Proses modellendirme, optimizasyon ve kontrolün bir petrol rafineri ünitesine (FCC) uygulanması

Abstract

ÖZET Bu çalışmada proses endüstrisinin bir alt dalı olan rafine-- rinlo benzin ve LPG Üreten FCC ünitesine ait matematiksel model lere Ardışık Siapleks ve En Dik Çıkış teknikleri uygulaa&rak. op~ timize edilmiş Maksimum tikesi ile optimal kontrolü sağlanmıştır. Birimci bölümde çalışmaya giriş yapıldıkdan sonra sistem ve yönetim sistemi kavramıyla birlikte liretim alt-si-stent fcaıram- lanaış ve matematiksel açıklanması yapılmıştır. Bir üretim tipi o- lan prosesin kuramsal ve matematiksel tanımından «Ode*- -kurnaya ge çilmiş matematiksel ve proses modellerinin temel adımları anlatıl mıştır. Son olarak model kurma ve çözU.a aşamasında» pp©se«l*. çalış- ? ma koşulları olarak madde ve ısı dengesiyle reaksiyon koşulları belirtilmiştir. tkincl' jölümde btr proses modelini kurma* v» çözmette kulla**' aılacak statik ve dinamik optimizasyon tekniklerinin tanımları ve türleri -göst^riînrtştir-»' Bunlardan öse-llikle. kimya. mü&endlsliğinde, kullanılan optimizasyon tekniklerinin tasnifi yapılmıştır, Bu tek nikler pro aesiıv kararlı ve kararsız oluşuna göre ele alınmış önce kararlı durum için kullanılan Ardışık Simpleks yöntemi, lıem karar lı hamde kararsız(dinnraik) proseslerin optimize edilmesinde kulla nılan tekntkierdeırEn Dik Çıkış tekniği- ayrıntılı olarak ÜSL-I'de ve rilmiştir, »ine prosesin kararsız durumu için dinamik optimizas yon tekniklerinden tfaryasyonel Hesaba giriş niteliğinde değinil miş sonrada bunun daha gelişmiş bir şekli olan i'ontryagin' in Mak simum İlkesi anlatılmıştır, k* bölümde genişçe anlatılan ve Mak simum İlkesinin bir uygulaması şeklinde optimum sıcaklık profili kavramı B£-I'de gösterilmiştir. UçUncU bölüm proses kontrol konusuna ayrılmıştır.* Kısa ta>-. mmlar: niteliğinde kontrol ve kontrol sistemlerinin sınıflandı rılmaları yapıldıkdan sonra proses kontrol için basit bir örnek verilmiştir. Proses kontrol'ün tek değişkenli ve çok âefiş - -: kenli durumları ele alınmış ve türetilmiş ölçümler ve serbest lik derecesi belirtilmiştir. Prosesin performansını öl-ıaa..`e karar sız durumunda kullanılan araç olarak optimal kontrol kuramından bahsedilmiştir. -VI- gft- «-t-^j^nDördüncü bölüm FCC Ünitesinin kuransal yönü olup kimyasal, proses endüstrisi, açısından konuya giriş yapılmıştır. Proses en düstrisinin bir alt dalı olan petrol rafinerisine geçmeden örce petrolün fiziksel ve kimyasal özellikleri anlatılmış ve önemli ba zı petrol ürünleri tanıtılmıştır. Rafineri prosesi ve rafinerlzas- yon türleri özetlenerek bunlar içinden bu çalışmanın uygulana ala nı olan katalitik kraking ve onun bir çeşidi akışkan katalitik kra- king(FCC) konusuna girişle başlanmıştır. Bir parçalama yöntemi ola rak katalitik kraking* in tarihsel gelişimi anlatıldıkdan sonra a- kışkan yataklı katalitik kraking ünitesinin özellikleri, üstünlük leri, amaçları ve bazı değişkenlerinin verim dağılımları ve dinamik davranışları çok genel olarak anlatılmıştır, FCC konusunda yapılmış modellendirae,optimizasyon ve kont rol çalışmaları başlığı altında önce kinetik model kurma uygulama larının ve.'/eekman' xn kinetik modeli tanıtılmış ve f'CC'nin basit bir madde ve ısı dengesi gösterilmiştir. Geçmişte yapılan optimi- zasyon çalışmaları. özetlendikden sonra Savaş' m matematiksel FCC modeli Ve Kurihara1 nınki. ^Si.türilniçtir.Bu alanda yajılmiıj kontrol çalışmalarının özetlenmesini takiben Kurihara'ın modeline dayana rak FCC'nln optimal kontrolü verilmiştir. Beşinci bölümde incelenen modellerin uygulamasına geçilmiş tir. İlk olarak r'CC'nin değişkenlerinden türetilen ve reaksiyonun şiddetini ölçen ayrışabilirlik faktörü Ardışık Simpleks tekniği i- le optimize edilmiştir. Savaş ve «.urihara ' uı modelleri Ea Dik Çı kış yöntemi ila incelenmesinde Savaş' da önce benzin ve LPG toplamı amaç fonksiyonu olarak alınmış ve belirli kısıtlar altında değiş kenlerin optimum değerleri saptanmıştır. Daha sonra Kurihara'nın modeliyle benzin çıktısı optimize yapılmıştır. Dinamik optimizasyonda Maksimum tikesi ile Weekman' in kine tik modelinden hareket ederek optimum sıcaklık profili bulunmuştur, Son olarak Kurihara'nın modeline dayanarak seçilen performans fonk siyonunda artış sağlayan kontrol değişkenlerinin değerleri saptan mıştır. -vır- - Z2& ^i^^`rEsrWj?2S(* 6 -^=wr*«Sonuç bölümü olan altıncı bölümde çalışmaların bir değerlen dirilmesi yapılarak bazı bulgular ortaya konmuştur. Ek bölümlerinde ayrıntılı optimizasyon teknikleri, kontrol teorileri, proses ve kompUter proses kontrol kavramları anlatılmış tır. FCC değişkenlerinin davranışlarının yanında iki matematiksel modeli ele alınmış, 4. bölümde gösterilen dinamik FCC modelinde Lag- ranj değişkenlerinin çözümleri gösterilmiştir. Son olarak program lar ve bazı çıktıları verilmiştir. -VIII-

