автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка компьютерной системы контроля качества светлых нефтепродуктов на основе моделирования и экспресс-анализа их фракционного состава

ПОЛОЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

УДК 665.7.035.001.57:681.3(043)

СПИРИДОНОВ Александр Владимирович

РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВЕТЛЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА ИХ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА

Специальности: 05.17.08 - процессы и аппараты химической технологии 05.13.07 - автоматизированное управление технологическими процессами (в промышленности)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новополоцк 1998

Работа выполнена в Полоцком государственном университете

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор АБЛЕВ Г.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ЛЯХЕВИЧ Г.Д.

кандидат технических наук, доцент ОСЬКИН А.Ф.

Оппонирующая организация - ПО «Нафтан» (г. Новополоцк).

Защита состоится 23 декабря 1998 г. в /6' час, на заседании совета по защите диссертаций К 02.19.01 при ПГУ (211440, г. Новополоцк, ул. Блохина, 29) в конференц-зале библиотеки ПГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГУ.

Автореферат разослан «ЛС» ноября 1998 г.

Учёный секретарь совета по защите диссертаций:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

>■

Актуальность темы диссертации заключается в разработке научных основ создания компьютерного комплекса на базе моделирования фракционной разгонки светлых нефтепродуктов (ФРН), по результатам соответствующей ГОСТу 2177-82 (международный стандарт А5ТМ-086), и на её основе решение различных задач оперативного контроля и управления качеством нефтепродуктов.

Связь работы с крупными научными программами, темами

1. Моделирование в нефтепереработке на основе математического моделирования фракционной разгонки нефтепродуктов. План поисковых и фундаментальных НИР Минобразования РБ 1993-1994 гг.

2. Разработать и внедрить в учебный процесс автоматизированный курс для расчёта свойств нефтепродуктов на основе данных их фракционной разгонки. По заданию Фонда информатизации РБ, выполнялась в 1995-1997 гг.

3. ОНТГ1 ГКНТ РБ по метрологической аттестации компьютерного комплекса (выполняется в 1998 году).

Цель и задачи диссертации: разработать теоретическое обоснование компьютерного комплекса качества светлых нефтепродуктов по данным экспресс-анализа фракционного состава и плотности.'

Задачи исследования:

1. Разработка методики учёта влияния динамических погрешностей системы измерения температуры, возникающих при проведении стандартной ФРН.

2. Разработка экспресс-методики определения фракционного состава светлых нефтепродуктов.

3. Разработка экспресс-анализатора фракционного состава нефтепродуктов и создание на его основе компьютерного комплекса качества светлых нефтепродуктов для решения аналитических и технологических задач.

4. Разработка методов расчета ИТК (истинной температуры кипения) по данным ФРН

5. Алгоритмизация расчёта физико-химических свойств нефтепродуктов на основе фракционного состава или ИТК и плотности.

Объект и предмет исследования:

- процессы постепенной перегонки светлых нефтепродуктов при разной интенсивности кипения;

- факторы, влияющие на погрешности, возникающие при проведении ФРН; разрабатывались методы учёта и пути их. снижения;

- тепловые и гидродинамические процессы, происходящие в перегонной колбе при постоянной мощности нагрева;

- закономерность взаимосвязи ФРН и ИТК нефтепродуктов.

Методология и методы проведённого исследования

1. Экспериментальные исследования ФРН и ИТК нефтепродуктов.

2. Математическое моделирование процессов, происходящих при постепенной перегонке нефтепродуктов.

3. Разработка компьютерных программ для обработки экспериментальных данных и управления созданным компьютерным комплексом.

Научная новизна диссертационной работы включает:

1. Установление закономерностей изменения температур при переходе от жидкой фазы к паровой в условиях постепенной перегонки нефтепродукта.

2. Установление взаимосвязи ФРН и ИТК с учётом динамических погрешностей системы измерения температуры при проведении ФРН.

