Z CHEMICKÝCH PROCESŮ. Ing. Tomáš Herink, Ph.D. Doc. Ing. Zdeněk Bělohlav, CSc. (Chemopetrol, a.s. Litvínov) (VŠCHT Praha)

Transkript

1 ZÍSKÁVÁNÍ A ZPRACOVÁNÍ DAT Z CHEMICKÝCH PROCESŮ Ing. Tomáš Herink, Ph.D. (Chemopetrol, a.s. Litvínov) Doc. Ing. Zdeněk Bělohlav, CSc. (VŠCHT Praha)

2 OBSAH Úvod Data v chemickém průmyslu Získávání (informace) Zpracovávání Využití dat Případové studie Bilance ethylenu v Chemopetrolu Měření výtěžků produktů pyrolýzy Návrh technologie výroby DCPD Souhrn

3 Data v chemickém m procesu Informace Datum, čas Provozní parametry (T, p, F, m... ) Parametry zařízení (počet TP, doba zdržení ) Stav zařízení (doba cyklu, stáří katalyzátoru ) Kvalitativní parametry (složení, vlastnosti ) Cenové ukazatele (kurzy měn, kótované ceny ropy, benzinů ) Měrné parametry (vztažené jednotky měrná spotřeba )

4 Data v chemickém m procesu Datum, čas Světový čas Systémové časy řídících systémů (ŘS) Informace Datum, čas Provozní parametry Parametry zařízení Stav zařízení Kvalitativní parametry Cenové ukazatele Měrné parametry Operátorův čas

5 Data v chemickém m procesu Provozní parametry Manuální měření, manuální zápis Instalované měření, manuální zápis Informace Datum, čas Provozní parametry Parametry zařízení Stav zařízení Kvalitativní parametry Cenové ukazatele Měrné parametry Instalované měření s dálkovým přenosem, manuální zápis Instalované měření s dálkovým přenosem, automatický zápis, bez archivace Instalované měření s dálkovým přenosem, automatický zápis s archivací

6 Data v chemickém m procesu Parametry zařízení Data Sheet Provozní manuály Informace Datum, čas Provozní parametry Parametry zařízení Stav zařízení Kvalitativní parametry Cenové ukazatele Měrné parametry Výkresy Technologická schémata Technologické reglementy

7

8 Data v chemickém m procesu Stav zařízení Reaktory doba provozu Katalyzátory, sušiče deaktivace Informace Datum, čas Provozní parametry Parametry zařízení Stav zařízení Kvalitativní parametry Cenové ukazatele Měrné parametry Kolony výplně, patra, Výměníky (vařáky kolon) plocha Rizikovázařízení (potrubí, tanky.. ) Fyzická kontrola, scanování, rentgenování

9 Data v chemickém m procesu Kvalitativní parametry On line analyzátory Intervalové analýzy Informace Datum, čas Provozní parametry Parametry zařízení Stav zařízení Kvalitativní parametry Cenové ukazatele Měrné parametry Kontrola jakosti vstupy, výstupy Monitoring uzlů Výzkumné analýzy

10 Data v chemickém m procesu Cenové ukazatele Měny Česká národní banka Ropa kotaceburzy (Reuters, ICIS) Informace Datum, čas Provozní parametry Parametry zařízení Stav zařízení Kvalitativní parametry Cenové ukazatele Měrné parametry Benziny kotace burzy (Reuters) Topné oleje kotaceburzy (Reuters) Kovy kotaceburzy Plasty kotaceburzy (ICIS)

11 Data v chemickém m procesu Měrné parametry Vztažené ukazatele (tzv. THN) Měrné spotřeby surovin (t/t, GJ/t, Nm 3 /t, GJ/GJ) Informace Datum, čas Provozní parametry Parametry zařízení Stav zařízení Kvalitativní parametry Cenové ukazatele Měrné parametry Měrné spotřeby elektrické energie (kwh/t, kwh/m 3 ) Měrné spotřeby ostatních energií (GJ/t, GJ/MWh ) Kapacita využití zařízení (hod/rok) Kapacita výkonnost zařízení (kt/rok, t/h )

12 Data v chemickém m procesu Zpracování 1. Archivace (tištěná i elektronická data) 2. Filtrace (chybné, nelogické hodnoty) 3. Třídění (produkty, tech. celky, bil. uzle) 4. Statistiky (dle požadavku uživatele) 5. Vizualizace (měsíční, roční zprávy, reporty apod.)

