ZÍSKÁVÁNÍ A ZPRACOVÁNÍ DAT Z CHEMICKÝCH PROCESŮ Ing. Tomáš Herink, Ph.D. (Chemopetrol, a.s. Litvínov) Doc. Ing. Zdeněk Bělohlav, CSc. (VŠCHT Praha)
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
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 )
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
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
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
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
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
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)
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 )
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.)
Využit ití dat Primární využití Řízení procesu (fyz. veličiny) Kontrola kvality (analytické metody GC, IČ, NIR ) Sekundární využití Bilancování Modelování Mechanistické Empirické Plánování CONTROLLING
Matematický model Konference APROCHEM 2006, 24-26. duben, Hotel Devět skal, Milovy - Sněžné n. Moravou
Matematický model Konference APROCHEM 2006, 24-26. duben, Hotel Devět skal, Milovy - Sněžné n. Moravou
Matematický model Konference APROCHEM 2006, 24-26. duben, Hotel Devět skal, Milovy - Sněžné n. Moravou
Matematický model Konference APROCHEM 2006, 24-26. duben, Hotel Devět skal, Milovy - Sněžné n. Moravou
Matematický model Konference APROCHEM 2006, 24-26. duben, Hotel Devět skal, Milovy - Sněžné n. Moravou
Konference APROCHEM 2006, 24-26. 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)
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 40 50 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
8 7 AC 10 11 12 13 14 Spolana EJ 1 2 3 4 5 6 Zk. st. NTS 9 PSE 15 16 17 18 19 Böhlen PH Nový EB PP PE 1 1FFC-04102 7 FQR-1031 popř. 13 FRAH-4001 FR-7022 2 FQR-04106 8 autováha 14 FRAH-4701 3 1FC-04105 9 FRAH-4005 15 FRAH-4006 4 FQR-1023 10 FRAH-4003 16 FQI-0086 5 1FQR-04104 11 FRAH-4601 17 FSY-101.01 6 FQR-1028 12 FRAH-4610 18 FRAH-4007 19 4FI-2013B
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
8 7 AC 10 11 12 13 14 Spolana EJ 1 2 3 4 5 6 Zk. st. NTS 9 PSE 15 16 17 18 19 Böhlen PH Nový EB PP PE F2 = F3 = F4 F5 = F1 (F2 or F3 or F4) F5 = F9 F7 + F6
30 25 20 15 10 5 0 F2 = F3 = F4 1FC-04105 FQR-04106 FRQ-1023 25.11. 26.11. 29.11. 30.11. 24.11. 23.11. 22.11. 19.11. 18.11. 10.11. 11.11. 12.11. 15.11. 16.11. 9.11. 8.11. 5.11. 4.11. 3.11. 2.11. 1.11. 25.10. 22.10. Měřený průtok kapalného ethylenu, t.h -1
65 F5 = F1 (F2 or F3 or F4) F5 = F9 F7 + F6 Rozdíl (1FFC04102-1FC04105) Vypočítaný průtok ethylenu, t.h -1 60 55 50 45 Rozdíl (1FFC04102 - FQR04106) Rozdíl (1FFC04102 - FRQ-1023) Bilance (FRAH-4005 - FRQ-1031 + FRQ-1028) 40 35 35 40 45 50 55 60 65 Měřený průtok ethylenu (FQR-10404), t.h -1
8 7 AC 10 11 12 13 14 Spolana EJ 1 2 3 4 5 6 Zk. st. NTS 9 PSE 15 16 17 18 19 Böhlen PH Nový EB PP PE F9 = F5 F6 + F7 F9 = F11 + F13 + F15 + F17 + F18 + F19
F9 = F5 F6 + F7 80 70 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 -1 60 50 40 Vstup ethylenu do PSE z EJ (NTS nezplyňuje ani nezkapalňuje) 30 20 20 30 40 50 60 70 80 Měřený průtok ethylenu do PSE (FRAH-4005), t.h -1
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 1. 2. Průtokoměr F5 na potrubní trase je zatížen systematickou chybou o přibližně 2,4 t.h 1. 3. 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.
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 )
Methan Vodík Ethylen Ethan Propylen Propan C4 fr. Ethan Propan PYROLÝZNÍ PECE 1.-5. 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.
