Москва, 5 апр - ИА Neftegaz.RU.Промышленные методы контроля работы установок дегидрирования с псевдоожиженным слоем катализатора, как правило, довольно просты, однако не всегда оказываются достаточны для понимания развития нежелательных процессов в установках, приводящих к закоксованию или снижению производства продукта.
Помимо экспериментальных методов исследования и контроля псевдоожиженного слоя катализатора в стендовых и промышленных установках большой потенциал имеет использование так называемого CFD-моделирования, которое при увеличении доступности достаточных вычислительных мощностей приобретет широкое распространение. К недостатку этих методов можно отнести существенное увеличение времени расчетов при большом количестве частиц катализатора, отсутствие возможности учета химической реакции и коксообразования. В программных пакетах на настоящий момент времени при недостаточной вычислительной мощности существенно увеличивается время расчетов.
Все методы исследования псевдоожиженного слоя делятся на инвазивные
(с использованием зондов) и неинвазивные. Неинвазивные методы представлены главным образом томографическими методами, лазерной и фазовой доплеровский анемометрией и радиографическими методами, рассеяние микроволновых или акустических (ультразвуковых) волн. Инвазивные методы включают введение оптоволоконного зонда, датчиков давления/температуры, в том числе и частотно-временной и корреляционный анализ флуктуаций давления, зонда, измеряющего изменение электрической емкости, индуктивности, импеданса, и, наконец, введение изотопно-меченных частиц с их дальнейшим отслеживанием.
Стоит остановиться на некоторых из этих перспективных методов, дающих информацию о гидродинамическом режиме псевдоожиженной среды в режиме реального времени, кратко перечислив их преимущества и недостатки.
Использование микроволнового и акустического методов привлекательно низкой стоимостью и отсутствием влияния на режим кипения [1-4]. Однако существуют сложности с калибровкой измерений, получаемые данные несут информацию только о состоянии поверхности псевдоожиженного слоя.
При измерении электрической емкости [5-7], сопротивления/импеданса [8-10], индуктивности [11] преимущества заключаются в возможности применения в широком интервале температур (до ~1000 °С). К недостаткам можно отнести то, что большие помехи может создавать материал самого зонда, а ограниченность его размеров приводит к краевым эффектам, также вносящим искажение в получаемый сигнал.
Использование лазеров, главным образом в виде лазерной доплеровской анемометрии, с целью мониторинга кипящего слоя было опробовано в лабораторных исследованиях еще в 70-х гг. прошлого столетия [12-16]. Данный метод неинвазивен и может быть применим в стендовых установках, однако накладывает ограничение по концентрации псевдоожиженных частиц и по глубине проникновения луча лазера в кипящий слой.
В последние годы появилось множество работ по применению томографии в промышленных целях. Помимо позитронной эмиссионной [17] и гамма-трансмиссионной [18], рентгеновской томографии [19, 20] существует метод относительно несложной и недорогой электротомографии [21-24], основанной на измерении импеданса или электрической емкости. Получаемое ими изображение показывает двумерное (по сечению) распределение диэлектрической проницаемости, из которого восстанавливается изображение газовых пузырей и неоднородностей в кипящем слое. Как правило, такие томографы просты и состоят из набора расположенных по окружности электродов, между которыми измеряется параметр, устройства сбора данных и обрабатывающего компьютера. Электротомография относительно проста, однако ее недостаток заключается в возможности детектирования неоднородностей в кипящем слое в получаемой картине в случаях, когда два газовых пузыря образуются слишком близко друг к другу.
Хотя сама идея использования томографических, акустических и микроволновых методов не нова, и в лабораторных исследованиях гидродинамики псевдоожиженного слоя они нашли применение еще в 60-80-х гг. прошлого столетия, внедрение неинвазивных методов контроля в стендовых и полупромышленных установках представляет собой значительный интерес, обусловленный прежде всего наличием более сложных процессов, не учитываемых лабораторными исследованиями псевдоожижения.
Инвазивные методы имеют преимущество перед большинством неинвазивных в том, что позволяют проникнуть во всю толщу потока кипящего слоя катализатора, но при этом оказывают влияние на конвективные потоки, при этом всегда существуют возможность образования кокса на самом зонде, что может вывести его из строя. Промышленная томография лишена большинства недостатков и поэтому рассматривается как наиболее перспективный метод контроля псевдоожиженного слоя insitu, свидетельством чему является большое число публикаций, появляющихся в настоящее время в зарубежных научных журналах.