13 Využit ití dat Primární využití Řízení procesu (fyz. veličiny) Kontrola kvality (analytické metody GC, IČ, NIR ) Sekundární využití Bilancování Modelování Mechanistické Empirické Plánování CONTROLLING

14 Matematický model Konference APROCHEM 2006, duben, Hotel Devět skal, Milovy - Sněžné n. Moravou

15 Matematický model Konference APROCHEM 2006, duben, Hotel Devět skal, Milovy - Sněžné n. Moravou

16 Matematický model Konference APROCHEM 2006, duben, Hotel Devět skal, Milovy - Sněžné n. Moravou

17 Matematický model Konference APROCHEM 2006, duben, Hotel Devět skal, Milovy - Sněžné n. Moravou

18 Matematický model Konference APROCHEM 2006, duben, Hotel Devět skal, Milovy - Sněžné n. Moravou

19 Konference APROCHEM 2006, duben, Hotel Devět skal, Milovy - Sněžné n. Moravou Význam modelu pyrolýzy Nástroj pro systematické hodnocení/porovn porovnávání kvality surovin Testování pyrolýzy netypických surovin (benziny, C4 frakce) Analýza vlivu provozních parametrů Analýza vlivu chemicko in inženýrských aspektů detailní geometrie pyrolýzních reaktorů SRT I, SRT III, GK 6 uspořádání pecí (konvekční i radiační sekce) popis typů kotlů na odpadní teplo Zdroj dat pro controlling (bilance, plánov nování)

20 Případová studie I. Bilance ethylenu v Chemopetrolu Definice problému : Rozdíly mezi skutečnou výrobou a distribucí koncovým spotřebitelům Rozdíly vněkterých případech až 90 tun ethylenu za den Průměrně okolo tun ethylenu za den. Cíl : Zmapovat stav měření a bilancování ethylenu vrámci celého Chemopetrolu až ke koncovým odběratelům Zjistit příčiny Předpoklad : Ztráty pouze fiktivní nemají reálné opodstatnění

21 8 7 AC Spolana EJ Zk. st. NTS 9 PSE Böhlen PH Nový EB PP PE 1 1FFC FQR-1031 popř. 13 FRAH-4001 FR FQR autováha 14 FRAH FC FRAH FRAH FQR FRAH FQI FQR FRAH FSY FQR FRAH FRAH FI-2013B

22 Případová studie I. Bilance ethylenu v Chemopetrolu Sběr dat : Spolupráce s dispečery 4 výroben: EJ, NTS, PSE a PH Vždy v čase od 11:46 do 12:16 po dobu 1 měsíce Výrobna EJ výpis z DCS v po 2 minutách Závod NTS odečtené hodnoty ze zapisovačů na řídícím panelu NTS po 2 minutách PSE výpis hodnot z řídícího systému po 3 sekundách PH sepsané hodnoty ze zapisovače po 15 minutách Data setříděna dle času a bilancována

23 8 7 AC Spolana EJ Zk. st. NTS 9 PSE Böhlen PH Nový EB PP PE F2 = F3 = F4 F5 = F1 (F2 or F3 or F4) F5 = F9 F7 + F6

24 F2 = F3 = F4 1FC FQR FRQ Měřený průtok kapalného ethylenu, t.h -1

25 65 F5 = F1 (F2 or F3 or F4) F5 = F9 F7 + F6 Rozdíl (1FFC FC04105) Vypočítaný průtok ethylenu, t.h Rozdíl (1FFC FQR04106) Rozdíl (1FFC FRQ-1023) Bilance (FRAH FRQ FRQ-1028) Měřený průtok ethylenu (FQR-10404), t.h -1

26 8 7 AC Spolana EJ Zk. st. NTS 9 PSE Böhlen PH Nový EB PP PE F9 = F5 F6 + F7 F9 = F11 + F13 + F15 + F17 + F18 + F19

