным статистическим свойством.
Как показано на фиг.7, неопределенность приблизительно 5% достигается при сканированиях 10 строк длиной 15 мм (то есть полезной площадью 0,15 мм2). Статистическая погрешность таким образом показывает уменьшение с N-0,6, где N - кратность длины пути 15 мм. На основании приводимых в качестве примера данных на фиг.7 показано, что полная длина пути приблизительно 150 мм (10×15 мм) будет обеспечивать погрешность приблизительно 5%.
Для определения фонового шума в сигнале, как показано на фиг.5 и 6, настоящее изобретение предлагает программный алгоритм, который автоматически вычисляет фоновые шумы и устанавливает уровень дискриминатора или порог для регистрации неоднородности образца. Измерение светопропускания выполняется, когда сканирование не осуществляется. Таким образом, сигнал является оценкой номинального шума. Вычисление среднеквадратичного отклонения этого распределения сигнала позволяет получить оценку. Это значение может использоваться для определения фиксированного отношения сигнал/шум, при котором воспринимают неоднородности.
В соответствии с настоящим изобретением прибор способен количественно измерять неоднородности раствора автоматизированным и быстрым способом.
Для демонстрирования возможностей настоящего изобретения, следующие типовые образцы для испытания с различными концентрациями асфальтенов были использованы для анализа и проверки достоверности:
Образец A: 9630 Asls, PV=1,7, низкая плотность частиц (очень разбавленный).
Образец B: 9630-6, PV=1,4, средняя плотность частиц (частично разбавленный).
Образец C: 9630-7, PV<1,0, высокая плотность частиц, сильно крекированный образец (немного разбавленный).
Образец D: 9630-mod, 13%-ый 9630-7+9630 Asls, PV=приблизительно 1,35 (частично разбавленный).
Результаты сканирования этих образцов затем сравнивались с фотографиями образцов, и была найдена корреляция между изображениями и результатами сканирования. График, показывающий корреляцию плотности частиц, которая измерялась прибором, для образцов с различной степенью разбавления, начиная от полностью крекированного (то есть с высокой плотностью асфальтена), показан на фиг.8.
В целом, результаты испытания демонстрируют, что система в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает хорошую повторяемость и показывает корреляцию с видимым изображением. Показано, что относительно большая площадь образца может быть охвачена автоматизированной работой, что снижает влияние локальных флуктуации плотности неоднородности. Также может быть определена погрешность данных для количественного определения точности результатов.
Также раскрыта программа для текущего контроля и управления работой установки висбрекинга в технологическом оборудовании переработки углеводородов (нефтеперерабатывающем заводе). Программа позволяет пользователю максимизировать производство легких фракций (то есть обычно дизельного топлива) при поддержании очень стабильной остаточной смолы и уменьшения шансов того, что выходной поток смолы загрязнит теплообменники подогрева.
Известно, что стабильность остаточной образующейся при висбрекинге смолы и ее потенциал загрязнения могут быть измерены числом пептизации (PV) и числом фильтрующихся при нагреве твердых частиц (hot filterable solids, HFT). Необходимо отметить, что HFT и PV - две различные метрики, поскольку HFT - спецификация продукта, тогда как PV - определение характеристик образующихся при висбрекинге смол по отношению к потенциалу осаждения асфальтена. Оптическое измерительное устройство (называемое в дальнейшем VFM (visbreaker fouling monitor)) в соответствии с настоящим изобретением измеряет количество, которое является мерой непрозрачных фильтрующихся твердых частиц в образце смолы. Автоматизированная программа настоящего изобретения использует данные измерения концентрации устройства VFM для оценки потенциала загрязнения образующихся при висбрекинге смол. Эта оценка в свою очередь используется для измерения необходимости в оптимальной подаче средств химической обработки.
Известно, что высокотемпературные диспергирующие агенты и присадки, предохраняющие от загрязнения, являются основными продуктами в множестве химикатов, используемых для очистки установок висбрекинга. Есть определенные химические семейства, которые являются особенно эффективными для использования в установке висбрекинга для снижения загрязнения на поверхностях теплообмена (то есть теплообменника, печи и т.д.) и впоследствии стабилизации смолы, производимой при висбрекинге. Программа настоящего изобретения выполнена с возможностью выбора типа и количества химикатов, необходимых для удовлетворения требований производства. Специальные химические соединения включают, но не ограничены приведенным списком, полиизобутенилфосфоновые кислоты и эфиры, полиизобутенилтиофосфоновые кислоты и эфиры, сульфиды и дисульфиды фенолята алкилфосфоната, которые могут быть нейтрализованы щелочно-земельными металлами, или амины полиизобутенил-сукцинимидов, эфиры алкила сукцината полиизобутенила, магниевые или кальциевые соли сульфокислот алкила или диалкилнафтелена, как описано в патенте США №4927519 и европейском патенте ЕР №321424 B1.