В настоящее время большинство вышеперечисленных методов используется только в лабораторных и стендовых установках, поскольку далеко не каждый их них применим в масштабе промышленной установки дегидрирования кипящего слоя, не требуя при этом дорогостоящих переделок. Также не один метод не является универсальным, поэтому необходимо сочетание по крайней мере двух взаимодополняющих методов исследования и мониторинга. Тем не менее, внедрение широкого диапазона современных наукоемких методов на модельных стендовых установках при относительно небольших материальных затратах будет способствовать гораздо лучшему пониманию процессов, происходящих в промышленной установке и поможет избежать «скатывания» в нежелательные и малопродуктивные режимы работы.
На сегодня самым применимым в условиях протекания промышленного процесса является метод, описанный в патенте № RU 2625880 «Реактор и способ диагностики неисправностей и оптимизации конструкции реактора дегидрирования парафиновых углеводородов С3-С5» (патентообладатель – АО «СКТБ «Катализатор»)
Суть изобретения сводится к получению и обработке информации с датчиков давления и температуры, установленных на аппаратах с кипящим слоем. На основе значений перепадов давления и температур по высоте и площади аппарата и правильной интерпретации этих сигналов появляется важная информация о гидродинамической обстановке внутри реактора или регенератора. Оригинальное программное обеспечение, обрабатывая эти сигналы, строит картину распределения катализатора по высоте аппарата с указанием количества и плотности катализатора в конкретной секции. Это позволяет проводить корректирующие меры или мероприятия для создания режимов протекания процесса, приближенных к режимам идеального вытеснения как по катализатору, так и по сырью.
Использование разработанной в АО «СКТБ «Катализатор» технологии контроля состояния и параметров кипящего слоя на промышленных аппаратах дегидрирования позволит эффективно управлять процессом, повысить производственные и экономические показатели установок, а также снизить нормы расхода катализатора.
Список использованной литературы:
1. El-Sayed, D.; El-Ayouty, I.;Stepanek, J. B. Int. J. MuMphase Flow,1983, 9 , 49-72.
2. Yosef, B.; Ginio, 0.; Mahiab, D.; Weitz, A. J. Appl. Phys. 1975, 46(2), 738-740.
3. Raptis, A. C.; Karpius, H. B.; Managan, W. W. Fossil Energy-Ind. Eng.Chem. Fundam. BriefsMarch 1980, 1(1).
4. Barnea, D.; Shoham, 0.; Taitel, Y. Chem. Eng. Sci. 1982, 37, 741-746.
5. Morse, R. D.; Ballou, C. 0. Chem. Eng. Prog. 1951, 47,99.
6. Yoshida. K.; Ueno, T.; Kunii, D. Chem. Eng. Sci. 1974, 29, 77.
7. Matsen, J. M. AIChESymp. Ser. 1973, 69(31), 128,
8. Werther, J.; Moierous. O.Int. J. Multiphase Now 1973, 103.
9. Rigby, G. R.; van Blockiand, G. P.; Park, W. H.; Capes, C. E. Chem. Eng. Sci. 1970, 25,1729.
10. Linneweber K. W.; Blass, E. Ger. Chem.Eng. (Engl. Transl.) 1983, 6,28-33.
11. Cranfieid, R. R. Chem. Eng. Sci1972, 27,239.
12. J. Werther, B. Hage, in: J.F. Large _Ed.., FluidizationVIII, 8th Int. Engineering Foundation Conf. on Fluidization,preprints, Tours, France, 1995, 689–696.
13. F. Johnsson, W. Zhang, H. Johnsson, B. Leckner, in: M. Kwauk, J.Li _Eds.., 5th Int. Conf. Circulating Fluidized Beds, Beijing, China, 1996, MI 7, 1-6.
14. Farmer, W. M. Appl. Opt. 1972, 11,2603.
15. Farmer, W. M. Appl. Opt.1974, 73,610.
16. Hong, N. S.; Jones, A. R. J. Phys. D. 1976, 9,1839.
17. Fede, P., et al. ASME 2009 Fluids Engineering Division Summer Meeting. American Society of Mechanical Engineers, 2009, 1833-1842.
18. MacCuaig, N., Seville, J. P. K., Gilboy, W. B., & Clift, R. Applied optics, 1985, 24, 23, 4083-4085.
19. Mudde, R. F. Powder Technology,2010, 199, 1, 55-59.
20. Bieberle, M., Barthel, F., & Hampel, U. Chemical engineering journal,2012, 189, 356-363.
21. Fasching, G. E., & Smith Jr, N. S. (). Review of scientific instruments, 1991, 62(9), 2243-2251.
22. Du, B., Warsito, W., & Fan, L. S. Industrial & engineering chemistry research, 2005, 44(14), 5020-5030.
23. Makkawi, Y. T., & Wright, P. C. Chemical Engineering Science, 2002, 57(13), 2411-2437.
24. Liu, S., Wang, H., Jiang, F., & Yang, W. Q. AIChE Journal, 2002, 48(8), 1631-1638.
Автор: Крейкер А.А., Галлямов М.Р.