27 F9 = F5 F6 + F F9 = F11 + F13 + F15 + F17 + F18 + F19 Suma výdej ethylenu z PSE (Spolana, Bohlen, PH, EB, PE, PP) Vstup ethylenu do PSE z EJ a NTS Počítaný průtok ethylenu, t.h Vstup ethylenu do PSE z EJ (NTS nezplyňuje ani nezkapalňuje) Měřený průtok ethylenu do PSE (FRAH-4005), t.h -1

28 Případová studie I. Bilance ethylenu v Chemopetrolu Závěry : 1. Průtokoměr F9 je zcela ve shodě s celkovou sumou výdejů spotřebitelům v rámci přesnosti měřidla ± 400 kg.h Průtokoměr F5 na potrubní trase je zatížen systematickou chybou o přibližně 2,4 t.h Průtokoměry kapalného ethylenu F2, F3 a F4 umístěné na jedné trase na EJ a NTS poskytují zcela nekonsistentní údaje a nelze s nimi v žádném případě operovat v celkové bilanci ethylenu.

29 Případová studie II. Měření výtěžků produktů pyrolýzy Definice problému : Stanovenívýtěžků produktů za jednotlivými pyrolýzními reaktory Cíl : Ověřování výsledků intenzifikace Garanční testy revampovaných pecí Ověřování aktuálního stavu pecí Zdroj dat pro Controlling Zdroj dat pro matematické modelování Předpoklad : Separace a stanovení výtěžků (vodík, methan, ethylen.. benzen, oleje )

30 Methan Vodík Ethylen Ethan Propylen Propan C4 fr. Ethan Propan PYROLÝZNÍ PECE st. LPG C4 (SHB) 4 x GK6 LPB Benzen C5 C9 Benzin HCVD 5 x SRT III TPB Topný Olej Plyn. Olej PyGas DPG C5 fr. PYROTOL C9 fr. APO SRT I C10 fr. Naftalen Proplachový Olej C9 + fr.

31 KONVEKCE TLE odběr pyrolýzních produktů ředící pára komín RADIACE OQ QR atmosféra primární kolona FC surovina

32 Případová studie II. Měření sběr dat Montáž zařízení + ustanovení rovnováhy parametrů 1. 10:00 START 2. 10:05 odběr 1. vzorku plynu (GC analýza) 3. 10:10 odběr vzorku suroviny (GC, MS, IČ analýza) 4. 10:15 odběr 2. vzorku plynu na analýzu (GC analýza) 5. 10:25 odběr 3. vzorku plynu na analýzu (GC analýza) 6. 10:30 KONEC 7. Odběr nakumulovaných kapalných vzorků (GC analýza, vážení) Objem plynu od 10:00 10:30 Měření teploty plynu Zjištění atm. tlaku v 10:15 (dispečink) Sběr dat z DCS z 10:00 10:30 po 2 min (operátor velína)

33 Provozní experiment

34 Případová studie II. Vyhodnocení dat VSTUP analýza vstupní suroviny (složení) PROCES provozní parametry průměry 2 min výpisu (teploty, tlak, průtok, ředící poměr, stav reaktorů koks) VÝSTUP analýza plynů průměr ze třech vzorků (složení + hustota) analýza kapalin (složení + hmotnost) přepočet: složení produktu = f (teplota, tlak) m g = ς T g 0 p atm + p p p m = m + m + m C g 0 l1 l2 Tg H O 2 T T 0 g V g w i,c = m g w i,g + m m C l1 w i,l1

35 Tab. 1 Výtěžky pyrolýzy směsi ethanu a propanu v reaktoru typu SRT I - vliv COT Experiment COT, C 825,7 829,3 839,0 849,3 Surovina, hm. % Ethan 90,2 90,2 90,2 90,2 Ethylen 0,2 0,2 0,2 0,2 Propan 8,9 8,9 8,9 8,9 Produkt, hm. % Vodík 3,3 3,4 3,7 4,3 Methan 6,4 6,8 7,8 8,6 Ethan 38,1 36,4 31,5 27,9 Ethylen 45,0 46,2 49,2 51,4 Propan 1,2 1,1 0,8 0,6 Propylen 2,1 2,1 1,9 1,8 Buta-1,3-dien 1,5 1,7 2,0 2,2 Benzen 0,7 0,8 1,2 1,4 Toluen 0,3 0,2 0,3 0,3 CIT 646,7 C, COP 193,3 kpa, nástřik 14,8 t.hod -1, ředící poměr 0,72 kg.kg -1

