автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Оптимизация процесса приготовления автомобильных бензинов на основе учета углеводородного состава парафинистых нефтей месторождений Вьетнама

На правах рукописи

ФАН ФУ

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ НА ОСНОВЕ УЧЕТА УГЛЕВОДОРОДНОГО СОСТАВА ПАРАФИНИСТЫХ НЕФТЕЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВЬЕТНАМА

05.17.08 — «Процессы и аппараты химических технологий»

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2013

2 8 НОЯ 2013

005541403

. Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Иванчина Эмилия Дмитриевна

Официальные оппоненты:

Коробочкин Валерий Васильевич,

доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Заведующий кафедрой ОХТ -1

Фетисова Вероника Александровна, кандидат технических наук, инженер отдела концептуального проектирования и технико-экономического анализа проектов (ОКПи ТЭАП) ОАО «ТомскНИПИнефть»

Ведущая организация:

Алтайский государственный технический университет И.М. Ползунова, г. Бийск.

Защита диссертации состоится «23» декабря 2013г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.269.08 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

По адресу: 634050, Томск, пр. Ленина, 43, корпус 2,117 ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Автореферат разослан «21» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.269.08

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Одной из основной задач, стоящих перед промышленными процессами нефтепереработки на современном этапе её развития является повышение эффективности переработки нефти и качества выпускаемых нефтепродуктов. В решении этой задачи большая роль отводится оптимизация процесса приготовления автомобильных бензинов, который является завершающим и наиболее ответственным в формировании качественных и количественных показателей товарной продукции.

Современные автомобильные бензины представляют собой смеси компонентов, получаемых различными технологическими процессами. Физико-химические и товарные свойства автомобильных бензинов зависят от углеводородного состава сырья и технологии их получения. Актуальным сегодня является определение оптимальных рецептур смешения компонентов и аппаратурного оформления процессов, которые зависят от углеводородного состава перерабатываемого сырья, а также структуры потребления отдельных нефтепродуктов.

В процессе компаундирования высокооктановых автомобильных бензинов вовлекается большое число компонентов углеводородные потоки (риформат, изомеризат, бензин каталитического крекинга, бутан-бутиленовая фракция (углеводороды С4), метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ)). Наличие такого большого числа компонентов приводят к сложностям оптимизации состава потоков и конструкции аппаратов. Решение этой многоплановой задачи возможно с использованием метода математического моделирования, который в настоящее время является актуальным научным направлением для оптимизации схемы эксплуатации промышленных заводов, как эффективного способа решения многофакторных и многокритериальных задач.

Требования, предъявляемые сегодня к высокооктановым автомобильным бензинам, предусматривают выпуск только неэтилированных бензинов, а также ограничение на содержание ароматических углеводородов, бензола, олефинов и непредельных углеводородов.

Дальнейшее совершенствование процесса приготовления автомобильных бензинов возможно оптимизацией рецептур смешения и схемы переработки, которая зависит от углеводородного состава нефти. При переработке парафинисгых нефтей повышается значимость процесса

з

депарафинизации дизельных фракций и изомеризации прямогонных бензинов.

Ранее, на кафедре Химической технологии топлива и химической кибернетики Национального исследовательского Томского политехнического университета была разработана компьютерная моделирующая система, позволяющая рассчитать октановые числа на основе учета межмолекулярных взаимодействий между углеводородами бензиновой смеси. Дальнейшие исследования показали, что для оптимизации процесса приготовления товарных бензинов необходимо учитывать комплексные характеристики бензинов, такие как плотности, вязкости, давление насыщенных паров, содержание бензола и ароматических углеводородов. Возникла необходимость создания новых компьютерных систем, которые позволяют рассчитывать все физико-химические свойства компонент смесей, а также оптимизировать структурную схемупроцессов приготовления товарных бензинов.

Данная работа выполнена в соответствии с Программой развития ГОУ ВПО НИ ТПУ, в рамках научного направления Томского политехнического университета «Разработка научных основ математического моделирования и оптимизация технологий подготовки и переработки горючих ископаемых и получения энергетических топлив».

Цель и задачи работы

Целью работы является оптимизация процесса приготовления автомобильных бензинов с использованием метода математического моделирования на основе учета углеводородного состава парафинистых нефтей месторождений Вьетнама.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

■ Исследование физико-химических свойств нефтяных углеводородных систем, используемых в процессах производства бензинов.

• Создание банка данных по математическим моделям расчета физико-химических свойств компонентов топливной смеси для приготовления бензинов.

■ Определение оптимального компонентного состава потоков смешения с установок риформинга и изомеризации для приготовления низкооктановых бензинов, которые по содержанию ароматических углеводородов, олефинов, плотности, вязкости и давлению насыщенных паров соответствуют стандартам Вьетнама.

■ Расчет различных вариантов структуры потоков в аппаратах приготовления товарных бензинов.

Научная новизна

1. Установленные закономерности процесса приготовления автомобильных бензинов из парафинистых нефтей месторождений Вьетнама обеспечили создание и применение системы моделирования, что позволило увеличить глубину превращения сырья на 2-3 %.

2. Установлено, что для оптимизации процесса приготовления товарных бензинов при переработке высокопарафинистых нефтей, необходимо увеличить глубину переработки пентан-гексановой фракции за счет изменения структуры реакторного блока. Установлен интервал изменения доли рециркулята в расходе (19,0-25,4 % мае.) при изменении содержания алканов в исходном потоке (от 27,23-28,93 % мае.)

3. Установлено, что низкооктановые бензины MOGAS 90, MOGAS 92, MOGAS 95 по содержанию бензола, ароматических углеводородов, олефинов, плотности, вязкости и давлению насыщенных паров соответствуют стандартам Вьетнама. Для производства бензинов Премиум-95 (Евро 4), Супер-98 (Евро 5) необходимо вовлечение в процесс смешения метил-трет-бутиловый эфир в количестве от 3 до 11 % в зависимости от углеводородного состава перерабатываемого сырья и технологических режимов процессов каталитического крекинга, рифоминга и изомеризации.

Практическая ценность.

1. Разработана и внедрена на предприятиях ПетроВьетнам Компании Вьетнама компьютерная моделирующая система для расчета основных показателей компаундируемых потоков, таких как плотность, вязкость, давление насыщенных паров, а также их расходов при приготовлении бензинов требуемых марок. Разработанная система позволяет выполнять прогноз технологических параметров для изучения физико-химических характеристик и для оценки их влияния на процессы переработки, что позволяет предусмотреть необходимые меры по предотвращению технических и экологических проблем.