3. Разработку методов идентификации характеристик ФРН по данным экспресс-анализа (на основе измерений температуры выкипающей фракции и давления паров в колбе).

4. Создание программного обеспечения, с помощью которого:

а), на основе данных о фракционном составе или ИТК и плотности после их обработки можно рассчитывать физико-химические свойства нефтепродуктов, а также использовать его для решения технологических задач;

б), возможно осуществлять управление работой анализатора.

Практическое значение диссертационной работы состоит в разработке компьютерного комплекса, основанного на моделировании ФРН, а также новых математических моделей и методов, позволяющих в течение 5-10 минут определять фракционный состав, плотность и рассчитывать другие показатели качества нефтепродуктов. Созданный компьютерный комплекс может быть использован для сбора и анализа информации о технологических процессах в нефтепереработке, в частности, с целью решения задач управления, компаундированием нефтепродуктов и ректификацией нефти.

Личный вклад соискателя состоит в разработке методов учёта динамических погрешностей систем измерения температур при проведении ФРН, разработке научных основ экспресс-методики и экспресс-анализатора фракционного состава нефтепродуктов; создании на их основе компьютерного комплекса для анализа качества нефтепродуктов; разработке программного обеспечения для управления работой данного комплекса.

Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации докладывались на научно-технической конференции ПТУ (г. Новополоцк, 1995 г.), международной научно практической конференции "РЭК Нефтехим-1" (г. Новополоцк, 1997 г.), научно-технической конференции ПГУ (г. Новополоцк,

1997 г.), III международной научно-технической конференции (г. Гродно,

1998 г.). Макет компьютерного комплекса был представлен на республикам-

ской выставке "Белвузпаука - 97" (БГУИР, г. Минск), международной специализированной выставке "Химия, нефть и газ" (г. Минск, 1998 г.).

Оп убл и кован ность рсзул ьтатов. По результатам работы имеется 6 публикаций в ведущих научно-технических журналах (рецензируемых), опубликовано 5 тезисов докладов, 2 статьи направлены для опубликования, подана заявка на патент.

Структура и объём диссертации. Диссертация содержит общую характеристику работы, введение, 5 глав, заключение, список литературы и приложения. Работа изложена на 190 страницах машинописного текста (из них 80 страниц - приложения), содержит 28 таблиц, 40 иллюстраций, 6 приложений. Библиография включает 115 литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен обзор литературы по следующим направлениям:

- физико-химические свойства нефтепродуктов, их взаимосвязь с фракционным составом и плотностью;

- перегонка и ректификация, математические модели ФРН, НТК и ОИ (однократное испарение);

- анализаторы фракционного состава нефтепродуктов;

- компьютерные системы и АСУ перегонкой, ректификацией и компаундированием нефтепродуктов.

На основании литерату рного обзора можно сделать следующий основной вывод. Несмотря на большое число работ, связанных с анализом фракционного состава и управлением процессами ректификации в нефтепереработке, а также трудов ПГУ по моделированию ФРН, до сих пор не создана компьютерная система на основе моделирования ФРН, позволяющая оперативно решать аналитические и технологические задачи.

Вторая глава посвящена разработке методики учёта динамических погрешностей системы измерения температуры, которые возникают при проведении стандартной ФРН. Искажения, делающие невозможным эффективное применение моделирования ФРН, вносит запаздывание показаний стеклянного термометра. На рис.1 представлено расположение кривых фракционных разгонки топлива реактивных двигателей ТС-1, полученных с помощью двух термометров ТН-7 (ГОСТ 400-80); инерционного и менее инерционного. Из рис.1 видно, что некоторое различие инерционности термометров одного ГОСТа, может привести к ошибке при измерении температуры в 3+8 СС. Методика проведения ФРН строго регламентирована ГОСТом и не предусмат-

ривает изменения системы измерения температуры применением безынерционных датчиков. С другой стороны, эффективное решение задач на основе

моделирования ФРН требует знания кривой, не искаженной инерционностью термометра Это ставит задачу разработки методики, учитывающей искажающее влияние теплопри-емника термометра при проведении ФРН, т.е. необходимо сохранить ФРН в рамках соответствия ГОСТу и в то же время располагать данными об истинной температуре,

С целью изучения влияния динамических погрешнос-

140 160 180 200 220 240 t,'С

Рис I. Фракционная рачгонка топлива ТС-1.