36 Případová studie II. Přesnost stanovení složek m g = ς T g 0 p atm + p p p 0 Tg H O 2 T T 0 g V g m = m + m + m C g l1 l2 w i,c = m g w i,g + m m C l1 w i,l1 wi, C = f ( ς g, wi, g, wi, l1, Vg, ml, m 2, T, P, P) 1 l g atm chybaměření teploty, atmosférického tlaku i přetlaku plynu chyby určení hmotnosti pyrolýzního benzinu a oleje chyby stanovení hmotnostních zlomků složek pyrolýzního benzinu w = f ( ς g, wi,, V i, C g g Dle Gaussova kvadratického zákona šíření chyb (Novák R., Nováková D.: Základy měření a zpracování dat. Vydavatelství ČVUT, Praha 1999.) ) r,w i,c 2 = ur, ς g 2 r,v u + u + u 2 r, w i,g výsledná relativní chyba stanovení hmotnostního zlomku i té složky relativní chyba stanovení hustoty pyrolýzního plynu relativní chyba objemového průtokoměru relativní chyba stanovení hodnoty hmotnostního zlomku i té složky v pyrolýzním plynu

37 Složka Rel. chyba (%) Benzin (hm. %) APO (hm. %) Vodík 8,7 0,94 ±0,08 0,57 ±0,05 Methan 2,1 16,0 ±0,3 10,3 ±0,2 Ethan 1,7 4,1 ±0,1 3,9 ±0,1 Ethylen 1,6 27,0 ±0,4 23,2 ±0,3 Propan 2,0 0,48 ±0,01 0,54 ±0,01 Propylen 1,5 14,4 ±0,2 13,1 ±0,2 Isobutan 4,5 0,05 ±0,005 0,03 ±0,005 n-butan 2,2 0,17 ±0,005 0,07 ±0,005 trans-but-2-en 1,7 0,41 ±0,01 0,54 ±0,01 But-1-en 1,9 1,04 ±0,02 1,92 ±0,04 Isobuten 1,5 2,46 ±0,04 1,80 ±0,03 cis-but-2-en 1,8 0,34 ±0,01 0,44 ±0,01 n-pentan 2,8 0,15 ±0,01 - Buta-1,3-dien 1,5 5,4 ±0,1 6,0 ±0,1 Suma C 6 3,4 1,88 ±0,02 1,94 ±0,02 Benzen 5,9 9,1 ±0,5 7,8 ±0,5 Toluen 8,9 4,1 ±0,4 4,8 ±0,4 Xyleny 1,3 0,56 ±0,01 0,95 ±0,01 Ethylbenzen 1,1 0,19 ±0,005 0,39 ±0,005 Styren 1,4 1,04 ±0,01 1,27 ±0,02 Naftalen 1,3 0,78 ±0,01 1,02 ±0,01 Olej 1,3 0,73 ±0,01 5,9 ±0,1

38 Případová studie II. Verifikace výtěžků 16.0 Produkty - obsah vodíku, hm. % Surovina - obsah vodíku, hm. % Pyrolýza benzínů Pyrolýza APO Pyrolýza HCVD Bilance vodíku vsurovině a produktech pyrolýzy benzinů, APO a HCVD

39 Případová studie II. Měření výtěžků produktů pyrolýzy Závěry : 1. Série experimentů doplnily a aktualizovaly databáze ethylenové jednotky a útvarů plánování a optimalizace výroby. 2. Naměřená data jsou používána při optimalizaci provozních parametrů a k ekonomickým rozborům při nákupu surovin pro pyrolýzu. 3. Vyvinutou metodou byly provedeny garanční testy pecí v r Získaná data jsou intenzivně využívána při vývoji a identifikaci mechanistického modelu průmyslové pyrolýzy ve spolupráci VŠCHT Praha. 5. Naměřené sady dat byly využity při vývoji modelu procesu pyrolýzy všech typů surovin s využitím umělých neuronových sítích.