Было найдено, что эти материалы присадок, предохраняющих от загрязнения и отложений, работают при низких дозировках, 1-200 частей на миллион, для предотвращения нежелательных осаждений или загрязнения поверхностей в установках висбрекинга, а также для предотвращения осаждения углеродистых веществ в образующихся при висбрекинге тяжелых нефтепродуктах (смоле). Загрязнение в теплообменниках, как полагают, происходят сначала путем образования неустойчивых макромолекулярных частиц, которые больше не растворяются в текучей среде, или больше не являются стабильными коллоидными частицами. Это происходит из-за термического напряжения в углеводороде. Происходит начальное отложение, и далее дестабилизированные частицы адсорбируются на участок первоначального отложения. Большие частицы в углеводороде будут более склонными входить в контакт и коалесцировать с поверхностью. Дегидрогенизация адсорбированного углеводорода будет возбуждаться теплотой и делать отложение более вязким, когда происходят реакции сшивания.
Диспергирующие агенты работают с помощью ряда механизмов. Сначала материалы диспергирующего агента адсорбируются к поверхностям роста нерастворимых частиц и действуют так, чтобы сохранить эти частицы малыми, обычно меньше чем 1 микрон. Таким образом, частицы более склонны продолжать течь через систему и не осаждаться на теплообменнике или других поверхностях. Это может быть описано в соответствии с законом Стокса, который устанавливает зависимость от радиуса частиц. Это схематично показано на фиг.9. Диспергирующие агенты действуют с помощью комбинации пространственной стабилизации, которая действует так, чтобы отталкивать приближающиеся частицы (существенно увеличивая энтропию локальной системы и проталкивая растворитель между частицами), и блокировать полярные участки на частицах, которые действуют как движущая сила для коалесценции. Существует доказательство рассеяния света, которое показывает, что диспергирующий агент, обрабатывая подвергнутые термическому напряжению текучие среды, генерирует частицы, которые до двух порядков величины меньше, чем у необработанных углеводородных текучих сред.
Даже если частицы не являются малыми, вышеописанный механизм объясняет, как частицы будут менее склонны коалесцировать к другим частицам в растворе или к материалу, уже осажденному на поверхности.
Также было показано, что природа поверхности играет роль в способности к отложению подвергнутых термическому напряжению текучих сред. Металлические поверхности с более высокой шероховатостью, гранями или полярностью более склонны к загрязнению. Эти диспергирующие агенты будут адсорбироваться к таким поверхностям и будут препятствовать прилипанию к поверхности частиц или аморфного нерастворимого углеводорода.
Реакция углеводородов при повышенных температурах с кислородом (даже при очень низких уровнях, таких как<5 частей на миллион) будет приводить к формированию полярных функциональных групп, которые могут запускать коалесценцию частиц, а также ускорять дегидрогенизацию адсорбированного углеводорода, которая делает его удаление с поверхности турбулентным потоком намного менее вероятным. Адсорбция диспергирующего агента блокирует массоперенос кислорода к поверхности, и некоторые из этих описанных присадок, препятствующих загрязнению и отложениям, обладают способностями антиоксиданта, мешая реакциям с участием свободных радикалов.
Кроме того, образующаяся при висбрекинге смола, как полагают, является коллоидной по природе, представляя собой более высоко полярную разновидность асфальтена с более высокой молекулярной массой, стабилизируемую в текучей среде меньшими молекулами смолы. Поскольку термическое напряжение нарушает соотношение адсорбируемых смол и асфальтенов, и вызывает конверсию смол в асфальтены, делая асфальтены более полярными, эти системы могут быть описаны как более "нестабильные" или склонные к отложениям. Диспергирующие агенты, описанные здесь, как полагают, замещают нарушенные или разрушенные смолы и вновь стабилизируют асфальтеновую систему.
Как описано здесь, данные измерения устройством VFM дают информацию о содержании твердых веществ в остатке (смоле). Более высокие количества твердых частиц будут давать более высокий потенциал осаждения. Твердые частицы могут быть введены в систему с исходным сырьем (из-за плохого качества исходного сырья) и/или в процессе крекинга. Чем выше жесткость крекинга, тем вероятно выше будет содержание твердых веществ в остатке.
На основании определения исходных условий, которые зависят от установки, данные устройства VFM предоставляют информацию об увеличении реагирования на уменьшение содержания твердых частиц в смоле. В зависимости от основной причины увеличения числа твердых частиц (исходное сырье или жесткость крекинга) устройство может помогать оптимизировать скорость ввода химиката (если твердые частицы поступают из исходного сырья или необходимо поддерживать жесткость), чтобы поддерживать уровень загрязнения и таким образом сохранять под контролем длительность работы установки. Если увеличение числа твердых частиц происходит только из-за жесткости крекинга, измерение устройством VFM обеспечивает раннее предупреждение о потенциальной нестабильности смолы, и жесткость крекинга может быть понижена уменьшением температуры (FOT) на выходе печи.