тей, возникающих при проведении ФРН, была проведена серия экспериментов с различными нефтепродуктами и их смесями: от бензиновых фракций ло дизельных топлив, для которых параллельно выполнялись фракционные разгонки по ГОСТу с замером температуры паров в горловине колбы, в кипящей жидкости и над ней. Следует отметить, что существенных различий между показаниями стеклянного термометра ТН-7 и малоинерционной термопары при предварительном замере температуры кипящей жидкости в процессе фракционной разгонки не наблюдалось. Зависимость разности температур (Л/,) между жидкой фазой и паром над жидкостью от доли отгона (V) для различных топлив представлена на рис. 2, а зависимость разности температур (|10,.) между паром над жидкостью и паром около пароотводной трубки (согласно ГОСТу 2177-82) от доли отгона - на рис. 3.

Характер расположения этих кривых обусловлен составом фракций и инерционностью -системы измерений температуры. Формула, учитывающая разность температур между жидкостью и паром около пароотводной трубки, имеет вид:

&в1=Ы1 + А(1 (I)

Представив эти кривые в виде степенных функций и произведя обработку экспериментальных данных по методу наименьших квадратов (МНК), формулу (1) можно представить в виде:

- '1и,Г(1 - 'Г(!;)" + 4('»Ч - 20)", (2)

где

укк IНК }\ /. \] I /.

иг _ __ляС - *)) I 'С - п

1 +

а(1 - у\

*-нку - температура начала и

конца кипения нефтепродукта; / - текущая температура кипения; »'- объёмная доля отгона нефтепродукта; а - показатель симметричности кривой ФРН; к - показатель интенсивности ФРН.

25 20 О 15

5 0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1-у

0 0,2 0,4 0,6 0.8 1 Доля отгона (у)

Рис. 2 Зависимость разности температур рнс з Зависимость разности температур между кипящей жидкостью и паром над между Паром над жидкостью и пзром около

этом жидкостью от доли отгона.

пароотводной трубки от доли отгона

В результате обработки экспериментальных данных по МНК были определены коэффициенты уравнения (2), приведенные в таблице 1.

Таблица 1

Коэффициенты уравнения (2)

Коэффициенты Паровая фаза (по ГОС- Жидкая фаза

Ту)

Ао 0,268 0,311

А, 0,01 0,009

Ср. кв. отклонение, °С 2,8 3

Таким образом, на основании методики, предложенной в данной главе, могут быть решены следующие задачи:

1. Расчет температур жидкой фазы на основе данных ФРН для паровой фазы (по ГОСТу), что важно для решения различных технологических задач.

2. Восстановление ФРН (по ГОСТу) на основе данных безынерционного (малоинерционного) замера температуры в жидкой фазе, что важно для использования общепринятой методики оценки качества нефтепродуктов. Обе операции необходимы, если решать задачи компьютеризации в нефтепереработке на основе фракционной разгонки нефтепродуктов, а также при создании компьютерного комплекса на основе моделирования ФРН.

Третья глава посвящена разработке экспресс-анализатора фракционного состава нефтепродуктов и созданию на его основе компьютерного комплекса для прогнозирования качества светлых нефтепродуктов. В основе её заложены проектно-технологические расчёты основных узлов анализатора. Идея создания комплекса заключалась в следующем:

1) анализ характеристик нефтепродукта с помощью датчиков, где измеряются всего два параметра - температура кипения и расход паров (по перепаду давления паров перед диафрагмой на входе в конденсатор);

2) вычисление по этим двум параметрам, посредством специально разработанных алгоритмов, параметров модели ФРН (1т:, ¿кк, а, к) н значений фракционного состава, соответствующего ГОСТу 2177-82;

3) решение с помощью специальных алгоритмов различных технологических задач нефтепереработки: прогнозирование физико-химических свойств нефтепродуктов, контроль качества прямогонных дистиллятов и на их основе корректировка режимов работы ректификационных колонн.