StWMAHT-, ı By applying Sequential Simplex and Steepest^Ascent techniques to the mathematical models of Fluid Catalytic CrackingXFuOtJnit of the refinery, which' la a subbranch of the process industry and prouduces gasoline and LPG,an optimization is achieved. Optimal control of FCC is obtained in this dissertation with the use of Pontryagla Maximum. Principle..'' * An introduction to the, work ie followed by definition of pro duction sub-system covering system- and management concepts and by a mathematical explanation.: After the theoretical and mathematical de finitions of the process, which is a type of production, the basic steps in building mathematical and process models are explained. Finally, in the model development and solution stage, material balance, heat balance and reaction conditions are expressed as the conditions for the opera tion of the system. In the second chapter.the definitions and subdivisions of static and dynamic optimization techniqeus which are used to build and solve a process model are shown. The classification of optimization techniques used especially in chemical engineering is made.. These techniques are taken into account for steady-state and unsteady-state processes. Firstly sequential »implex method used for steady-state and then steepest Ascent technique which is one of the techniques used in optimizing both steady 'and unsteadyldynamicjprocesses are given, in detail in Appendix i. Fop the unsteady-state, Calculus of Varıaııpu, wnxch is a technique of dynamxc optimization :4s mentioned as ân introduction '-followed by Pontryagin's Maximum Principle which is an advanced form of this technique. The optimum temperature profile concept which is an example of the Maximum Principle mentioned comprehensively in chapter i», is shown in Appendix I. Third chapter is allocated for the process control concept. Definitions, related to control and control systems arrd their classifica tion were given in short and a simple example- was given for the process control1. -IX-- v.-.-asBssy»` The views-^o-f the control theories were also Given. Single and multlvariable caees of process control have been taken into conside ration and.,jifiEiatati.ve measurement» were expressed. Measurement process -jwrforaatrw -aım;*tjpXîınal control theory as an aid for the unsteady-sta te case of_process Jiave been mentioned.'. `. v.-.,«3Si^-f «wrtfe ?'-chapter is the theoretical aspect of FCC Unit but ~önly `Trbm the point of vie-.v of the chemical process industry. Before.«haJMJllttg-ihe petroleum refinery as a subbranch of the process industry, - the- chemical and physical characteristics of the petroleum mentionea and some important refinery products were given. The refinery process and the kinds of refinerization are summa rized, from these the catalytic cracking and its subprocess or subunit that is the Fluid Catalytic Cracking Unit is given after that the adven- tages, objectives and figural dynamic behavior.. of the variables are defined in general sense., Under the handling of optimization and control studies of FCC area, firstly the knowledge about the kinetic model development and Weekman's kinetic introduction have been given. The FCC material and heat balances are shown. Saves1 and Kurihara' s models have been gi~ yen after giving the summary of optimization studies performed in the past. Lastly, the control studies also were summarized, the optimal control of FCC was given. In the fifth chapter, the application of the models, which are examined above, art given. First application is severity factor, which is tried to be optimized by Sequential Simplex Techniques. Severity factor is C/0 _k-T WHSV~A where G/0 = Carbon/Oil, «HSVsWeight Hourly Space Velocity The correlation between severity factor (X) and yield(y),.»