Real-time optimization and control of refinery cracking processes: Theory and industrial applications

Abstract

Kırılma, yüksek kaynama noktası ve moleküler ağırlığa sahip hidrokarbonların parçalanarak daha küçük moleküllere dünüştüğü önemli bir katalitik prosestir. Endüstriyel kırılma üniteleri büyük hammaddeleri işler ve proseslerdeki küçük iyileştirmeler ciddi karlılıkla sonuçlanır. Diğer taraftan, ünite güvenliği ve ürün kalitesi önemli bir kısıttır. Bu sebeplerden dolayı, endüstriyel kırılma ünitelerinin gerçek zamanlı optimizasyonu kritik bir araştırma konusudur.Çok sayıda kimyasal tür içermesi sebebiyle endüstriyel kırılma üniteleri çok karışıktır. Bu karışık reaksiyon ortamının modellenmesinde 3 ana yöntem vardır: Ardışık odaklı kümeleme, sürekli kümeleme ve kesikli kümeleme. İlk yaklaşım endüstriyel uygulamaları için çok esnek değildir. Bu çalışmada kırılma reaksiyonlarının modellenmesi için diğer 2 yöntem kullanılmıştır.Sürekli kümeleme yöntemi karmaşık reaktif karışımları sürekli olarak varsayar. Bu tezde, bu yöntem temel ürünleri orta distilatlar olan endüstriyel hidrokraker ünitesinin modellenmesi için kullanılmıştır. Hidrokraker ünitesi, reaksiyon ünitesini ve akımın son ürünlere ayrıldığı ayrıştırma ünitesini içermektedir. Reaktörde geliştirilen kütle ve enerji denklemleri integro-türevsel yapıdadır. Ayrıştırma kısmında, mekanistik bir ayrıştırma modeli geliştirmek yerine geçmiş ünite datalarından elde edilen dinamik empirik model kullanılmıştır. Modeli kullanarak, kontrol yapısı bozucu etkiler ya da değişen fiyatlar sebebiyle yer değiştiren operasyon koşulları arasında geçişi sağlamıştır. Bu kontrol yapısındaki üst katman karlılık odaklı çıktıları hedef fonksiyonunda içerir ve alt seviye bağımsız kontrol yapılarını koordine eder.Kesikli kümeleme yöntemi, reaksiyon karışımını saf ve kesikli bileşenlere ayırır. Bu tezde, bu yöntem temel ürünleri hafif distilatlar olan endüstriyel akışkan yataklı kırıcının (FCC) modellenmesinde kullanılmıştır. Hidrokrakerdeki gibi, FCC ünitesi reaksiyon ve ayırma kısımlarını içermektedir. Reaksiyon ünitesinde, reaksiyon karışımını çok sayıda bileşene bölünmüştür ve her bir bileşenin özellikleri geliştirilen yarı-empirik modeller ile belirlenmiştir. Ünite girdilerinin karlılık ve önemli çıktıları üzerindeki etkilerini incelemek için ünite çalışma penceresi hesaplanmıştır. Hem yatışkın hal hem de dinamik rejimdeki ünite karlılığını hesaplara katmak için ekonomik model öngörülü kontrol (EMPC) tasarlanmıştır. Ünite, son zamanlar için konulan kısıtlar ve alt seviyedeki standart model öngörülü kontrol ile stabil hale getirilmiştir.Buradaki tartışmalar, yeni modelleme ve kontrol yaklaşımları geliştirerek karışık rafineri problemlerine pratik çözümler sunmaktadır. Bunların uygulanması durumundaki olası getirileri birçok vaka çalışması ile gösterilmiştir.

Cracking is an important catalytic process which is used to convert high boiling, high molecular weight hydrocarbon fractions to smaller molecules. Industrial cracking units process large throughputs and small improvements in the process operations result in significant profits. At the same time safety and product quality is an important concern. For these reasons real-time optimization and control of industrial cracking plants is an important research area.Chemistry of industrial cracking plants is very complex since cracking involves a high number of chemical species. There are 3 major approaches to modeling of such complex reaction medium: Sequential Oriented Lumping, Continuous Lumping and Discrete Lumping. The first approach is not very flexible for industrial applications. The other two approaches have been used to model cracking reactions in this study.The method of continuous lumping treats the complex reactive mixture as a continuum. In this thesis it is used to model an industrial hydrocracker plant whose primary products are mainly middle distillates. The hydrocracker plant involves the reactor and the fractionation unit which separates the effluent into final products. The material and energy balances in the reactor are developed in the form of integro-differential equations. Instead of developing a rigorous fractionation model, we have derived an empirical dynamic model from historical plant data. Once the model is available, a plant-wide control structure is designed to provide transition between changing operating conditions due to disturbance or shifts in prices. The proposed hierarchical control structure includes an upper control layer which includes the profit related outputs in the objective function directly and coordinates low level decentralized control blocks for plant wide profitability.The method of discrete lumping divides the complex reactive mixture into pure and discrete pseudo-components. In this thesis it is used to model an industrial Fluid Catalytic Cracker (FCC) plant whose primary products are primarily light distillates. Similar to the hydrocracker, FCC plant involves reaction and fractionation units. For the reaction unit, the reaction medium is divided into a high number of pseudo-components and semi-empirical correlations are developed to estimate the properties of each fraction. The plant operating window is calculated to observe the influence of plant inputs on profit and crucial outputs. An economic model predictive controller (EMPC) is designed to account for the plant profit under both steady state and the dynamic operating conditions. The plant is stabilized by terminal region constraints on EMPC and a lower level traditional model predictive control block.This work proposes practical solutions to complex refinery problems by developing novel modeling and control approaches. The potential benefit from the implementation of current methods is demonstrated with several case studies.