6.3 Modellazione del processo di topping
6.3.5 Scelta del grezzo e suddivisione in pseudocomponenti
Per la scelta del grezzo `e stato utilizzato il database di AspenPlus12, il quale contiene grezzi di varia natura, dai pi`u leggeri ai pi`u pesanti. Analizzando i dati sono stati selezionati alcuni tra i grezzi pi`u leggeri con un’alta resa10 in
distillati medi (benzina, kerosene).
Tra i grezzi analizzati, quello che presenta un’alta resa in distillati medi `e chiamato Zarzaintine dell’Algeria. I dati di AspenPlus12 si limitano alla TBP e ad altre propriet`a ma non forniscono nessuna informazione sulla com- posizione dei componenti leggeri; visto che questi accompagnano la maggior parte dei grezzi e che quindi si ritrovano nella sezione di condensazione11, `e
stato deciso di aggiungere una certa distribuzione di tali componenti come indicato in Tabella 6.3. I dati della TBP sono riportati in Tabella 6.4 La densit`a media `e di circa 43◦API (809.3Kg/m3) mentre i dati di densit`a sono
riportati in Tabella 6.4.
Il grezzo, come `e stato ricordato pi`u volte, `e una miscela costituita da un numero elevatissimo di componenti a tal punto che `e impossibile conoscerne la composizione precisa; tuttavia, ai fini della simulazione, `e necessario avere una certa distribuzione dei componenti che costituiscono il grezzo. La proce-
10Per resa di un distillato si intende la quantit`a recuperata di una specifica frazione rispetto al grezzo alimentato.
Componente leggero Composizione in % volumetrica Punto normale di ebollizione (◦C) Metano 1 · 10−3 −161.5 Etano 2 · 10−2 −88.60 Propano 0.15 −42.1 i-Butano 1.733 −11.73 n-Butano 3.599 −0.5020 i-Pentano 0.5615 27.88 n-Pentano 0.3 36.06
Tabella 6.3: composizione degli idrocarburi leggeri.
% volumetrica Temperatura di % volumetrica Densit`a
ebollizione (◦C) (Kg/m3) 3.44 20 7.910 660.7 12.38 80 19.94 736.5 27.51 145 35.80 782.4 44.09 225 50.36 820.4 56.64 290 62.08 841.3 67.53 350 83.76 897.2
Tabella 6.5: distribuzione dei tagli.
dura comunemente utilizzata nella pratica consiste, una volta nota la TBP, nel caratterizzare il grezzo stesso mediante i reali componenti leggeri su un range iniziale di TBP e da un certo numero di pseudocomponenti sulla rima- nente porzione di TBP. Gli pseudocomponenti sono miscele a pi`u componenti definite da un preciso intervallo di temperature di ebollizione che simulano i singoli componenti. Per essi, infatti, `e ricostruito l’intero spettro di propriet`a caratteristico dei componenti puri. Nel lavoro di Gallinelli ((Gallinelli 2005)) viene illustrato nel dettaglio il metodo mediante il quale il grezzo viene carat- terizzato attraverso gli pseudocomponenti. Una volta nota la TBP, mediante le temperature di taglio delle singole frazioni di Tabella6.1`e possibile deter- minare approssimativamente le rese dei distillati. Come si osserva in Tabella
6.5, il grezzo scelto ha un’alta resa in distillati medi, principalmente in ben- zina; infatti il 24.5% in peso `e recuperato sotto forma di benzina, il 18.1%
in kerosene e il 28.8% in gasolio leggero. `E quindi un grezzo adatto per
la produzione di carburanti visto che le frazioni pesanti, gasolio pesante e residuo atmosferico, sono presenti in quantit`a minore rispetto a quelle che si riscontrano nei grezzi destinati alla produzione di lubrificanti. Il residuo, che `e il 28.7% del grezzo alimentato, sar`a inviato ad una colonna di vacuum per il recupero dei distillati non ottenuti nel topping.
Si ricorda che nel caso di distillazione perfetta, a riflusso totale, il punto fi- nale di ebollizione di una certa frazione coinciderebbe con quello iniziale della frazione immediatamente successiva; tuttavia la reale separazione non `e mai perfetta e questo produce inevitabili overlap tra le frazioni contigue, messi in evidenza dalla comparsa delle cosiddette code.
6.4
Scelta del controllo di base
In generale, il controllo di base deve garantire il corretto funzionamento in automatico della colonna cercando di minimizzare l’offset tra il set-point desiderato e la variabile di processo rilevata. Per il modello dinamico in esame gli schemi di controllo utilizzati si avvalgono dell’esperienza ormai de- cennale di impianti di questo tipo. Gli schemi utilizzati sono descritti di seguito.