..which is-<easo4ine LPGyweight %,T = 0,05 Xl~0,36 X + 1,235 -X-The optimum operating points of the C/0,`flHSV and yield are 13,46 ton/hrj 2,66 ton. hour/ton., 6936; wt.fract.jrespeCftivolly. `. ». I >. In the taodel of Savae,the gasoline + LPQ, y_j ' '??.'.? ' -?' '? ? -: m=U Üs taken as the objective function' and optimum values of the variables are determined subject to material and heat balance, equations ai»d certain constraints with Steepest Ascent., By using Kurihara's model, the gasoline yield without recycle rate-'Hpf ' ' 8* «here I jjs 0,50-0,95 »F_x~ 1 and C^st. conversion. T. is found between 0,^7-0,58 with varying conversion parameter 0,70-0,80. The gasoline yield with recycle _ R,».0,06, ?tf *gl where S »total feed rate. Here Î. is maximum a% the yalu'e of 0,l&07 wt. From this vaiue,steadyis<;ate equations are solved. The gasoline yielda are found due to varying feed and recycle rates. '-';'., Stoepest Ascent have been also applied to the eiO'.lel ^vrUlch. is mentioned abovo.; -XI-After that, In the dynamic optimization the best choice of the reaction temperature due to Weekman's kinetic model of the FCC is found through the use of Pontryagin's Maximum Principle: The rate` equations it any point in thert$lugflow, tubular reactor are I ' 2w^i'LV2=fc' whertiy` and y are feed and gasoline concentrations, x normalized distance KqjIU and K_ rate constants of feed, gasoline forming nnd gasoline recracking The optimum terapsr-s>t=are profile along the reactor is that which maximizes the Hamiltonian.or satisfies £=o«f(y+A1fA*A..fx) Here it-Is shown a standart Runge-Kutta subroutine a way of solving the' above systems of equations. A3, of these profiles are stored uo that an optimizing method(the gradient method) can be used at each value of t (t is time, x loo.s) to adjust the temperature T in such way as. tolincre- aee the Hamiltonian. 2.. The following. numerical values were used to obtain the optimum temperature and concentration profiles koo=Zt8 s_1 E0= 10.000 kcals/mole k01=38 s`1 EjS. 10.000 kcals/mole k02`255 s~ E2= 18.000 kcals/mole,0 T=500WC «=100.000 (an arbitrary scale factor) The desired product in the outlet from the reactor: y^sO^seCweight), y^0,/f655(weight) Finally, depending upon Kurihara' s mathematical models describing the dynamic behavior of the process in varying degrees of detail were develop ed from unsteady-state heat and material balances about the reactor and regenerator. The models utilized seaiempirical equations to describe the?murr. ra.'üf.-imMm- -.,--,,. j. `.`,.. Btiaetics of `tba «flraâktug and ©arboa burning reactions. %ea fluidized Ved could be considered perfectly mixed with respt3c£.*.ts=».sp*n% or regene rated catalyst and that the gass csv&d be assumed to more in gXugflow though the bed with negligible time* delay. The objective function J(u) - E.(gku)dt is based»- en an economic balance for the process and incorporates penalties for exceeding safe' temperature and oxygen levels in the regenerator and...fceaperature la the reactor.,The optimal control problem, with air rate and-«ötalyst circula tion rate as control variables, v/as formulated using thajjaxiaum prin ciple of Pontyagin.and the explicit numerical solutiQna«£ar opea-,loop control polices were obtained by the method of steepest `ascent of the Hamiltonian.? ( H<VrcAi.HrC'Wfp'V)=L+P2VV% Starting from initial conditions of the state variables T__ tfregenerator temperature) and Crd(ca!rbon oh regenerated catal^sfc) the trajectories move to an optimal steady state in an optimal manner (maximizing the objective function). Trg(0)=a.l55°F, Cr=(0) 0,50 For the oOBtatevvarlablas.fp-- ahdppî) and gradients of the Hamiltonian function with respect to the control variables ^ (= Rai -air rate) - aai u,(=B --catalyst circulation rate) are computed. Grass profit, & re which is an integration of the instant sneous gross profit» rate for SİK? <2tZ5. and 0<T<3,T is am hourly time. The final result net profit ^o,,!`»2? TI` Ha£İl't.9 Mlb, Rp= 20,4» m.ton/min and T=1.05 hr.~ In the last chapter the studies are valued and some Ideas are propo sed. In appendices detailed optimization techniques, conferol th-.-orj.es and computer process control concepts are explained. The behaviour of FCC variables and their graphical applications,t»o`,oatha3:atisal models, computer programs and some outputs are glvarr. -xnt-