Прототипами данного анализатора являются аппараты стандартной фракционной разгонки светлых нефтепродуктов. Для проектирования экспресс-анализатора фракционной разгонки светлых нефтепродуктов необходимо было объём исходной пробы уменьшить до 10 мл, но чтобы при этом были соблюдены следующие условия:

- для обеспечения оптимального режима постепенного испарения необходимо, чтобы площадь зеркала испарения, а также теплонапряжённость дна колбы приблизительно соответствовали этим значениям как и при проведении стандартной ФРН;

- конденсатор-холодильник должен обеспечивать конденсацию низкокипя-щих фракций и снижение выбросов паров в окружающую среду;

- электронагреватель должен обеспечивать максимально необходимую мощность нагрева (с небольшим запасом), при необходимости должен быстро остывать; импульсное питание электронагревателя должно обеспечивать повышенную помехозащищённость.

На основе расчётов был спроектирован и изготовлен на заводе "Измеритель" (г. Новополоцк) компьютерный комплекс, включающий в себя ПЭВМ и экспресс-анализатор фракционного состава светлых нефтепродуктов. Экспресс-анализатор состоит из основных блоков: силовой блок, изме-

рительно-регулирующий, нагрева, конденсации и охлаждения, которые объединены в общую конструкцию, и имеет следующую техническую характеристику:

1. Время готовности после включения в сеть 3 мин.

2. Максимальное время нагрева пробы до падения 1-ой капли 3 мин.

3. Время дистилляции (шах) 3 мин.

4. Время для подготовки к анализу следующей пробы 3 мин.

5. Выход дистиллята 93+94 %

6. Диапазон измерения температур кипения светлых нефтепродуктов (для жидкой фазы) 30+400 °С

7. Воспроизводимость показаний (отклонения) до:

а) для температуры начала кипения 4

б) для температуры текущих точек 2 °С

8. Напряжение питания 220 В

9. Потребляемая мощность 300 Вт

В четвёртой главе изложены методы идентификации параметров ФРН на основе её экспресс-анализа. В создаваемой системе оказалось возможным и целесообразным следующее:

- измерять температуру продукта в ходе проведения ФРН в жидкой фазе малоинерционной термопарой, а затем пересчитывать ее в показания по паровой фазе согласно ГОСТу 2177-82;

- не поддерживать постоянной скорость ФРН;

- измерять долю отгона, интегрируя данные о расходе паров по перепаду давления в течение ФРН.

Анализ теплового баланса для колбы-испарителя показал, что изменение температуры по времени (г,) подчиняется следующему условию:

dt} ( dt Л ( dt

dvj

нагрев без >

dr {нагрев _с >\dr )погрев _ с

жидкости жидкостью жидкостью + испарение

Таким образом, с момента начала ФРН должно отмечаться резкое снижение 7" и возникновение минимума по Т", что и наблюдается практически (см. рис. 4). Т" соответствует начальному участку изотермической области на кривой 1=Я/Г() и соответствует началу роста давления паров.

Окончание ФРН должно сопровождаться значительным ростом Т' и возникновением экстремума вследствие снижения количества пробы. Одпако в конце перегонки вследствие зазора (»1мм) между чувствительным элементом термопары и дном колбы на кривой изменения температуры по времени

появляется изотермический участок, начало которого приводит к возникновению минимума по Т". Это хорошо видно по экспериментальным данным. Очевидно, что определение температуры начала кипения (Т ) и особенно

температуры конца кипения по Т' или по Т" требуют:

- предварительного усреднения и сглаживания данных по Т' и Т";

- правильного выбора режима нагрева, который выбирается, исходя из предполагаемой фракции.

Время, с

Рис. 4. График зависимости перепада давления перед диафрагмой, темперагуры -жидкой фазы, производных Т и Т* по времени при фракционной разгонке топлива ТС-1

Результаты обработки экспериментальных данных по этой методике приведены в табл. 2

Таблица 2

Проверка воспроизводимости по Тик и Т^ .

Фракция т" ' ПК

среднее диспер- крит. среднее диспер- крит.

значение сия Кохрена значение сия Кохрена

Бензин 75,5 7,5 155,5 0,8

ТС-1 168,8 0,5 0,603 214,7 3,8 0,452

Д/топливо' 246,4 4,4 364,3 3,8

Критическое значение критерия Кохрена 0^=0,798 (с числом степеней свободы'1=4-1=3), т.е. расчётные значения критерия Кохрена меньше критического (вр< С|ф), следовательно результаты воспроизводимы.

Как отмечалось выше, измерение доли отгона осуществляется на основе интегрирования данных показаний тензодатчика, который измеряет давление перед капилляром (диафрагмой), установленным до холодильника. Так как скорость в ходе ФРН не регулируется, показания тензодатчика последовательно возрастают, проходят через максимум, а затем снижаются (см. рис. 4), т.е. диапазон рабочих сигналов тензодатчика времени соответствует интервалу Тик и 7" (с учетом сдвига ЛГ|).

Для расчёта доли отгона (объёма) по перепаду давления был составлен материальный баланс процесса перегонки. Исходя из материального баланса и уравнения Дарси-Вейсбаха, представив величину скорости паров^) в виде

функции перепада давления у? = /(Др®'^), было получено уравнение для вычисления объёма отогнанной пробы нефтепродукта:

Рассчитав величину VIА для разных нефтепродуктов (см. рис. 5) с различными объёмами проб, получили не совпадающие между собой прямые. Это по-видимому связано с непостоянством гидродинамического режима (ламинарный или турбулентный) в ходе разгонки и наличием остатка в колбе. Это привело к необходимости анализа гидродинамических режимов движения паров и уточнения уравнения (3). Представив величину V в виде функции

*> = / Др I, характеризующем переходный гидродинамиче-

ский режим (0,5 2 0,5(1 + ехр(-ш • &р)) < 1), получим

59-3,163-10~2Т~0'159+Ц28- Ю-47й'84^ (4)

0

Рис. 5. объёма

О 3 6 9 12 15 18 объём пробы, мл

Зависимость величины интеграла (2) от пробы нефтепродуктов.

Значение коэффициента ш можно вычислить для двух и более заранее

известных объёмов У и К,. Из материального баланса У =У.+У

12 пр о ост

у тг.Ар2уг,

можно получить —-—— - -2-

К-У г,

ПТ Л^

1 о™ //(Г, АР.)-л,

О

где К , У , У - объёмы исходной пробы, дистиллята, прошедшего через пр о ост

диафрагму, остатков в колбе (на стенках и в парах) и под термопарой, мл. Объём остатков в колбе (приближённый) определялся по формулам, полученным на основе уравнения (4)

V

ост

'г

¡ЯТ,Ар)с1 г- 1/(7\Д/>)-</г, О О

где величина времени соответствующая полному испарению, т - время,

соответствующее минимальному значению в конце кипения. Величина ш определялась методом последовательных приближений с учётом среднеквадратичного отклонения, т.е. т=0,14.

Для расчёта долей отгона (в интервале температур I = ) на

пК ЛЛ

основе материального баланса относительно поверхности испарения У = ^^^^ост + ^'ос/ц ®ыл0 получено следующее выражение:

г. /

У ■+УСП1 у уст у /ЛГ'АР)-</1'1 уст ,,д ост д , ост__д 0_, ост

у —Г"+ - У~' ()

пр пр пр пр КК пр

О

где - объём остатка в колбе (в паровой фазе и конденсат наценках),

т.е. испарившийся объём, не прошедший через диафрагму; У^ - величина

остатка в зазоре под т ермопарой.

