CT&F Ciencia, Tecnología & Futuro (Jan 2009)
OPTIMIZATION MODEL OF A SYSTEM OF CRUDE OIL DISTILLATION UNITS WITH HEAT INTEGRATION AND METAMODELING
Abstract
The process of crude distillation impacts the economy of any refinery in a considerable manner. Therefore, it is necessary to improve it taking good advantage of the available infrastructure, generating products that conform to the specifications without violating the equipment operating constraints or plant restrictions at industrial units. The objective of this paper is to present the development of an optimization model for a Crude Distillation Unit (CDU) system at a ECOPETROL S.A. refinery in Barrancabermeja, involving the typical restrictions (flow according to pipeline capacity, pumps, distillation columns, etc) and a restriction that has not been included in bibliographic reports for this type of models: the heat integration of streams from Atmospheric Distillation Towers (ADTs) and Vacuum Distillation Towers (VDT) with the heat exchanger networks for crude pre-heating. On the other hand, ADTs were modeled with Metamodels in function of column temperatures and pressures, pumparounds flows and return temperatures, stripping steam flows, Jet EBP ASTM D-86 and Diesel EBP ASTM D-86. Pre-heating trains were modeled with mass and energy balances, and design equation of each heat exchanger. The optimization model is NLP, maximizing the system profit. This model was implemented in GAMSide 22,2 using the CONOPT solver and it found new operating points with better economic results than those obtained with the normal operation in the real plants. It predicted optimum operation conditions of 3 ADTs for constant composition crude and calculated the yields and properties of atmospheric products, additional to temperatures and duties of 27 Crude Oil exchangers.La destilación de crudo es un proceso que impacta considerablemente la economía de cualquier refinería y por tanto es necesario mejorarlo aprovechando la infraestructura instalada, generando productos dentro de especificaciones, sin violar las diferentes ventanas operativas o restricciones de planta que existen en las unidades industriales. El objetivo de este artículo es presentar el desarrollo de un modelo de optimización de un Sistema de Unidades de Destilación de Crudo (UDCs) perteneciente a la refinería de Barrancabermeja de ECOPETROL S.A. que involucra las restricciones de planta típicas (flujo por capacidad de tuberías, bombas, torres de destilación, etc.) y una restricción aún no contemplada en la literatura para modelos de este tipo: la integración energética de las corrientes de las Torres de Destilación Atmosféricas (TDAs) y las Torres de Destilación al Vacío (TDVs) con la red de intercambiadores de calor que precalientan el crudo. Por otro lado, las TDAs fueron modeladas a través de Metamodelos en función de las temperaturas y presiones de las torres, los flujos y temperaturas de retorno de los pumparounds, los flujos de vapor de despojo, el PFE de la ASTM D-86 para el Jet y el Diesel. Los trenes de precalentamiento fueron modelados con balances de masa y energía, y la ecuación de diseño de cada intercambiador. El modelo de optimización es de tipo NLP, maximizando la utilidad del sistema. Este modelo se implementó en GAMSide 22.2 usando el solver CONOPT y predice nuevos puntos de operación óptimos con mejores resultados económicos que aquellos obtenidos con la operación normal en las plantas reales. El modelo calculó las condiciones de operación óptimas de 3 TDAs para un crudo de composición constante y calculó los rendimientos y propiedades de los productos atmosféricos, adicionalmente a las temperaturas y duties de 27 intercambiadores de crudo.A destilação de cru é um processo que impacta consideravelmente a economia de qualquer refinaria e portanto é necessário melhorálo aproveitando a infraestrutura instalada, gerando produtos dentro de especificações, sem violar as diferentes janelas operativas ou restrições de planta que existem nas unidades industriais. O objetivo deste artigo é apresentar o desenvolvimento de um modelo de otimização de um Sistema de Unidades de Destilação de Cru (UDCs) pertencente à refinaria de Barrancabermeja da ECOPETROL S.A. que envolve as restrições de planta típicas (fluxo por capacidade de tubulações, bombas, torres de destilação, etc.) e uma restrição ainda não contemplada na literatura para modelos deste tipo: a integração energética das correntes das Torres de Destilação Atmosféricas (TDAs) e as Torres de Destilação a Vácuo (TDVs) com a rede de intercambiadores de calor que pré-aquecem o cru. Por outro lado, as TDAs foram modeladas através de Metamodelos em função das temperaturas e pressões das torres, os fluxos e temperaturas de retorno dos pumparounds, os fluxos de vapor de despojo, o PFE da ASTM D-86 para o Jet e o Diesel. Os trens de pré-aquecimento foram modelados com balanços de massa e energia, e a equação de desenho de cada intercambiador. O modelo de otimização é de tipo NLP, maximizando a utilidade do sistema. Este modelo foi implementado em GAMSide 22.2 usando o solver CONOPT e prediz novos pontos de operação ótimos com melhores resultados econômicos que aqueles obtidos com a operação normal nas plantas reais. O modelo calculou as condições de operação ótimas de 3 TDAs para um cru de composição constante e calculou os rendimentos e propriedades dos produtos atmosféricos, adicionalmente às temperaturas e duties de 27 intercambiadores de cru.