KONVEKCE TLE odběr pyrolýzních produktů ředící pára komín RADIACE OQ QR atmosféra primární kolona FC surovina
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)
Provozní experiment
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
Tab. 1 Výtěžky pyrolýzy směsi ethanu a propanu v reaktoru typu SRT I - vliv COT Experiment 1. 2. 3. 4. 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
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
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
Případová studie II. Verifikace výtěžků 16.0 Produkty - obsah vodíku, hm. % 15.5 15.0 14.5 14.0 13.5 13.0 12.5 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 Surovina - obsah vodíku, hm. % Pyrolýza benzínů Pyrolýza APO Pyrolýza HCVD Bilance vodíku vsurovině a produktech pyrolýzy benzinů, APO a HCVD
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. 2001. 4. 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.
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
+ T > 160 C CPD CPD DCPD T, C 20 0 10 15 20 25 30 40 r, mol %/h 0,05 0,5 1 1,5 2,5 3,5 6 15
Methan Vodík Ethylen Ethan Propylen Propan C4 fr. Ethan Propan PYROLÝZNÍ PECE 1.-5. 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.
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)
Vliv skladby a množství surovin na produkci LPB 250 200 Nástřik na pece, t.h -1 150 100 50 0 13 16 19 22 25 28 Produkce LPB, t.h -1 PO HCVD Benzin LPG Celkem surovin
Četnost hodnot produkce LPB 25% 75 % 20% 15% Četnost 10% 5% 0% 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Četnost produkce LPB leden-červenec 2003, t.h -1
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.
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
Obsah uhlovodíků C4 v LPB 16 14 12 10 hm. % 8 6 4 2 0 1.11.01 31.1.02 2.5.02 1.8.02 31.10.02 30.1.03 1.5.03 31.7.03
Obsah benzenu a toluenu v LPB 45 40 35 30 hm. % 25 20 15 10 5 0 1.11.01 31.1.02 2.5.02 1.8.02 31.10.02 30.1.03 1.5.03 31.7.03 Benzen Toluen
Obsah CPD, DCPD a sumy CPD+DCPD v LPB 20 16 12 hm. % 8 4 0 1.11.01 31.1.02 2.5.02 1.8.02 31.10.02 30.1.03 1.5.03 31.7.03 CPD DCPD CPD+DCPD
Obsah xylenů, ethylbenzenu a styrenu v LPB 4.0 3.5 3.0 2.5 hm. % 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 1.11.01 31.1.02 2.5.02 1.8.02 31.10.02 30.1.03 1.5.03 31.7.03 Xyleny Ethylbenzen Styren
Statistické hodnocení dostupných analýz LPB GC EJ (listopad 2001- říjen 2002) GC TO (leden červenec 2003) Složka Průměr Sm. odch. Min. Max. Průměr Sm. odch. Min. Max. Suma C4 2.28 1.66 0.40 13.80 1.69 1.17 0.10 7.17 Suma C5 30.78 3.27 16.03 38.55 27.79 2.60 18.52 33.42 Benzen 35.28 1.92 28.60 39.80 36.91 2.16 31.64 42.14 Toluen 5.50 1.53 3.00 20.20 5.76 0.85 3.66 8.09 Ethylbenzen 0.15 0.22 0.10 2.20 0.10 0.03 0.02 0.22 Xyleny 0.26 0.45 0.10 3.20 0.04 0.03 0.00 0.16 Styren 0.27 0.34 0.10 3.60 0.19 0.04 0.12 0.36 CPD 8.75 0.71 5.23 10.74 7.89 0.42 6.37 8.95 DCPD 6.25 0.83 3.05 9.81 7.60 0.80 5.36 10.82 CPD+DCPD 15.00 1.07 9.17 19.48 15.49 0.83 13.45 18.78 Kodimery A neměřeno 0.48 1.33 0.17 11.77 Kodimer B neměřeno 0.03 0.01 0.02 0.06 Suma MeDCPD neměřeno 2.71 0.35 1.68 4.14 Suma dimdcpd neměřeno 0.21 0.04 0.11 0.35
Vratné benziny C1 C2 C3 C4 R DCPD LPB MeDCPD koncentrát
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
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