2. Технологическая моделирующая система, учитывающая индивидуальный углеводородный состав, позволяет оценить эффективность переработки бензиновых фракций в процессах изомеризации и компаундирования. Концентрации индивидуальных углеводородов фракции н.к-62 °С используется в качестве входных параметров в программе расчета процесса каталитической изомеризации, продуктом которой является высокооктановые изокомпоненты, применяемые для приготовления бензина.

3. Показано, что система моделирования адекватно описывает функциональные зависимости свойств углеводородов от технологических

условий. Программная реализация алгоритма существлена в среде Delphi 7.0, с использованием которой проведена оценка физико-химических свойств и товарных свойств нефтепродуктов. Погрешность расчетов не превышает 4 - 5 %, что сопоставимо с погрешностью хроматографического анализа.

4. Программный продукт реализует способ обработки экспериментальных данных, позволяющий оперативно проводить расчеты физико-химических свойств нефти. Модульный принцип построения компьютерной моделирующей системы обеспечивает возможность накопления и систематизации информации. Результаты внедрены на предприятиях ПетроВьетнам и «ЗунгКуат НПЗ» Вьетнама, получен акт о внедрении.

5. Разработанная компьютерная моделирующая система реализована также на кафедре Химической технологии топлива и химической кибернетики Национального исследовательского Томского политехнического университета и внедрена в учебный процесс для проведения лабораторных работ по дисциплине «Компьютерные моделирующие системы», курсового и дипломного проектирования для специальности «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».

На защиту выносятся

■ Компьютерная моделирующая система для расчета физико-химических свойств реагентов в процессах превращение нефтяных углеводородных систем и процесса компаундирования для расчета оптимальной рецептуры приготовления автомобильных бензинов на заводе «ЗунгКуат НПЗ» Вьетнама.

■ Компонентный состав потоков смешения для производства бензинов Премиум-95 (Евро 4), Супер-98 (Евро 5).

■ Результаты оптимизации расходов потоков смешения в зависимости от углеводородного состава перерабатываемого сырья. Октановое число продукта может увеличиться на 2-3 пункта при изменении расхода рециркулята в зависимости от углеводородного состава перерабатываемого сырья.

■ Оптимальные расходы рециркулята процесса изомеризации пентан-гексановой фракции при переработке парафинистых нефтей.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (г. Томск, 2010), XV и XVII Международных научных симпозиуме имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» (г.

6

Томск, 2011, 2013), II и III Всероссийских научно-практических конференциях «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» (г. Томск, 2009, 2010), I Международной Российско-Казахстанской конференции по химии и химической технологии (г. Томск, 2011).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в журналах из списка ВАК, материалы 9 докладов в трудах международных и российских конференций, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, № 2009614377, имеется акт о внедрении.

Личный вклад. Разработка способа оптимизации процесса приготовления бензинов, который заключается создании и применении моделирующей системы для расчета комплексного влияния состава смешиваемого бензина на его показатели, программная реализация и проведение расчетов различных вариантов состава бензина и структуры потоков химической схемы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка, 29 таблицы, библиография включает 109 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы, описана структура диссертации.

В первой главе приведен краткий обзор литературы по методам расчета физико-химических свойств реагентов в процессах превращения нефтяных углеводородных систем и приготовления товарного бензина, а также обзор методов исследования химического состава нефтяных фракций.

Теоретическую основу исследования составили научные труды отечественных и зарубежных авторов: Смышляева Ю.А., Корниенко A.B., Ахметов С. А., Соловьев А. С., Емельянов В.Е., Коханов С.И., Яковлев A.A., Карманова Т.В., Нгуенг В.Т., Абдуллахи Х.М., Азев B.C., Туровский Ф.В., Сайфуллин Н.Р., Киладзе Т.К., Буй Ч.Х., Сусарев С.В. и др.

Выполнен анализ современного состояния методов анализа физико-химических свойств (ФХС) углеводородных систем. Применительно к

нефтехимической технологии предложены и находят достаточно широкие применение приближенные модели для расчета ФХС - плотности, вязкости и давления насыщенных паров нефтяного сырья и продуктов переработки. Рассмотрены различные способы и математические методы обработки информации.

Давление насыщенных паров нефти и нефтепродуктов характеризует их испаряемость, наличие в них легких компонентов, и растворенных газов. Оно резко увеличивается с повышением температуры.

Ужесточение требование к бензинам в последние годы направлено на ограничения содержания в бензинах бензола, олефинов и ароматических углеводородов, а также на улучшение детонационных свойств.

Проблема оптимизации процесса приготовления автомобильных бензинов как многофакторной системы сводится к отсутствию надежных систем моделирования, позволяющих с высокой точностью рассчитывать компонентный состав смесевого бензина требуемой марки.

Во второй главе представлены результаты сравнительного анализа математических моделей для расчета физико-химических свойств углеводородных смесей в процессе приготовления автомобильных бензинов.

Товарные качества нефти и нефтяных фракций характеризуются фракционным и химическим составом, а также другими показателями их физико-химических свойств, которые входят в ГОСТы на товарные нефтепродукты и непосредственно характеризуют их эксплуатационные свойства. Знание показателей физико-химических свойств нефти и её фракций необходимы для проектирования нефтезаводской аппаратуры, лабораторного контроля и автоматического регулирования технологических процессов нефтепереработки.

Стремление заменить экспериментальное изучение свойств соединений математическими моделями объясняется тем, что количественный расчет позволяет обойти технические трудности, возникающие при экспериментальном изучении процессов приготовления товарных бензинов. Наличие надежных расчетных методов и построенных на основе их использования систем моделирования позволяет решить одну из главных задач химической технологии - получение продуктов с требуемым набором физико-химических характеристик. С нарастанием системной сложности химических технологий становится объективно необходимым развитие методов автоматизированного управления технологическими процессами и предприятием в целом.

Расчет плотности нефтяных углеводородных систем является важным этапом оценки показателей качества нефтей. Плотность зависит от фракционного и углеводородного состава нефти.

Определение плотности нефтяного сырья можно проводить при любой температуре (р|), а затем вычислить значение (р|°), при этом используются различные алгоритмы определения плотности. В работе показано, что с удовлетворительной степенью точности расчет плотности смеси углеводородов можно выполнять по правилу аддитивности, так как требуемый интервал по этой характеристики превышает погрешность расчета:

_р1.У1+р2.У2+- + рп-Уп

Рср К1 + К2 + - + Кп ' Ш

где р\,рг,рп—плотность каждого компонента при постоянных условиях;

К2, Уп — объемная доля каждого компонента.

Дальнейшие исследования показали, что для создания моделирующей системы процесса приготовления бензинов необходимо наличие банка моделей для расчета физико-химических свойств смесей. Выполнен анализ применения формулы Менделеева Д.И. для расчета свойств товарных бензинов и жидких нефтепродуктов. Показано, что эта формула применима в сравнительно узком интервале температур от 0 до 50 °С и для фракций, содержащих относительно небольшие количества парафинов и ароматических углеводородов. В связи с этим для расчета относительной плотности жидкофазных углеводородов рекомендовано использовать высокоадекватную модель Матиаса.