На фиг.10 показана корреляция температуры FOT с числом PV. Увеличение FOT будет уменьшать число PV до нестабильности (то есть PV=1,0). При надлежащей обработке число PV останется более высоким (то есть стабильным) при той же самой температуре. Также необходимо отметить, что наклон у кривых обработанной и необработанной текучей среды различен, кривая обработанной текучей среды имеет намного более пологий наклон. Это обеспечивает большую надежность и гибкость для целей улучшения конверсии, так как обработка действует как буфер для коэффициента изменения PV с температурой FOT. Соответственно, фиг.10 представляет корреляцию температуры на выходе печи с Pv, показывающую, что при увеличении температуры FOT число Pv будет уменьшаться до нестабильности, и, с обработкой, Pv будет более высоким при той же самой температуре, и наклон также различен, что показывает, что обеспечивается большая надежность и гибкость для целей улучшения конверсии. Для сравнения, другие известные системы обработки, такие как описанные в европейских патентах №0321424 B1 и №0529397 B1, не влияют на Pv способом, описанным данным изобретением.
Сравнение разности в измерениях устройством VFM смолы на входе печи с измерениями на выходе печи дает прямую меру глубины крекинга. Когда устройство VFM измеряет неоднородность в выходном потоке, на стороне процесса может предприниматься действие, специфическое для спецификаций заказчика. Например, самым простым действием, которое может быть реализовано, является уменьшение жесткости крекинга, чтобы уменьшить скорость загрязнения в печи, теплообменниках, днищах колонн или барабана реакционной камеры (сокинг-камеры). Это уменьшает риск и скорость загрязняющих отложений, но также уменьшает количество производимой легкой углеводородной фракции, так что это уменьшает рентабельность эксплуатации. Этот способ действия сопровождается подачей высокотемпературного химиката, предохраняющего от загрязнения и образования отложений, в соотношении приблизительно 100 частей на миллион. Чтобы поддерживать самую высокую эффективность конверсии и, следовательно, наивысшую рентабельность, целью должно быть увеличение стабильности смолы (увеличение числа пептизации) путем замещения преобразуемых смол высокотемпературным диспергирующим агентом при более высокой дозе, которая составляет приблизительно до 500 частей на миллион вводимого химиката. Экономический оптимум для обеспечения максимальной рентабельности нефтеперерабатывающего завода зависит от его отдельных операций и целей и находится приблизительно на уровне порядка 300 частей на миллион. Конкретная величина определяется с использованием измерений устройством VFM и количественных статистических моделей авторов.
Предложенные модели множественного регрессионного анализа (multiple regression analysis, MRA) определяют математическую корреляцию между эксплуатационными параметрами, такими как качество исходного сырья, жесткость крекинга, конверсия и скорость загрязнения рассматриваемого теплообменника или печи. С помощью нормализации математической модели скорость загрязнения отделяется от изменяющихся эксплуатационных параметров, и реальная скорость загрязнения может определяться и оцениваться количественно. С помощью разработки корректируемой модели, которая отражает разности между предсказанной моделью и фактически измеренным параметром, могут применяться статистические методы управления процессом, чтобы определять количественно характеристики химикатов, применяемых для ограничения загрязнения в установке висбрекинга. Точное определение потенциала загрязнения этим способом позволяет нефтеперерабатывающему заводу начать обработку возможного сырья и быстро достигнуть оптимального набора эксплуатационных условий без загрязнения или быстро изменить режим работы печи (то есть температуру), чтобы увеличить или уменьшить количество определенных фракций в продукте (то есть распределение компонентов и/или композиции образующегося при висбрекинге продукта), которые могут требоваться для немедленных потребностей производства, при гарантии того, что работа остается в пределах безопасного диапазона стабильности. В дополнение к улучшенному выходу или производительности, это обеспечивает улучшенную гибкость с минимизированным риском.
Настоящее изобретение приспособлено для управления подачей химиката, основанного на измерениях устройством VFM, чтобы максимизировать выход легких фракций углеводородов (hydrocarbon, НС) при эксплуатации установки висбрекинга. Устройство VFM также может давать оценку стабильности смолы, которая является пропорциональной результатам измерений способом HFT. Программа в соответствии с настоящим изобретением управляет подачей химиката на основании заранее заданной температуры на выходе печи и использует прогнозное моделирование, чтобы проверять и предсказывать эффективность на основании измерений устройством VFM. Скорость подачи химиката тогда прямо привязывается к задаваемым заказчиком значениям характеристик, таких как длительность работы и/или глубина переработки. Высокотемпературные диспергирующие агенты могут замещать преобразуемые смолы, чтобы поддерживать стабильность смолы при увеличении жесткости крекинга; или система может увеличивать стабильность смолы, поддерживая постоянную жесткость крекинга. Кроме того, измерение характеристик смолы с помощью устройства VFM до и после печи указывает количество частиц, производимых непосредственно в процессе крекинга.
Процесс для организации эффективной обработки в печи для висбрекинга можно резюмировать следующим образом. Сначала пользователь четко определяет проблему, которую необходимо решить. Затем выполняется проверка установки или контрольное испытание работы установки висбрекинга. Вслед за этим анализируются эксплуатационные данные, полученные в ходе проверки установки, и определяются исходные рабочие параметры. Затем цели работы измеряются в соответствии с взаимно согласованными целями и требованиями производства, и далее может быть разработана соответствующая процедура обработки. Далее процедура обработки реализуется, контролируется и обслуживается, и, наконец, мо гут быть предоставлены отчеты о рабочих характеристиках и количественных выгодах.