40 Případová studie III. Technologie výroby DCPD Definice problému : Návrh technologie izolace dicyklopentadienu (DCPD) z lehkého pyrolýzního benzinu (LPB) Cíl : Stanovení produkce LPB Stanovení obsahu systému CPD DCPD v LPB Ověření původu kontaminace LPB uhlovodíky C9 Předpoklad : Využití provozních dat z DCS, provozních analýz a výzkumných analýz

41 + T > 160 C CPD CPD DCPD T, C r, mol %/h 0,05 0,5 1 1,5 2,5 3,5 6 15

42 Methan Vodík Ethylen Ethan Propylen Propan C4 fr. Ethan Propan PYROLÝZNÍ PECE st. LPG C4 (SHB) C5 4 x GK6 DCPD LPB Benzen C9 Benzin HCVD 5 x SRT III TPB Topný Olej Plyn. Olej PyGas DPG C5 fr. PYROTOL C9 fr. APO SRT I C10 fr. Naftalen Proplachový Olej C9 + fr.

43 Případová studie III. Technologie výroby DCPD Produkce LPB : Za období leden červenec 2003 Zpracována a hodnocena denní průměrná provozní data C4 kolony (debutanizér) Produkce LPB ze spodku C4 kolony (debutanizéru) Průtoky zpracovávaných surovin Provoz pyrolýzních pecí (nástřik surovin typ a množství)

44 Vliv skladby a množství surovin na produkci LPB Nástřik na pece, t.h Produkce LPB, t.h -1 PO HCVD Benzin LPG Celkem surovin

45 Četnost hodnot produkce LPB 25% 75 % 20% 15% Četnost 10% 5% 0% Četnost produkce LPB leden-červenec 2003, t.h -1

46 Případová studie III. Technologie výroby DCPD Produkce LPB závěry : Hodnocením zpracovaného souboru dat za období leden červenec 2003 Průměrná produkce LPB za dané období byla 21,9 t.h 1. Při maximálním využití kapacity pecí produkce na hranici 25 t.h 1 Reálná situace na ethylenové jednotce při ustáleném režimu na 8 9 pecích, tj. nad 185 t.h 1 nastřikovaných surovin produkce LPB 23,5 t.h 1.

47 Případová studie III. Technologie výroby DCPD Kvalita LPB : 1. Sada provozních analýz LPB odebíraných 2 x denně, období listopad 2001 říjen 2002 (570 analýz) 2. Výzkumné analýzy (detailní) pravidelné denní odběry LPB, období leden červenec 2003 (190 analýz) Celkem sada téměř 800 analyzovaných vzorků LPB, které monitorovaly 17 ti měsíční provoz ethylenové jednotky

48 Obsah uhlovodíků C4 v LPB hm. %

49 Obsah benzenu a toluenu v LPB hm. % Benzen Toluen

50 Obsah CPD, DCPD a sumy CPD+DCPD v LPB hm. % CPD DCPD CPD+DCPD

51 Obsah xylenů, ethylbenzenu a styrenu v LPB hm. % Xyleny Ethylbenzen Styren

52 Statistické hodnocení dostupných analýz LPB GC EJ (listopad říjen 2002) GC TO (leden červenec 2003) Složka Průměr Sm. odch. Min. Max. Průměr Sm. odch. Min. Max. Suma C Suma C Benzen Toluen Ethylbenzen Xyleny Styren CPD DCPD CPD+DCPD Kodimery A neměřeno Kodimer B neměřeno Suma MeDCPD neměřeno Suma dimdcpd neměřeno

53 Vratné benziny C1 C2 C3 C4 R DCPD LPB MeDCPD koncentrát

54 Technologie výroby DCPD Závěry : 1. Byla dokončena technologie výroby DCPD 2. Ekonomické analýzy zpracování 23,5 t.h 1 LPB 3. Zařízení navrženo na 25 t.h 1 LPB s rezervou 10 % 4. Kvalita LPB neovlivní kvalitu DCPD 5. Nečistoty aromatické C9 uhlovodíky nejsou v běžném provozu součástí LPB neovlivní destilaci LPB

55 SHRNUTÍ Závěry : Volba dat vhodné zdroje Interpretace vhodné časové intervaly Vztahy logika, platnost obecný relací Vizualizace Prezentace 1. Data = OPTIMALIZACE 2. Data = PREDIKCE 3. Data = PLÁNOVÁNÍ 4. Data = KNOW HOW