Таблица 1 - Сравнение экспериментальных и расчетных значений плотности

углеводородов

Углеводороды Плотность при 20 °С, кг/м3 Температура кипения, °С Плотность, кг/м3 Эксперимент Плотность, кг/м1 Расчет

По формуле Менделеева По формуле Матиаса

Пентан 626,3 36,45 609,7 609,7 609,3

Гексан 659,5 68,75 612,7 612,7 611,9

Гептан 683,7 98,25 611,1 6112 609,8

Октан 702,8 125,65 607,5 607,6 605,1

Нонан 718,0 150,85 602,7 602,8 598,4

Декан 730,0 173,95 596,8 596,9 589,9

Ундекан 740,0 195,85 590,2 590,4 580,2

Додекан 750,0 216,05 585,6 585,8 572,3

Тридекан 756,8 235,25 578,2 578,4 560,9

Тетрадекан 762,0 253,35 570,0 570,2 548,0

Пентадекан 768,9 270,45 565,1 565,4 538,8

Изобуган 557,2 -11,65 591,6 591,6 594,3

Изопентан 619,7 27,85 611,6 611,6 611,4

2,2-диметилбутан 649,2 49,75 620,2 620,2 619,9

2,3-диметилбуган 661,6 58,05 625,13 625,17 625,04

2-метилпентан 653,2 60,35 614,09 614,13 613,49

3-метилпентан 664,4 63,35 623,0 623,1 622,8

2- метилгексан 678,6 89,9 613,3 613,4 612,3

2,3-диметилпентан 695,1 89,63 631,6 631,6 631,9

3-метилгексан 687,1 91,7 620,9 621,0 620,5

Бензол 878,9 80,25 838,6 838,6 848,6

Толуол 865,5 109,91 8038 803,8 815,3

Этил бензол 880,0 136,19 802,5 802,6 815,4

Метаксилол 864,2 138,95 782,4 782,5 794,0

Параксилол 861,0 138,25 779,1 779,2 790,5

Ортоксилол 880,2 144,25 797,3 797,4 810,1

Циклопентан 771,9 49,35 748,0 748,0 751,5

Циклогексан 779,0 80,75 730,3 730,3 735,9

Метилциклопентан 748,6 71,95 704,84 704,89 708,77

Метилциклогексан 769,4 100,93 703,53 703,61 708,78

Этилциклопентан 766,4 103,47 698,13 698,22 703,12

Погрешность расчета при использовании данных методик составляет 3-4%.

Давление насыщенных паров (ДНП) — является важным свойством бензина, характеризует физико-химическую сущность фазовых переходов и энергетику межмолекулярного взаимодействия углеводородов. Этот показатель определяет также эксплуатационные свойства нефтепродуктов.

С повышением температуры ДНП возрастает и при критической температуре принимает максимальное значение. При этом наблюдается равновесие между жидкой и паровой фазами. ДНП нефтяных фракций зависит от температур кипения углеводородов и плотности. Для узких фракций нефти можно с известной степенью приближения считать Рт=ЯТ, Ткип). На этом базируются различные формулы (Антуана, Кокса, Максвелла, Билла, ЮОП и др.). Выполненные исследования показали, что методика Ашворта позволяет с достаточной степенью точности определять ДНП товарных бензинов.

Для разработки более адекватной термической модели ДНП в качестве исходной математической функции принято . выражение Антуана при известных константах (А, В, С), зависящих от природы вещества и от температуры кипения:

1дРт = А - б/(г _ 273Д5 + с) (2)

где Г-температура, °С; А, В, С - константы, зависящие от природы вещества и от температуры.

В ходе работы для определения ДНП углеводородных систем поведено сравнение моделей Антуана и Ашворта (табл. 2). Показано, что для расчета физико-химических свойств потоков ДНП может быть использовано правило аддитивности:

п

днп( = £днп;.с(. (3)

1=1

Исследования показали, что вязкость является важным свойством смесевого бензина.

Таблица 2 - Результаты расчета вязкости и давления насыщенных паров индивидуальных углеводородов

Углеводороды Плотность при 20 °С, кг/м3 Температура кипения, °С Вязкость, П.с Давления насыщенных паров, кПа

По формуле Антуана По формуле Ашворта

Этан 545,9 -88,63 0,311 13,216 12,872

Пропан 501,1 -42,05 0,473 12,890 10,242

Бутан 578,9 -0,95 0,757 3,554 2,121

Пентан 626,3 36,45 0,876 1,079 3,321

Гексан 659,5 68,75 1,480 0,343 1,232

Гептан 683,7 98,25 3,867 0,113 1,231

Октан 702,8 125,65 5,995 0,039 0,101

Изобутан 557,2 -11,65 1,453 4,969 5,450

Изопентан 619,7 27,85 1,364 1,436 1,232

2,2-диметил бутан 649,2 49,75 0,219 0,682 0,837

2,3-диметил бутан 661,6 58,05 42,33 0,513 1,109

2-метил пентан 653,2 60,35 0,485 0,468 0,234

Полученные результаты имеют удовлетворительную сходимость с экспериментальными значениями. Наибольшая точность была достигнута при использовании формулы Антуана.

11

В третьей главе с использованием разработанной моделирующей системы рассмотрены вопросы повышения ресурсоэффективности процесса приготовления автомобильных бензинов. Приведен сравнительный анализ существующих Российских и Вьетнамских моделирующих систем.

Структура созданной моделирующей системы - это взаимосвязанные между собой блоки. В структуру моделирующей системы входит база данных по октановым числам и физико-химическим характеристикам нефтяных фракций (рисунок 1).

Эксперт имеет возможность корректировать базу данных и моделирующую систему. В зависимости от состава смешиваемых потоков и требований к продукции моделирующая система проводит расчет свойств смесевого бензина. Пользователь для корректирования результатов может выбирать требования к получаемым автомобильным бензинам и изменять состав потоков смешения.

Активное окно для входа в программу содержит основные характеристики процесса приготовления автомобильных бензинов: состав сырья, данные по октановым числам, температуры кипения углеводородов и т.д. Они позволяют осуществлять расчет детонационной стойкости, значения давление насыщенных паров, плотности и вязкости, как отдельных потоков, так и их смеси с присадками и добавками. Также разработанный программный продукт позволяет рассчитывать оптимальную рецептуру смешения компонентов для получения товарного бензина требуемой марки.

С очко-химические1 характеристики

База данных по Л рктановым числам/

Выходное активное окно программы содержит

Рисунок I. Структура моделирующей системы.

состав

выходного

показали

октановое

давления

паров,

вязкость

компонента.

I расход потоков, свойств — число, насыщенных плотность, каждого

Сравнение экспериментальных и расчетных значений физико-химических свойств потоков смешения (плотности, вязкости, давления насыщенных паров и октановых чисел) имеют удовлетворительную сходимость с экспериментальными значениями, следовательно, данную

моделирующую систему возможно использовать для расчета компонентного состава и свойств автомобильных бензинов (табл. 3, 4).

Таблица 3 - Сравнение экспериментальных и расчетных значений плотности

для Российских НПЗ

Показатель Стабильный изомеризат Фр. Нк.-80 °С Стабильный катализат

Плотность при 15°С, кг/м\ АЭТМ 4052

Эксперимент 653,5 664,1 783,2

Расчет 623,8 632,2 730,2

Погрешность, % 4,76 5,05 7,25

Таблица 4 - Сравнение экспериментальных и расчетных значений октановых чисел для Российских НПЗ

Стабильный катализат Стабильный катализат установка ЛЧ-35/11-600 ОАО «Сызранский НПЗ» Стабильный катализат ОАО «Куйбышевский НПЗ»

Октановое число установка 35/11-300 ОАО «Новокуйбышевский НПЗ»

Эксперимент 94,5 95,5 96

Расчет 93,95 96,78 95,54

Погрешность, % 0,58 1,34 0,48

В работе выполнен расчет состава и свойств бензинов с учетом требований современных стандартов, предъявляемых к физико-химическим свойствам бензинов, достигнуты удовлетворительные результаты. Выполнена также корректировка компонентных составов и характеристик бензинов, производимых на ОАО «Сызранский НПЗ» (табл. 5). Все бензины соответствуют требованиям регламента.

Таблица 5 - Состав и свойства бензинов ОАО «Сызранский НПЗ» (расчет на

модели)

Наименование Регуляр-92 Премиум-95 Супер-98

Бензин КАС 15 15 11

ё о Катализат 49 49 49

Фракция 35-70 °С 21 13 10

н о С Н-буган 5 5 10

Изобутан % мае. 5 10 5

МТБЭ 5 8 15

Состав Ароматические углеводороды 34 21 24

Бензол 3 1 1

Олефины 4 11 13

Свойства ДНП, кПа 64,48 63.90 70,78

Плотность, кг/м1 690 700 723

Вязкость, Па.с 4,0 3,56 4,0

ИОЧ 92 95 98

МОЧ 83 85 88

Во Вьетнаме имеются два основных нефтяных месторождения Белый Тигр и Черный Лев, нефть которых поступает на переработку на заводе «ЗунгКуат НПЗ» Вьетнама. Особенность нефти, которую добывают во Вьетнаме, заключается в высоком значении плотности, небольшом содержании сернистых соединений, а также в высоком содержании парафиновых углеводородов. Для получения автомобильных бензинов на заводе «ЗунгКуат НПЗ» Вьетнама проводится компаундирование четырех потоков смешения: Риформат, изомеризат, бензин каталитического крекинга и бутан-бутиленовая фракция.

Основные характеристики данных потоков приведены в таблице б.Вариант 2 от варианта 1 отличается вовлечением в переработку нефти месторождения «Черный Лев».

Таблица б - Состав и свойства потоков, вовлекаемых в производство бензинов на заводе «ЗунгКуат НПЗ» Вьетнама

Наименование Углеводо роды С4 Изомеризат Риформат Крекинг-бензин

Вариант 1 Вариант 2 Вариант 1 Вариант 2 ВН МХ

Свой ства ИОЧ 97,14 86,52 88,08 102,48 102,55 91,9 92,1

МОЧ 85,46 84,92 85,77 88,82 89,07 78,69 78,94

ДНП, кПа 355,4 165,7 165,7 12,78 14,56 37,41 42,52

Состав, %мас. Ароматические углеводороды 0 0 0 76,77 76,39 26 26

Бензол 0 0 0 0,73 4,27 1 1

Олефины 58 0 0 1,25 1,43 35 34

В таблице 7 приведены составы и свойства потоков, которые используются для производства бензинов разных марок, соответствующих стандартам Вьетнама. С применением разработанной моделирующей системы возможен расчет различных вариантов смешения.

Таблица 7 — Состав и свойства потоков, используемых для производства бензинов на заводе «ЗунгКуат НПЗ» Вьетнама

Наименование МОвАв 95 МСЮАв 90 МОвАв 92 МОвАв 90

о о я С н и Углеводороды С4 % мае. 2 3 3 4

Изомеризат 17 4 13 0

Риформат 46 11 28 13

Крекинг 35 82 57 83

03 СЯ (- Ароматические углеводороды 41 29 34 31

о и Бензол 1 1 1 1

Олефины 14 29 21 30

ДНП, кПа 57 57 57 57

ИОЧ

97 г

96 -§-95

94 I; 93 492 -I 91

90 -£89 ¡г 88 {■■ 87 С 86 '

2 3

£ Требуемое октановое число

■ Фактические октановое число

Рисунок 2. Значение октановых чисел требуемое и фактические

Как видно из таблицы 7 и рисунка 2, по всем маркам бензина идет

октаноперепроизводство, т.е. октановое число смешения бензина превышает

требуемое, при этом отклонения составляют 1—3,5 пункта. Связано это с тем, что на заводе не применяются

октаноповышающие добавки

и у производителя нет инструмента для корректировки характеристик некондиционных партий бензина.В связи с чем, делается запас по октановому числу при разработке рецептур (табл. 8). То есть существующие рецептуры не являются оптимальными и нуждаются в корректировке (табл.

9).