В процессе дистилляции и в момент окончания кипения (при

¿1 <1т;

► тт)

К +Г'

ост. .

; при полном испарении V -

у*уст- +Ут

о ост. ост

■Л. Величина

V V

пр. пр.

температуры, соответствующая полному испарению, определяется экстрапо-ляционным методом аналогично методикам расчёта полного (100%-го) отгона для стандартной ФРН. Как видно из уравнения (5), неизвестными величи-

нами являются соотношения V

/V

и Уст- У . Для расчёта этих ""■п./ —

величин можно представить формулу (5) в виде линейного уравнения, где соотношение интегралов - аргумент, а величину V примем по данным стандартной ФРН (эталонная фракция). Для расчёта коэффициентов уравнения предварительно вычислим эти значения, задав температурный интервал от

.1гц, до !{{,. Обработав по МЯК, получаем значения искомых величин (см пК КК

табл. 3).

Расчёт величин V

д_1/ пр.

ст. ост.

■/у

" / пр.

Таблица 3

Фракция д_1/ пр. уст. ¡у ост.) пр.

Бензин 0,935 0,0039

ТС-1 0,912 0,0241

Дизельное топливо 0,923 0,0364

Как показали расчёты, значения величины Уст- /У отличаются для

ост.! пр.

различных топлив. Представив эту величину как функцию температуры кипения, можно получить уст у =0,0017(I, -20). Величины

ост./ пр. кип

V^ -^¡^пр иезначительно отличаются друг от друга. Поэтому можно принять для всех фракций среднее значение этой величины,- т.е. У^ г!Упр ~ Подставив в формулу (5) численные значения, приведенных выше величин объёмов, получим ,

> = 0,925--

О '

.+ 0,0017(^ -20)

(6)

Результаты расчёта параметров ФРН по данной формуле приведены в табл. 4.

Таблица 4

Среднеквадратичное отклонение по контрольным точкам фракционной разгонки светлых нефтепродуктов на контрольных образцах.

Параметр Контрольная точка (температура) кипения,"С

^нх 1)0% 190% 19*%

Воспроизводимость по экспресс-анализу 6,4 2,4 2,0 1,9 3,7

Сходимость по экспресс-анализу 1,9 1,8 1,5 1,2 1,6

Воспроизводимость по ГОСТу 2177-82 7 6 3 7 10

Сходимость по ГОСТу 2177-82 2 2 2 2 3

Приведенные в таблице 4 результаты экспресс-анализа примерно соответствуют сходимости и не превышают допустимые значения воспроизводимости поГОСТу 2177-82. ,

Пятая глава посвящена решению задач нефтепереработки на основе созданного компьютерного комплекса:

1. Определение фракционного состава нефтепродуктов и его соответствие ГОСТу 2177-82. На основе методик расчёта параметров кривой ФРН по данным экспресс-анализа (глава 4) и пересчёта её в стандартную ФРН ( глава 2) создана программа для расчёта фракционного состава светлых нефтепродуктов на основе экспериментальных данных температур и давлений.

2. Расчёт физико-химических свойств нефтепродуктов на основе их фракционного состава и плотности. Анализ литературных источников (глава 1) показал, что к настоящему времени накоплен обширный материал (формулы) для расчёта некоторых физико-химических свойств светлых нефтепродуктов на основе их фракционного состава и плотности. На основе приведенных в главе 1 формул была создана программа для расчёта этих свойств.

3. Построение кривой ИТК по данным ФРН с учётом динамических погрешностей системы измерений температуры. В связи с созданием компьютерного комплекса нами были рассмотрены варианты построения ИТК по данным ФРН. В литературных источниках приведены различные методы расчета ИТК по данным ФРН, среди которых наиболее точным является метод Эдмистера. Однако он, как и большинство других методов, является графическим. Графические методы расчёта ИТК неудобны при использовании ