Modelovanje i energetska optimizacija progresa katalitičkog reforminga benzina
Modeling and Energy Optimization of the Catalytic Naphtha Reforming Process
Author
Stijepović, Mirko Z.
Mentor
Kijevčanin, Mirjana
Committee members
Šerbanović, SlobodanOrlović, Aleksandar

Grozdanić, Dušan
Klem, Nikola
Metadata
Show full item recordAbstract
Proces katalitičkog reforminga benzina je jedan od glavnih procesa u industrijskoj
preradi nafte, koristi se za proizvodnju visoko-oktanskih motornih benzina, kao i za
proizvodnju sirovina za procese u petrohemijskoj industriji.
U doktorskoj disertaciji razmatrani su tehnologija, matematičko modelovanje procesa,
strategija energetske optimizacije i pravci budućeg razvoja procesa katalitičkog reforminga
benzina.
Za modelovanje procesa katalitičkog reforminga benzina uspostavljen je
termodinamički model i razvijen je semi-empirijski pseudo-kinetički model. U cilju primene
odgovarajućeg termodinamičkog modela ravnoteže para-tečnost testirano je nekoliko modela:
Redlich-Kwong, Soave-Redlich-Kwong, Benedict-Webb-Rubin-Starling i Chao-Seader. Na
bazi dobijenih rezultata utvrđeno je da je Soave-Redlich-Kwong-ov model najadekvatniji za
modelovanje procesa katalitičkog reforminga benzina. U razvijenom kinetičkom modelu
strategija grupisanja komponenti bazirana je na „PIONA” analizi. Grupisanje ...energija
aktivacija je uvedeno, kako bi se različite vrednosti energija aktivacije u okviru specifične
reakcione klase uzeli u razmatranje. Parametri modela određeni su usaglašavanjem vrednosti
dobijenih pomoću uspostavljenog modela sa podacima dobijenim iz industrijskog
eksperimenta. Postignuto je veoma dobro slaganje vrednosti parametara procesa dobijenih
upotrebom modela i parametara procesa sa postrojenja. Prednost pomenutog modela da
veoma dobro predviđa koncentracije vodonika i lakih gasova u odnosu na postojeće modele,
predstavlja značajan rezultat.
S obzirom na to da je model formulisan na osnovnim principima procesa katalitičkog
reforminga benzina, razvijeni kinetički model, uz određene modifikacije, može se primeniti
na bilo koji katalitički reformer.
U radu je predložen i novi pristup za simulaciju i optimizaciju kontinualnoregenerativnog
katalitičkog reformera. Tipični kontinualno-regenerativni proces sastoji se od
tri ili četiri reaktora sa reciklom. Reakciona šema i reaktori su matematički opisani preko
sistema parcijalnih diferencijalnih jednačina. S obzirom na to da je analiza modela izvedenog
za ovaj proces od nekoliko reaktora vremenski veoma zahtevna, razvijena je efikasna
simulaciona šema bazirana na kvazi-stacionarnim pretpostavkama. Takođe, u cilju
smanjivanja mogućnosti greške uzrokovane kvazi-stacionarnim pretpostavkama, predloženi
su novi kriterijumi za fragmentaciju reaktora. Za određivanje parametara procesa uvedena je
optimizaciona funkcija, koja je uključila minimizaciju potrošnje energenata. Upotrebljena
funkcija cilja predstavlja kombinaciju ekonomskih zahteva i zahteva zaštite životne sredine.
Pokazano je da predložena optimizaciona strategija značajnije unapređuje modelovanje
procesa.
U doktorskoj tezi je razmatrana i mogućnost primene Rankine-ovog ciklusa za
poizvodnju električne energije iz izvora niskog toplotnog kvaliteta.
Catalytic naphtha reforming is one of the primary processes of naphtha refining. This
process is used for the production of the primary component of high-octane motor fuels and
also for the production of feedstock for petrochemical industry.
This thesis study the technology, process mathematical modeling, strategy for energy
optimization, and the direction for future developments of catalytic reformer process.
A thermodynamic model has been set up and a semi-empirical pseudo-kinetic model
for catalytic reforming has been developed with intention to provide correct process
modeling. In order to set up a proper thermodynamic model several models have been tested:
Redlich-Kwong, Soave-Redlich-Kwong, Benedict-Webb-Rubin-Starling i Chao-Seader.
Based on obtained results, it has been found that the Soave-Redlich-Kwong is the most
appropriate model for modeling catalytic naphtha reforming process. In the developed kinetic
model, the component “lumping” strategy is based on “PIONA” analysis. “...Activation energy
lumps” were introduced to take into consideration different values of activation energies
within the specific reaction classes. The parameters of the model have been estimated by
bench marking with industrial data. Simulation results have been found to be in very good
agreement with plant data. Also, one of the significant advantages of the present kinetic
model is that it predicts the concentration of hydrogen and light gases very well, comparing to
the existing models.
Since it was formulated from basic principles, this kinetic model with some
modification can be applied to any catalytic reformer.
In addition, in the thesis the new approach for simulation and optimization of a
continuous catalytic regenerative reformer process was proposed. Typical continuous catalytic
regenerative reformer process consists of three to four reactors with recycle. The reaction
patterns and reactors are typically modeled using system of partial differential equations.
Furthermore, due to the fact that the numerical solution of the entire model developed for this
process, consisting of several reactors, is extremely time consuming, the new more efficient
method was developed based on quasi-steady state assumptions. Moreover, with the aim of
avoiding introduction of large errors in calculations caused by quasi-steady state assumptions
the new criteria for reactors fragmentation were proposed.
In order to determine optimal values of process parameters new optimization
objective function was formulated, minimizing the fuel consumption. The employed objective
function constitutes a combined measure for economic and environmental performance. It
was shown that proposed method identifies considerable improvements for the process.
In the thesis an application of Rankine cycle has been considered for power
production using low grade heat.