Таблица 8 - Результаты расчета состава и свойств бензина на заводе «ЗунгКуат НПЗ» Вьетнама

Наименование МОвАв 95 МОвА8 90 МОСА8 92 МОСАв 90

Потоки Углеводороды С4 % мае. 2 3 3 4

Изомеризат 17 4 13 0

Риформат 46 11 28 13

Крекинг 35 82 57 83

Состав Ароматические углеводороды 44,41 29,76 35,96 31,56

Бензол 0,69 0,90 0,77 0.92

Олефины 13,99 30,58 21,82 31,53

Свой ства ДНП, кПа 54,26 49,38 56,55 46,93

ИОЧ 96,13 93,04 94,4 93,49

МОЧ 84,72 80,3 82,61 80,29

Таблица 9 - Результаты оптимизации состава и свойств потоков смешения для приготовления автомобильных бензинов

Наименование MOGAS 95 MOGAS 90 MOGAS 92

Потоки Углеводороды С4 % мае. 9 0 5 0 5 0 0

Изомеризат 0 20 5 17 0 0 18

Риформат 28 40 30 0 0 10 10

Крекинг 63 40 60 83 95 90 72

Состав Ароматические углеводороды 37,88 41,11 38,63 21,58 24,70 31,08 26,40

Бензол 0,83 0,69 0,82 0,83 0,95 0,97 0,79

Олефины 27,62 14.50 24,28 29,05 36,15 31,63 25,33

Свой ства ДНП, кПа 59,14 53,23 52,34 59,23 53,31 34,95 58,05

ИОЧ 95,4 95,21 95,11 91,11 92,25 92,9 92,1

МОЧ 82,2 84,14 82,43 79,87 79,12 79,65 80,93

Выполненные расчеты составов и свойств показали, что вариант с наименьшим октановым числом при условии выполнения всех остальных требований, предъявляемых к автомобильным бензинам, больше 90 ед. Из чего можно сделать вывод, что производить бензин марки MOGAS 90 нецелесообразно с точки зрения ресурсоэффективности. Необходимо вовлекать низкооктановые потоки.

В четвертой главе исследования посвящены перспективному процессу производства автомобильных бензинов с улучшенными экологическими свойствами в условиях Вьетнама с использованием разработанной и программной реализованной математической модели. Кроме того, перспективным направлением деятельности завода является выработка бензинов, удовлетворяющих требованиям ЕВРО-стандарта.

Как видно из таблицы 10, переход с производства бензинов по Вьетнамским стандартам на производство по ЕВРО-стандартам в значительной степени изменит их компонентный состав, это связано с более жесткими требованиями ЕВРО-стандартов к содержанию в бензинах бензола, ароматических углеводородов и олефинов. Однако выработка ЕВРО-бензинов невозможна без вовлечения в производство высокооктановых добавок, наиболее эффективной из которых является МТБЭ. Без вовлечения МТБЭ возможно производство бензина с максимальным октановым числом по исследовательскому методу 93,8 ед. Также возможно производство бензина марки Премиум-95 с завышенным значением давления насыщенных паров. Для производства бензина марки Супер-98 необходимо использовать около 11 % МТБЭ.

> а >

Таблица 10 - Состав и свойства потоков смесевого бензина

Наименование Премиум-95 (Евро 4) Супе р-98 (Евро 5)

Углеводороды 10 0 0 2 10 0 2

§ Изомеризат % мае. 22 22 18 20 15 11 12

о н Риформат 30 28 28 28 30 28 28

С Крекинг 28 50 50 47 28 50 47

МТБЭ 0 0 4 3 7 11 11

§ Ароматические углеводороды 33,68 34,50 34,50 33,72 33,68 34,50 33,72

О и Бензол 0,55 0,70 0,70 0,67 0,55 0,70 0,67

Олефины 17,75 17,85 17,85 17,96 17,75 17,85 17,96

ДНП, кПа 95,91 58,75 52,13 61,43 83,03 40,53 48,18

О и м н ИОЧ 95,09 93,83 95,36 95,08 98,08 98,04 98,14

и « МОЧ 84,74 83,02 84,04 84,04 86,68 85,78 86,03

Нефть, которая подвергается переработка на заводе «ЗунгКуат НПЗ» Вьетнама, отличается высоким содержанием парафинов. Поэтому для увеличения глубины переработки применяются схемы с рециклом непревращенных углеводородов. Установка изомеризации оборудована линией (рисунок 3) рецикла по непревращенному гексану (22-25% мае.), что позволяет получать продукт с октановым числом 85-86 пунктов.

Водород

Рисунок 3. Технологическая схема установки изомеризации с рециклом н-гексана (Р-1, Р-2 - реактора изомеризации; К-1, К-2 - колонны стабилизации)

Выполненные исследования показали, что в продукте также остается непрореагировавший пентан в количестве 19-24 % мае. Сделано предположение, что необходимо изменить структуру потоков в аппаратурном оформлении завода и дополнить технологическую схему рециклом по н-пентану.

На рисунке 4 приведена предлагаемая схема процесса изомеризации с рециклом непревращенных н-пентана и н-гексана.

Рециркуляция н-гексана

Рисунок 4. Оптимизация структуры потоков (Р-1, Р-2 -реактора изомеризации; К-1, К-2, К-3 - колонны стабилизации)

В таблице 11 показаны значения прироста октанового числа при наличии рецикла в зависимости от состава сырья. Как видно, прирост октанового числа при добавлении рецикла по н-пентану составляет от 2 до 3 пунктов. При этом объём получаемых бензинов возрастает на 210-280 литров в день в зависимости от состава перерабатываемого сырья. В таблице 12 представлены результаты расчетов вариантов составов и свойств потоков смешения бензинов при рецикле н-пентана и н-гексана для бензинов Вьетнама.

Таблица 11 - Увеличение октанового числа изомеризата при добавлении рециклапо н-пентану

Базовое ИОЧ Непревра (ценный н-пентан, % мае. Итоговое ИОЧ Прирост ИОЧ

86,01 19,00 88.10 2,09

85,89 19,32 87,79 1,90

86,09 22,02 88,38 2,29

86,02 20,03 88,00 1.98

86,84 19,83 89,00 2,16

86,14 25,40 89,31 3,17

Таблица 12 — Состав и свойства потоков смешения бензинов при рецикле н-пентана и н-гексана для «ЗунгКуат НПЗ», Вьетнама

Наименование MOGAS 90 MOGAS 92 MOGAS 95

I II I II 1 II III

Углеводороды Са 1 1 10 8 11 0 5

X о Изомеризат 2 44 39 15 17 9 15 15

о С Риформат 0 0 3 5 20 30 30

Крекинг % 55 60 72 70 60 55 50

Состав Ароматические углеводороды мае. 14 16 21 22 31 37 36

Бензол 1 1 1 1 1 2 2

Олефины 21,04 22,9 32,63 30,75 28,99 20,91 21,95

я ш ДНП, кПа 84,32 76,93 53,2 53,46 45,06 40,22 45,7

о «я о и Плотность, кг/м' 630 648 669 670 686 696 691

ИОЧ 90,5 90,69 92,44 92,46 94,54 94,72 95,04

и МОЧ 82,1 81,74 81,01 81,22 82,43 83,07 83,46

93,6 93,4 93,2 93 92,8 92,6

Проведенные исследования по влиянию доли катализата риформинга в бензине на октановое число и давление насыщенных паров покали, что детонационная стойкость в наибольшей степени зависит от состава риформата. Доля этого компонента достигает 20—30 % мае. в зависимости от марки бензина (рисунок 5).

ИОЧ 938 80 ДНП, кПа

92,4 - 0

0 5 10 15 20

Доля катализата риформинга Рисунок 5. Зависимость октанового числа смесевого бензина и давления насыщенных паров от доли катализата риформинга в нем

70 60 50 40

30 Днп

20 10

Выводы:

1. Структуры потоков и технологические режимы в аппаратах определяют ресурсоэффективность процессов переработки парафинистых нефтей в

автомобильные бензины. При этом отклонение от нормы физико-химических свойств (плотности, вязкости, давления насыщенных паров, детонационной стойкости) приводит к производству некачественного бензина по причине отсутствия инструмента для корректировки характеристик смесевого бензина Вьетнама.

2. Оптимизация расхода потоков зависит от многих факторов: плотности, вязкости, давления насыщенных паров, детонационной стойкости, расхода смешиваемых потоков. Эта многофакторная задача наиболее эффективно решается методом математического моделирования с учетом реакционной способности углеводородов бензиновой фракции и технологических условий процессов приготовления товарных бензинов.

3. Оптимизацию процесса приготовления автомобильных бензинов обеспечивает вовлечение сопряженных процессов химического превращения углеводородных смесей в высокооктановые компоненты за счёт увеличения степени превращения н-алканов в изопарафины.

4. Завышенные показатели по октановому числу при производстве всех марок выпускаемого во Вьетнаме бензина (MOGAS 95 - 1 пункт, MOGAS 92 - 4,5 пункта, MOGAS 90-3 пункта) снижают ресурсоэффективность. Октановое число смешения бензина превышает требуемое по причине отсутствия инструмента для корректировки характеристик некондиционных партий бензина. Существующий компонентный состав не является оптимальными и нуждаются в корректировке.

5. Компонентный состав смешения для производства бензинов Премиум-95 (Евро 4), Супер-98 (Евро 5) должен включать добавки метил-трет-бутилового эфира в количестве (3-11% мае.). Повышение эффективности процесса приготовления автомобильных бензинов обеспечивает оптимизация направления потоков в реакторном блоке установки изомеризации за счет рециркуляции непревращенного н-пентана при переработке парафинистых нефтей.

6. Рециркуляция непревращенного н-пентана позволят повысить октановое число смеси на 2-3 пункта в зависимости от состава перерабатываемого сырья. При этом доля рециркулята в расходе может изменяться в интервале 20-30 % мае. в зависимости от содержания н-пентана в сырье.

7. Разработанная моделирующая система позволят провести расчет свойств (вязкость, плотность, ДНП, октановое число, содержание ароматических углеводородов) смесевого бензина при изменении состава смешиваемых потоков и требований к продукции.

Основные результаты опубликованы в работах:

1. Фан Фу, Иванчина Э.Д., Чекапцев Н.В., Кравцов A.B. Моделирование и методы расчета физико-химических свойств углеводородных систем // Известия Томского политехнического университета, 2010. - т.316 - № 3: Химия. - с. 58-62

2. Фан Фу, Смышляева Ю.А., Иванчина Э.Д., Кравцов А. В., Зыонг Ч.Т. Разработка базы данных по октановым числам для математической модели процесса компаундирования товарных бензинов // Известия Томского политехнического университета, 2011. - т.318 - № 3: Химия. - с. 75-80

3. Фан Фу, Смышляева Ю.А., Иванчина Э.Д., Киргина М.В., Долганов И.В., Кравцов A.B. Моделирование процесса приготовления товарных бензинов на основе учёта реакционного взаимодействия углеводородов сырья с высокооктановыми добавками // Нефтепереработка и нефтехимия. -М., 2012.-№4.-с. 3-8

4. Фан Фу, Ливак Е.И., Чеканцев Н.В. Математическая модель процесса изомеризации пентан-гексановой фракции с предварительной деизопентанизацией сырья и рециркуляцией нормальных парафинов // XV Международный научный симпозиум студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова. - Томск. -2011. - с.181-183

5. Фан Фу, Иванчина Э.Д. Разработка компьютерной моделирующей системы для расчета физико-химических свойств реагентов в процессах превращения нефтяных углеводородных систем // XVII Международный научный симпозиум студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова.-Томск.-2013.-с. 150-152

6. Фан Фу, Иванчина Э.Д., Чеканцев Н.В. Интеллектуальная система прогнозирования физико-химических свойств углеводородных нефтяных фракций // Химия и химическая технология в XXI веке: материалы XI Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов -Томск, ТПУ, 12-14 мая 2010. - Томск: Изд. ТПУ, 2010. - с. 30-31

7. Фан Фу, Иванчина Э.Д. Система моделирование физико-химических свойств Томской области // II Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» - Томск, ТПУ, 21-22 мая 2009. - Томск: Изд. ТПУ, - 2009. -с. 167-169

8. Фан Фу, Иванчина Э.Д. Разработка компьютерной моделирующей системы для расчета физико-химических свойств углеводородов // III Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» - Томск, ТПУ, 1921 мая 2010.-Томск: Изд. ТПУ, - 2010. - с. 194-196

21

9. Фан Фу, Иванчина Э.Д. Компьютерная моделирующая система для расчета давления насыщенных паров в зависимости от физико-химических свойств углеводородов II XV Международный научный симпозиум студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова. - Томск, 4-8 апреля 2011 -Томск. -2011. - с. 142 - 145

10. Фан Фу, Иванчина Э.Д., Смышляева Ю.А. Разработка компьютерных моделирующих систем для расчета давления насыщенных паров в процессах компаундирования товарных бензинов // 1-ая Международная Российско-Казахстанская конференция по химии и химической технологии - Томск, 2629 апреля 2011 - Томск.-2011. с. 819-822

11. Фан Фу, Иванчина Э.Д. Влияние физико-химических закономерностей на давление насыщенных паров товарных бензинов // V Научно-практическая конференция иностранных студентов, магистрантов и аспирантов ТПУ «Коммуникация иностранных студентов, магистрантов и аспирантов в учебно-профессиональной и научной сферах» - Томск, ТПУ, 18-22 апреля 2010.-с. 135-137

12. Фан Фу, Иванчина Э.Д. Система моделирования физико-химических свойств нефти Томской области // III Университетская научно-практическая конференция иностранных студентов, магистрантов и аспирантов НИ ТПУ «Коммуникация иностранных студентов, магистрантов и аспирантов в учебно-профессиональной и научной сферах» - Томск, ТПУ, 13-17 апреля 2009. - с. 112- 113

Подписано в печать 20.11.2013 г. Формат А4/2. Ризография Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 20/11-13 Отпечатано в ООО «Позитив-НБ» 634050 г. Томск, пр. Лешша 34а

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ НА ОСНОВЕ УЧЕТА УГЛЕВОДОРОДНОГО СОСТАВА ПАРАФИНИСТЫХ НЕФТЕЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВЬЕТНАМА

05.17.08 - «Процессы и аппараты химических технологий»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Иванчина Э.Д.