Controllo di pressione. Gli schemi che generalmente si usano in impianti di topping sono i seguenti:
- controllo della pressione del separatore agendo sulla valvola di scarico per controllare la pressione della colonna;
- controllo della pressione in colonna rilevando la pressione della stessa ed agendo sullo scarico del separatore.
Nel caso in esame, la scelta per la quale si `e optato `e la seconda. Tut- tavia, in anello chiuso `e stata riscontrata una dinamica molto lenta per cui si `e deciso di porre il regolatore di pressione in cascata su uno di portata che interagisce direttamente con la valvola di scarico del separatore.
Controllo della portata di riflusso. Generalmente nelle colonne di top- ping la portata di riflusso (importante variabile di processo) viene con- trollata in cascata ad un regolatore di temperatura agente sul primo piatto della colonna. Questa strategia `e molto valida perch´e consente di far fronte abbastanza velocemente alle variazioni di composizione che si realizzano in colonna. Con questo metodo si controlla molto bene la purezza del distillato ma non la sua resa; infatti, se ad un certo istante si registrasse un aumento di temperatura, ci`o starebbe a significare che in quell’istante alcune frazioni pi`u pesanti stanno risalendo verso la testa della colonna. Il regolatore, quindi, agir`a inviando un riflusso maggiore in colonna per riportare i componenti pesanti nelle sezioni sottostanti e questo, ovviamente, a discapito della resa in distillato.
Controllo della portata di BAL. Il distillato (BAL) `e controllato da un controllo di livello sul separatore trifase12 che agisce in cascata su uno
direttamente l’alimentazione allo stripper stesso.
Controllo delle portate dei tagli laterali. Le portate dei tagli laterali sono controllate mediante un semplice controllo di portata.
Controllo di portata dei pumparound. La portata di ogni pumparound `e controllata mediante un semplice controllo di portata che agisce sulla rispettiva valvola di regolazione.
Controllo di livello del fondo colonna. Anche in questo caso, come per il condensatore di testa, il controllore di livello del fondo colonna `e in cascata sul controllo di portata del residuo atmosferico.
Controllo di portata dei vapori alimentati agli stripper. I vapori al- imentati agli stripper sono controllati semplicemente da controllori di portata che agiscono direttamente sulle rispettive valvole di regolazione.
Controllo di temperatura uscita forno. La temperatura dell’alimentazione all’uscita del forno `e una variabile di processo molto importante ed il sistema di controllo adottato nella pratica `e molto complesso; in questo caso `e stato simulato da un regolatore di temperatura che agisce diret- tamente sulla valvola di regolazione della portata di combustibile al forno.
Controllo di portata del grezzo alimentato. La portata di grezzo ali- mentata alla colonna principale `e controllata a monte del treno di scambio mediante un semplice regolatore di portata che agisce sulla rispettiva valvola di regolazione.
Tutti i regolatori utilizzati nello schema di processo sono di tipo PI, anche quelli di livello, bench´e per questi ultimi sia stata utilizzata una costante di
tempo ad azione integrale abbastnza elevata in modo da ridurne l’aggressiv- it`a. Per la sintonizzazione dei controllori `e stata utilizzata la tecnica IMC. In presenza di processi con costante di tempo τ e ritardo θ, i parametri di tuning relativi all’IMC sono i seguenti:
τI = τ + θ 2 (6.3a) kc= τI λkp (6.3b) dove il parametro λ `e stato scelto, a seconda dei casi, circa 1/5 del tempo di risalita atteso oppure 2θ.
Nell’ambiente HYSYS le informazioni necessarie per definire i regolatori sono:
- l’intervallo della variabile di processo P Vmin e P Vmax;
- il guadagno del regolatore;
- le varie costanti di tempo del regolatore a seconda che si voglia realiz- zare un PI, un PD oppure un PID.
Le operazioni eseguite per identificare i parametri del processo dei vari loop sono le seguenti:
1. esclusione dal CL dei regolatori da sintonizzare13;
2. generazione di un gradino mediante apertura del 5% della relativa
valvola di regolazione;
3. registrazione della risposta allo scopo di ricavarne il valore di stazionario
P Vf in;
4. calcolo della P V adimensionale:
P V%= P Vf in− P Viniz
P Vrange
(6.4)
5. noto l’ingresso ∆OP% = 0.05∆OP
range, calcolo del guadagno del pro-
cesso:
kp = P V
%
∆OP% (6.5)
1. esecuzione di una simulazione di durata uguale al tempo previsto al raggiungimento dello stazionario del loop in esame;
2. in tale intervallo di tempo, variazione dei parametri di tuning per
condurre la risposta allo stazionario;
3. a sintonizzazione avvenuta, verifica del tuning mediante test con varia- zioni di set-point ampie per valutarne l’aggressivit`a.
Per una schematizzazione accurata del controllo di base si rimanda al lavoro di (Gallinelli 2005).