Как показано на фиг.11, происходит преобразование стабильности смолы, когда асфальтены распространяются в дисперсионной среде посредством пептизирующего действия ароматических углеводородов и смол. Из иллюстрации можно заметить также, что крекинг модифицирует равновесие так, что асфальтены могут инициировать осаждение - низкое число пептизации.
Приводимые в качестве примера данные, зарегистрированные при испытании конверсии установки висбрекинга, показаны на фиг.12. Как видно из фиг.12, обведенные кружком области представляют области для прекращения ввода химикатов при тех же самых эксплуатационных условиях.
Фиг.13-16 иллюстрируют приводимые в качестве примера данные, полученные во время применения улучшения конверсии. Как можно заметить из приведенных данных, было достигнуто общее увеличение конверсии на+3%. На фиг.15, ингибитор коксообразования Thermoflo 7R630 был введен перед подогревом: в среднем 300 частей на миллион. Следует отметить, что увеличение конверсии даже на 1% в обработанной загрузке нужно считать чрезвычайно удовлетворительным с точки зрения прибыли.
Фиг.17 поясняет данные устройства VFM в зависимости от корректируемой температуры поверхности с течением времени, и фиг.18 является принципиальной схемой, иллюстрирующей приводимые в качестве примера типы процесса в установке висбрекинга.
Описанная выше операция осуществления сканирования длины пути для измерения концентрации дисперсной фазы хорошо коррелирует с обычным измерением HFT фильтрующейся с нагревом смолы и может также использоваться с подходящим протоколом для получения классического числа пептизации Pv. Это позволяет использовать устройство VFM для оценки качества продукта установки висбрекинга и эффективно смешивать или производить различное необходимое топливо или другие нефтепродукты. Классическая процедура измерения Pv, используемая в течение десятилетий, включает медленное добавление возрастающих объемов чистого n-цетана С16Нз4 к последовательности образцов продукта, выдерживание каждого разбавленного образца в нагреваемой ванне некоторое время (например, тридцать минут), чтобы позволить асфальтенам агломерировать, и затем определение концентрации смолы. Различные образцы дают график стабильности продукта, с крутым увеличением в отделении смолы при числе пептизации Pv. Концентрация, измеряемая с помощью устройства VFM в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивает эффективный инструмент для выполнения такого измерения Pv быстро и с высокой повторяемостью.
Один подходящий протокол заменяет цетан n-гептанами в процедуре приготовления образца, что позволяет быстро выполнять разбавление, нагревание и осаждение - на малых образцах, при более низкой температуре и за более короткое время. Классическое число пептизации Р выражается как 1+Xmin, где Xmin - максимальное разбавление прежде, чем происходит флокуляция, выраженное в числе миллилитров разбавителя n-цетана на грамм образца. Для использования с устройством VFM в соответствии с настоящим изобретением с применением n-гептана в качестве разбавителя последовательность образцов с последовательно увеличивающимся разбавлением можно нагревать в водяной бане при 100°C в течение пятнадцати минут, дать охладиться и выдержать пятнадцать минут, а затем измерить устройством VFM. Это существенно уменьшает время приготовления образцов, и так как устройство VFM для шага обнаружения концентрации требует процедуры сканирования только малого пути, весь массив образцов может быть помещен на одном предметном стекле, например, на 9-луночном планшете для микрообразцов, так что измерение упрощено и сделано поддающимся количественной оценке и воспроизводимым. Из-за более низкой молекулярной массы более легкого гептанового разбавителя применяется поправочный коэффициент 1/0,443 к объему разбавителя Xmin для коррекции другой молекулярной массы цетана так, чтобы полученное в результате число Р было идентичным по значению с классическим измерением. Серию образцов помещают на столик. Каждый образец содержит небольшое количество алифатического углеводорода (то есть n-цетана, n-гептана и т.д.). Чем больше алифатического соединения должно быть добавлено, тем более стабильна смола. Затем измеряют прохождение света по пути сканирования у каждого отдельного образца. Это позволяет выполнить функциональное сравнение оптической плотности для количества алифатического соединения, добавленного к каждому образцу.
Фиг.19A поясняет полученное Pv, найденное этой процедурой для пяти образцов текучей среды установки висбрекинга, по сравнению с числами Р, определенными классическим анализом лабораторных испытаний образцов с n-цетаном. Измерения по существу идентичны. Графики фиг.19 В измерения концентрации устройством VFM (в произвольных единицах) иллюстрируют появление нестабильности и флокуляции. Значение Pv легко обнаружимо как точка, в которой происходит быстрое увеличение непрозрачности образца при относительно малом увеличении объема алифатического (гептанового) растворителя. Это резкое изменение в измеренной концентрации устройством VFM среди испытуемых образцов может быть автоматически определено как результат вычислений с прямым программно-реализованным алгоритмом сравнения, чтобы обеспечить это измерение качества продукта или стабильности текучей среды. Другие аспекты приготовления образцов, такие как подготовка набора различных разбавлений и загрузка в массив микроОбразцов для измерения концентрации, могут быть полностью автоматизированы с использованием различных механизмов ввода, обработки и переноса, которые будут знакомы из подобных задач, выполняемых оборудованием, используемым для автоматизации манипулирования, обработки и анализа химикатов, биологических, медицинских материалов или материалов генетического секвенирования.
Далее, описанная выше программа может быть адаптирована для оптимизации управления загрязнением в сети теплообменников или другом оборудовании для технологической установки нефтеперерабатывающего завода (такой как установка висбрекинга, установка для коксования, установка для гидрокрекинга или установка первичной переработки) на основании априорного определения агломерации частиц, их распределения по крупности и нерастворимости. В частности, загрязнения, вызванного нестабильностью асфальтенов вследствие перекачивания или смешивания, а также нестабильного состава нефтяного сырья. Программа обеспечивает основу для текущего контроля склонности к загрязнению исходного сырья установки с учетом оптимизации соотношений смешивания, и/или для управления упреждающим образом химической присадкой, предохраняющей от загрязнения. Эта технология обеспечивает способ минимизировать расходы на энергию и эксплуатацию, связанные с загрязнением оборудования теплообмена, а также для выбора смесей исходного сырья, которые могут балансировать экономию затрат путем управления загрязнением.
Известно, что тенденция загрязнения исходного углеводородного сырья или его смесей может быть связана с тенденцией нерастворимых органических материалов осаждаться в оборудовании для нагрева. Устройство VFM изобретения измеряет количество, связанное с непрозрачными фильтрующимися твердыми частицами в образце углеводорода. Автоматизированная программа, описанная в настоящем изобретении, использует концентрацию и данные распределения частиц по размеру, получаемые устройством VFM, для оценки потенциала загрязнения смешанного исходного сырья. Это, в свою очередь, используется для понимания диапазона смешивания потенциального углеводородного сырья, связывания его с поведением загрязнения и затем обеспечения оптимальной дозировки химической обработки.
Показано, что высокотемпературные диспергирующие агенты и присадки, предохраняющие от загрязнения и отложений, являются основными компонентами в множестве химикатов, используемых для обработки технологического оборудования и таким образом уменьшения скорости загрязнения. Существуют определенные семейства химикатов, которые являются особенно эффективными для замедления скорости загрязнения в оборудовании теплообмена и других горячих поверхностях, таких как печи. На скорость загрязнения влияет действие упомянутых химикатов для коллоидной стабилизации содержащихся частиц, включая асфальтеновые материалы. Программа данного изобретения сконфигурирована так, чтобы сделать возможными диапазоны стабильности смешивания, которые должны быть установлены перед их использованием. Дополнительно, программа сконфигурирована для выбора типа и количества химического состава, необходимого для удовлетворения требований производства. Специальные химические соединения включают, но не ограничены ими, полиизобутенилфосфоновые кислоты и эфиры, полиизобутенилтиофосфосфоновые кислоты и эфиры, сульфиды и дисульфиды фенолята алкилфосфоната, которые могут быть нейтрализованы щелочно-земельными металлами, или амины полиизобутенил-сукцинимидов, эфиры алкила сукцината полиизобутенила, магниевые или кальциевые соли сульфокислот алкила или диалкилнафтелена, как описано в патенте США №4927519 и европейском патенте EP №321424 B1, которые включены в данное описание путем ссылки на соответствующий источник.
Эти материалы присадок, предохраняющих от загрязнения и отложений, функционируют при низких дозировках, 1-200 частей на миллион, для предотвращения нежелательного отложения нерастворимого материала (загрязнения) на поверхностях в оборудовании теплообмена, перекачивающего технологические текучие среды. Загрязнение в теплообменниках, как полагают, происходят сначала путем образования неустойчивых макромолекулярных частиц, которые больше не растворяются в массе жидкости, или больше не являются стабильными коллоидными частицами. Это происходит из-за термического напряжения в углеводороде. Происходит начальное осаждение, и далее дестабилизированные частицы адсорбируются на участок первоначального осаждения. Большие частицы в углеводороде более склонны входить в контакт и коалесцировать с поверхностью. Дегидрогенизация адсорбированного углеводорода будет возбуждаться теплотой и делать осадок более вязким, когда происходят реакции сшивания.
Диспергирующие агенты функционируют посредством ряда механизмов. Сначала материалы диспергирующего агента адсорбируются к поверхностям, формируемым ростом нерастворимых частиц, и действуют так, чтобы сохранить эти частицы малыми, обычно меньше 1 микрона. Таким образом, частицы более склонны продолжать течь через систему и не осаждаться на теплообменнике или других поверхностях. Это может быть описано законом Стокса, который устанавливает зависимость от радиуса частиц. Это схематично показано на фиг.9. Диспергирующие агенты действуют комбинацией пространственной стабилизации, которая действует так, чтобы отталкивать приближающиеся частицы (существенно увеличивая энтропию локальной системы и проталкивая растворитель между частицами), и блокировать полярные участки на частицах, которые действуют как движущая сила для коалесценции. Существует доказательство рассеяния света, которое показывает, что диспергирующий агент, обрабатывая подвергнутые термическому напряжению текучие среды, генерирует частицы, которые до двух порядков величины меньше, чем необработанные углеводородные текучие среды.
Даже если частицы не являются малыми, вышеописанный механизм объясняет, как частицы будут менее склонны коалесцировать к другим частицам в растворе или к материалу, уже осажденному на поверхность.
Также было показано, что природа поверхности играет роль в способности к осаждению подвергнутых термическому напряжению текучих сред. Металлические поверхности с более высокой шероховатостью, гранями или полярностью более склонны к загрязнению. Эти диспергирующие агенты будут адсорбироваться к таким поверхностям и будет препятствовать прилипанию к поверхности частицы или аморфного нерастворимого углеводорода.
Реакция углеводородов при повышенных температурах с кислородом (даже при очень низких уровнях, таких как <5 частей на миллион) будет приводить к формированию полярных функциональных групп, которые могут запускать коалесценцию частицы, а также ускорять дегидрогенизацию адсорбируемого углеводорода, которая делает его удаление с поверхности турбулентным потоком намного менее вероятным. Адсорбция диспергирующего агента блокирует перенос массы кислорода к поверхности, и некоторые из этих описанных присадок, предохраняющих от загрязнения и отложений, имеют способности антиоксиданта, мешая реакциям с участием свободных радикалов.
Кроме того, исходное углеводородное сырье, такое как сырые нефти и их более тяжелые дистиллятные фракции, как полагают, содержат асфальтеновые материалы, которые являются коллоидными по природе. Эти коллоиды имеют высокополярную и высокомолекулярную разновидность асфальтена, которая стабилизирована в текучей среде меньшими молекулами смолы. Эти системы могут быть представлены как "нестабильные" или склонные к осаждению при любом тепловом напряжении, которое изменяет критическое отношение адсорбируемых смол к асфальтенам, необходимое для поддержания стабильных коллоидальных систем. Диспергирующие агенты, описанные здесь, как полагают, замещают нарушенные или разрушенные смолы и вновь стабилизируют асфальтеновые системы.
Как описано здесь, данные измерения устройством VFM дают информацию о концентрации и гранулометрическом составе нерастворимых твердых частиц в исходном углеводородном сырье и/или его смесях и их получающихся в результате фракциях дистиллята. Текучие среды, имеющие большие количества твердых частиц, дадут более высокий потенциал осаждения. Кроме того, текучие среды, имеющие распределения размеров частиц, в которых представлены твердые фракции большие, чем критический порог размера, также покажут увеличенный потенциал загрязнения. Критический порог размера изменяется, в практическом смысле, в зависимости от механических свойств текучей среды и ее течения, таких как вязкость, скорость, сдвиговое напряжение и т.д. Кроме того, природа частиц, формирующих распределение, также будет воздействовать на склонность к загрязнению. Наконец, исходное сырье, в частности, соотношение компонентов в смеси конкретного исходного сырья, входящего в состав смеси, тепловая дестабилизация и механизмы дегидрогенизации - все они могут вводить твердые частицы в систему, воздействовать на распределение по крупности, а также на природу вещества частицы.
Базовые параметры работы, такие как потенциал загрязнения, могут быть установлены проведением проверки установки или контрольного испытания работы технологической установки и анализа эксплуатационных данных, полученные в ходе проверки установки. На основании определения базового уровня, зависящего от установки, данные устройства VFM предоставляют информацию относительно увеличения или уменьшения потенциала загрязнения поступающего исходного сырья. Эта информация может затем использоваться для изменения скорости ввода химиката, предохраняющего от загрязнения и отложений. Дополнительно, применяемое на практике смешивание сырой нефти часто чревато неопределенностью, и значительная нелинейность может проявляться в отношении соотношений компонентов в смеси при рассмотрении стабильности содержащихся асфальтеновых материалов и соответствующих скоростей загрязнения. Данные устройства VFM, когда они проходят по диапазону(-ам) желательного смешивания, могут определять области значительного потенциала загрязнения. Это может позволить принимать в реальном времени рациональные решения для корректирования стратегии смешивания с целью минимизации загрязнения и/или максимизации продолжительности работы.
На фиг.20 и фиг.21 показаны данные подсчета частиц устройством VFM для высокоасфальтеновой сырой нефти (сырья A), смешанной в нескольких соотношениях со смесью со стандартным сырым сланцем (сырьем B). На диаграмме дополнительно показана та же самая кривая смешивания с добавлением химической присадки, предохраняющей от загрязнения. Этот набор текучих сред был выбран потому, что в многочисленных случаях в прошлом эта смесь вызывала серьезные увеличения скорости загрязнения подогрева, а также нарушение режима работы установки обессоливания. Несколько важных пунктов могут быть отмечены из этих данных. Первый - то, что при рассмотрении данных чистого сырья А и сырья В асфальтеновая сырая нефть (сырье А) имеет намного более низкое количество частиц чем нормальный сырой сланец (сырье В). Эти наблюдения показывают, что устройство VFM может использоваться для оценки поступающего нефтяного сырья, чтобы установить его относительную склонность к загрязнению. Путем выполнения испытания устройством VFM на этом нефтяном сырье после процесса обессоливания природная склонность к загрязнению может быть связана с асфальтеновыми продуктами или другими неорганическими загрязняющими примесями, которые могут быть удалены в процессе обессоливания. Исходное сырье и смеси могут быть ранжированы как исходное сырье с низким, средним или высоким потенциалом загрязнения. На фиг.21 видно также, что после смешивания сырья A и сырья B с разными соотношениями, количество частиц резко возрастает для соотношений компонентов смеси между 40% и 60%. Это показывает, что эта смесь имеет тенденцию проявлять значительное нелинейное увеличение нерастворимых частиц. Вероятно это происходит из-за дестабилизации коллоидных асфальтенов, как описано выше. На фиг.22 показано, что фактическая температура на входе печи (в дальнейшем "FIT") уменьшается вследствие загрязнения, которое измерялось в условиях эксплуатации. Температура FIT сильно снижалась в течение нескольких периодов при обработке составов нефтяного сырья, имеющих соотношения компонентов смеси в этом проблематичном режиме. На фиг.21 показано также, что на число нерастворимых частиц можно сильно воздействовать добавлением малых количеств химических присадок, предохраняющих от загрязнения. На фиг.23 показан подобный набор данных для другого асфальтенового сырья (сырья D), смешанного с другим стандартным сырым сланцем (сырьем E). Второй набор данных показателен для довольно обширного опыта работы с этими проблемами и показывает, что это не является чем-то особенно связанным с узким набором сырых нефтей.
Данные устройства VFM, приведенные выше, формируют основу для настоящего изобретения, в котором описана программа для использования прибора VFM для упреждающего управления поведением загрязнения в оборудовании теплообмена или других частях технологического оборудования, склонных к загрязнению, прежде, чем фактически испытываются проблематичные и дорогостоящие воздействия. При использовании устройства VFM для сортировки входящей сырой нефти, изменения в подсчете поступающих частиц могут использоваться для управления скоростями подачи химиката в комбинации со статистическими моделями. При использовании комбинации устройства VFM, химических присадок, предохраняющих от загрязнения, и методологий статистического управления процессом, всеохватывающая программа может быть организована так, чтобы обеспечить улучшенную возможность для достижения целей по длительности работы установки, техническому обслуживанию и экономии. Кроме того, стратегии смешивания могут быть заранее разработаны так, чтобы достигалась большая гибкость для достижения общих экономических задач при сохранении критически важных эффективности передачи теплоты и продолжительности работы.
Ниже описан пример способа изобретения, в котором устройство VFM используется для ограничения загрязнения в агрегате из последовательных теплообменников подогрева в нефтехимической установке.
Технологическая текучая среда входит в установку подготовки сырья после смешивания в резервуарном парке 201. Затем он входит в систему подогрева, состоящую из холодного агрегата 202 из последовательных теплообменников, установки 203 для обессоливания, горячего агрегата 204 из последовательных теплообменников, печи 205 и ректификационной установки 206. Образцы текучей среды берутся в точках 207 так, чтобы характеристики природной текучей среды перед инжекцией химиката могли сравниваться с характеристиками в различных точках в системе во время процесса нагрева и после того, как был добавлен химикат. Образцы текучей среды подаются в устройство VFM 208, и данные склонности к загрязнению определяются и сравниваются в различных точках 207 отбора проб. Данные устройства VFM затем передаются в механизм 209 обработки и управления, где осуществляется математический анализ для определения потребности в химикате, предотвращающем загрязнение и отложения. Анализ данных состоит в использовании методов прогнозирующего моделирования для оценки воздействия химиката на склонность к загрязнению, которая измеряется прибором VFM, а также для проектирования теоретической продолжительности работы на основе измеренной скорости загрязнения. На основании полученных статистических параметров вычисляется необходимая потребность в химикате для поддержания скорости загрязнения в установленных пределах. Команды затем передаются питательному насосу 210 химиката, который доставляет химикат из складского резервуара 211 химиката. На основании анализа данных и алгоритмов управления оптимизированная дозировка химиката, предотвращающего загрязнение и отложения, вводится инжекторным насосом 210 в технологическую линию в точке 212 ввода.
Другие схемы могут быть предложены, и этот вариант осуществления изобретения не является ограниченным конкретной частью технологического оборудования, методологией сбора данных, конфигурацией подачи или механизмом управления. Один предпочтительный вари ант осуществления может быть предусмотрен для дополнительного сбора данных и/или ввода химиката до налива в емкость, когда необработанное исходное технологическое сырье процесса выгружается из средств транспортировки на нефтеперерабатывающий завод.
Частями технологического оборудования, для которых специалистами в данной области техники может быть представлена схема, подобная описанной выше, но не ограниченная этим, являются: агрегаты из последовательных теплообменников предварительного подогрева ректификационной установки в блоке атмосферной перегонки и установке гидроочистки; теплообменники и парогенераторы шламового контура установки крекинга с флюидизированным катализатором (fluid catalytic cracking unit, FCCU); оборудование теплообменника в установках замедленного коксования, печи и рибойлеры всюду на нефтеперерабатывающем заводе.
В то время как описание было проиллюстрировано на примере типичных вариантов осуществления, оно не ограничивается показанными деталями, так как различные изменения и замены могут быть выполнены без выхода каким-либо образом за пределы существа настоящего описания. В связи с этим дальнейшие изменения и эквиваленты представленного описания могут быть очевидны специалистам в данной области техники, использующим не более чем обычное экспериментирование, и все такие изменения и эквиваленты находятся в пределах объема и сущности описания, которые определены нижеследующей формулой изобретения.
1. Способ уменьшения и оптимизации скорости загрязнения в технологической установке, включающий следующие шаги:
оценку концентрации и распределения загрязняющих материалов, содержащихся в текучей среде технологической установки;
определение потенциала загрязнения на основе упомянутых концентрации и распределения;
определение воздействия химиката, предохраняющего от загрязнения, на потенциал загрязнения в установке, при этом упомянутое определение включает использование прогнозирующего моделирования для определения статистических параметров, отражающих воздействие химиката, предохраняющего от загрязнения, на скорость загрязнения и количество химиката, необходимого для обеспечения адекватной продолжительности интервала работы согласно графикам планируемого технического обслуживания;
определение приемлемого базового потенциала загрязнения;
сравнение упомянутого базового потенциала загрязнения с потенциалом загрязнения, определенным на основании упомянутых оцененных концентрации и распределения загрязняющих материалов, измеренных во время последующей работы установки; и
регулирование ввода упомянутого химиката, предохраняющего от загрязнения, в технологическую установку во время работы установки на основании упомянутого сравнения и в соответствии с упомянутыми определенными статистическими параметрами для достижения одной или более целей установки, при этом шаг регулирования включает выбор и управление типом или количеством упомянутого вводимого в установку химиката, предохраняющего от загрязнения.
2. Способ по п. 1, в котором упомянутые цели установки включают улучшенный выход, улучшенное качество и уменьшение технического обслуживания, связанного с загрязнением.
3. Способ по п. 1, дополнительно включающий использование множества измерений в пределах установки или потоков ее исходного сырья для определения воздействия вводимого химиката на концентрацию загрязняющего материала.
4. Способ по п. 3, дополнительно включающий использование множества мест ввода химиката внутри и/или вне границ установки.
5. Способ по п. 1, в котором упомянутый шаг оценки выполняют с использованием устройства, содержащего:
систему оптических линз, включающую столик, выполненный с возможностью приема образца текучей среды;
источники света для фокусирования луча света на упомянутом образце;
средства направления упомянутого луча света по множеству отрезков пути в заранее заданной области упомянутого образца;
средства детектирования света, проходящего сквозь упомянутый образец по каждому отрезку пути;
средства для количественного определения интенсивности упомянутого проходящего света; и
средства для установления соотношения количественно определенной интенсивности проходящего света с концентрацией упомянутых частиц загрязняющего материала в упомянутых образцах.
6. Система для уменьшения и оптимизации скорости загрязнения в технологической установке, содержащая:
систему оптических линз, включающую столик, выполненный с возможностью приема образца текучей среды;
источники света для фокусирования луча света на упомянутом образце;
средства направления упомянутого луча света по множеству отрезков пути в заранее заданной области упомянутого образца;
средства детектирования света, проходящего сквозь упомянутый образец по каждому отрезку пути;
средства для количественного определения интенсивности упомянутого проходящего света; и
средства для установления соотношения количественно определенной интенсивности проходящего света с оцененными концентрацией и распределением упомянутых частиц загрязняющего материала в упомянутых образцах;
средства для определения потенциала загрязнения на основании упомянутых концентрации и распределения;
средства для определения воздействия химиката, предохраняющего от загрязнения, на потенциал загрязнения в установке, при этом упомянутое определение включает использование прогнозирующего моделирования для определения статистических параметров, отражающих воздействие химиката, предохраняющего от загрязнения, на скорость загрязнения и количество химиката, необходимого для обеспечения адекватной продолжительности интервала работы согласно графикам планируемого технического обслуживания;
средства для определения приемлемого базового потенциала загрязнения;
средства для сравнения упомянутого базового потенциала загрязнения с потенциалом загрязнения, определенным на основании упомянутых оцененных концентрации и распределения загрязняющего материала, измеряемых во время последующей работы установки; и
средства для регулирования ввода упомянутого химиката, предотвращающего загрязнение, в технологическую установку во время работы установки на основании упомянутого сравнения и в соответствии с упомянутыми определенными статистическими параметрами для достижения одной или более целей установки, при этом упомянутое регулирование включает выбор и управление типом или количеством упомянутого вводимого в установку химиката, предохраняющего от загрязнения.