На правах рукописи

04201453470

ФАН ФУ

Томск-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ТОВАРНЫХ БЕНЗИНОВ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РЕАГЕНТОВ............................................................................................................9

1.1. Краткий исторический обзор.......................................................................10

1.2. Методы определения химического состава светлых нефтепродуктов.....15

1.3. Основные понятия и определения метода математического моделирования физико-химических свойств веществ......................................19

1.4. Анализ методов расчета физико-химических свойств углеводородных систем..................................................................................................................23

1.4.1. Методы расчета плотности................................................................23

1.4.2. Методы расчета вязкости...................................................................27

1.4.3. Методы расчета давления насыщенных паров...................................31

1.4.4. Стандартная температура кипения индивидуальных углеводородов

и нефтяных фракций.......................................................................................33

1.4.5. Исследование методов моделирования критических и стандартных физико-химических констант углеводородов................................................34

1.5. Математические модели для расчета октановых чисел бензинов

по физико-химическим показателям.................................................................37

1.6. Постановка задачи исследования................................................................40

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СМЕСЕЙ

В ПРОЦЕССЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ............42

2.1. Методология построения математической модели с использованием стратегии системного анализа............................................................................42

2.2. Модель расчета плотности..........................................................................54

2.3. Модель расчета вязкости.............................................................................57

2.4. Модель расчета давления насыщенных паров...........................................58

2.5. Модель расчета процесса изомеризации....................................................60

2.5.1. Изомеризаг^ия легких бензиновых фракций..........................................60

2.5.2. Кинетическая модель процесса изомеризации пентан-гексановой фракции углеводородов...................................................................................64

2.6. Компьютерная моделирующая система для процесса приготовления автомобильных бензинов...................................................................................69

2.6.1. Теоретические основы построения моделирующих программ...........69

2.6.2. Структура и основные блоки компьютерной моделирующей системы ..........................................................................................................................72

Глава 3. ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗРАБОТАННОЙ МОДЕЛИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ

.................................................................................................................................77

3.1. Основные тенденции и современные проблемы производства автомобильных бензинов...................................................................................77

3.2. Технологическая схема нефтеперерабатывающего завода Вьетнама.......82

3.3. Повышение эффективности работы процесса приготовления автомобильных бензинов...................................................................................89

3.3.1. База данных по октановым числам индивидуальных углеводородов

и расчеты физико-химических свойств потоков смешения.........................89

3.3.2. Расчет рецептур смешения товарных бензинов с помощью разработанной моделирующей системы.......................................................95

3.3.3. Расчет состава и свойств бензинов с учетом требований экологических стандартов, предъявляемых к физико-химическим свойствам бензинов.........................................................................................98

Глава 4. РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ С УЛУЧШЕННЫМИ ЭКОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ В УСЛОВИЯХ ВЬЕТНАМА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ.....................................103

4.1. Переход производства бензинов по вьетнамским стандартам

на евростандарты..............................................................................................103

4.2. Технологии изомеризации, используемые в промышленности..............104

4.2.1. Схема однопроходной изомеризаг^ии..................................................104

4.2.2. Изомеризация с колонной дезогексанизации (ДИГ)...........................106

4.2.3. Процессы с разделением на молекулярных ситах..............................107

4.3. Оптимизация технологической схемы для повышения выхода товарного бензина..............................................................................................................111

ВЫВОДЫ..............................................................................................................116

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................118

Приложение А......................................................................................................130

Приложение В......................................................................................................130

Приложение С......................................................................................................131

Приложение D......................................................................................................132

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных задач, стоящих перед промышленными процессами нефтепереработки на современном этапе её развития, является повышение эффективности переработки нефти и качества выпускаемых нефтепродуктов. В решении этой задачи большая роль отводится оптимизации процесса приготовления автомобильных бензинов, который является завершающим и наиболее ответственным в формировании качественных и количественных показателей товарной продукции.

Современные автомобильные бензины представляют собой смеси компонентов, получаемых в результате различных технологических процессов. Физико-химические и товарные свойства автомобильных бензинов зависят от углеводородного состава сырья и технологии их получения. Актуальным сегодня является определение оптимальных рецептур смешения компонентов и аппаратурного оформления процессов, которые зависят от углеводородного состава перерабатываемого сырья, а также структуры потребления отдельных нефтепродуктов.

В процессе компаундирования высокооктановых автомобильных бензинов вовлекается большое число компонентов углеводородных потоков (риформат, изомеризат, бензин каталитического крекинга, бутан-бутиленовая фракция (углеводороды СД метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ)). Наличие такого большого числа компонентов приводит к сложностям оптимизации состава потоков и конструкции аппаратов. Решение этой многоплановой задачи возможно путем использования метода математического моделирования как эффективного способа решения многофакторных и многокритериальных задач, который в настоящее время является актуальным научным направлением для оптимизации схемы эксплуатации промышленных заводов.

Требования, предъявляемые сегодня к высокооктановым автомобильным бензинам, предусматривают выпуск только неэтилированных бензинов, а также

накладывают ограничения на содержание ароматических углеводородов, бензола, олефинов и непредельных углеводородов.

Дальнейшее совершенствование процесса приготовления автомобильных бензинов возможно за счет оптимизации рецептур смешения и схемы переработки, которая зависит от углеводородного состава нефти. При переработке парафинистых нефтей повышается значимость процесса депарафинизации дизельных фракций и изомеризации прямогонных бензинов.

Ранее на кафедре Химической технологии топлива и химической кибернетики Национального исследовательского Томского политехнического университета была разработана компьютерная моделирующая система, позволяющая рассчитать октановые числа на основе учета межмолекулярных взаимодействий между углеводородами бензиновой смеси. Дальнейшие исследования показали, что для оптимизации процесса приготовления товарных бензинов необходимо учитывать комплексные характеристики бензинов, такие как плотность, вязкость, давление насыщенных паров, содержание бензола и ароматических углеводородов. Возникла необходимость создания новых компьютерных систем, которые позволяют рассчитывать все физико-химические свойства компонент смесей, а также оптимизировать структурную схему процессов приготовления товарных бензинов.

Данная работа выполнена в соответствии с программой развития ГОУ ВПО НИ ТПУ в рамках научного направления Томского политехнического университета «Разработка научных основ математического моделирования и оптимизация технологий подготовки и переработки горючих ископаемых и получения энергетических топлив».

Таким образом, оптимизация процесса приготовления автомобильных бензинов на основе учета углеводородного состава парафинистых нефтей месторождений Вьетнама является актуальной задачей, наиболее эффективно решаемой методом математического моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установленные закономерности процесса приготовления автомобильных бензинов из парафинистых нефтей месторождений Вьетнама обеспечили создание и применение системы моделирования, что позволило увеличить глубину превращения сырья на 2-3 %.

2. Установлено, что для оптимизации процесса приготовления товарных бензинов при переработке высокопарафинистых нефтей необходимо увеличить глубину переработки пентан-гексановой фракции за счет изменения структуры реакторного блока. Установлен интервал изменения доли рециркулята в расходе (19,0-25,4 % мае.) при изменении содержания алканов в исходном потоке (от 27,23 до 28,93 % мае.)

3. Установлено, что низкооктановые бензины MOGAS 90, MOGAS 92, MOGAS 95 по содержанию бензола, ароматических углеводородов, олефинов, плотности, вязкости и давлению насыщенных паров соответствуют стандартам Вьетнама. Для производства бензинов Премиум-95 (Евро 4), Супер-98 (Евро 5) необходимо вовлечение в процесс смешения метил-трет-бутиловый эфира в количестве от 3 до 11 % в зависимости от углеводородного состава перерабатываемого сырья и технологических режимов процессов каталитического крекинга, рифоминга и изомеризации.

Результаты работ представляют большую практическую ценность:

1. Разработана и внедрена на предприятиях ПетроВьетнам Компании «Центр прикладных исследований и Технических сервисов» Вьетнама компьютерная моделирующая система для расчета основных показателей компаундируемых потоков, таких как плотность, вязкость, давление насыщенных паров, а также их расходов при приготовлении бензинов требуемых марок. Разработанная система позволяет прогнозировать технологические параметры для изучения физико-химических характеристик и оценки их влияния на процессы переработки, что позволяет предусматривать необходимые меры по предотвращению технических и экологических проблем.

2. Технологическая моделирующая система, учитывающая индивидуальный углеводородный состав, позволяет оценить эффективность переработки бензиновых фракций в процессах изомеризации и компаундирования. Концентрации индивидуальных углеводородов фракции н.к-62 °С используется в качестве входных параметров в программе расчета процесса каталитической изомеризации, продуктом которой являются высокооктановые изокомпоненты, применяемые для приготовления бензина.

3. Показано, что система моделирования адекватно описывает функциональные зависимости свойств углеводородов от технологических условий. Программная реализация алгоритма осуществлена в среде Delphi 7.0, с использованием которой проведена оценка физико-химических и товарных свойств нефтепродуктов. Погрешность расчетов не превышает 4-5 %, что сопоставимо с погрешностью хроматографического анализа.

4. Программный продукт реализует способ обработки экспериментальных данных, позволяющий оперативно проводить расчеты физико-химических свойств нефти. Модульный принцип построения компьютерной моделирующей системы обеспечивает возможность накопления и систематизации информации. Результаты внедрены на предприятиях ПетроВьетнам и «ЗунгКуат НПЗ» Вьетнама, получен акт о внедрении.

5. Разработанная компьютерная моделирующая система реализована также на кафедре Химической технологии топлива и химической кибернетики Национального исследовательского Томского политехнического университета и внедрена в учебный процесс для проведения лабораторных работ по дисциплине «Компьютерные моделирующие системы», курсового и дипломного проектирования по специальности «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».

ГЛАВА 1.

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ТОВАРНЫХ БЕНЗИНОВ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ РЕАГЕНТОВ

Товарные качества нефти и нефтяных фракций характеризуются фракционным и химическим составом, а также другими показателями их физико-химических свойств, которые входят в ГОСТы на товарные нефтепродукты и непосредственно характеризуют их эксплуатационные свойства. Знание показателей физико-химических свойств нефти и её фракций необходимы для проектирования нефтезаводской аппаратуры, лабораторного контроля и автоматического регулирования технологических процессов В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности данные о физико-химических свойствах углеводородов, их смесей и нефтяных систем являются необходимыми при научно-исследовательских и проектных работах.

Стремление заменить экспериментальное изучение свойств соединений математическими моделями объясняется тем, что количественный расчет позволяет обойти технические трудности, возникающие при экспериментальном изучении процессов приготовления товарных бензинов. Наличие надежных расчетных методов и построенных на основе их использования систем моделирования позволяет решить одну из главных задач химической технологии - получение продуктов с требуемым набором физико-химических характеристик. С нарастанием системной сложности химических технологий становится объективно необходимым развитие методов автоматизированного управления технологическими процессами и предприятием в целом.

1.1. Краткий исторический обзор

Р. Бойлем и Мариоттом в 1662 г. было положено начало исследований физико-химических свойств (ФХС) газов (закон Бойля-Мариотта), в 1787 г. Шарлем и 1802г. Гей-Люссаком был предложен закон Шарля-Гей-Люссака, Клапейроном в 1834г. - закон идеального газового состояния, Каньялом дела Туром в 1822 г., было открыто явление критического состояния, Энрюзом в 1863г. были проведены обстоятельные исследования критического состояния. В 1873г. Ван-дер-Ваальс опубликовал свою знаменитую работу о непрерывности газового и жидкого состояния, в которой впервые было предложено уравнение состояний. В дальнейшее развитие теоретической химии существенный вклад внес A.M. Бутлеров разработкой в 1861 г. теории химического строения. Затем на её основе были проведены обстоятельные исследования ФХС веществ такими учеными как, Брюл, Томсен, Паскаль, Фаянс, Цан, Тейлор, Пигнокк и др. [1]. Обзор и теоретические обобщения основных работ этого направления даны в монографии [2]. Наряду с экспериментальными методами математическое моделирование является неизбежной составляющей научно-технического прогресса в области разработки новых способов определения и исследования ФХС [3].

Химический состав нефтей определяется:

• химическим составом веществ, из которых образовалась нефть;

• возрастом нефти;

• свойствами веществ, с которыми нефть соприкасается в пласте, -смешивающимися с нефтью породами, контактирующими с нефтью водами и газами;

• физическими условиями в пласте - температурой и давлением;

• воздействием на нефть в пласте микроорганизмов.

Возможно влияние и других фактор, например различие химического состава нефтей разных месторождений.

С позиции переработки основные характеристики нефтей - фракционный состав и химический состав фракций.

Серосодержащие соединения

Бензины нефтей всех месторождений содержат серу. В большинстве случаев содержание серы в бензине значительно меньше 5 % от серы нефти, исключения (например, ергачинская нефть, Пермская область) весьма редки. Для бензинов большинства нефтей содержание серы находится в пределах 0,01 - 0,5 %. На территории бывшего СССР самые сернистые нефти сосредоточены в Башкирии. Ниже показано распределение нефтей Башкирии по содержанию серы во фракциях до 200 °С (в % к общей сере) (т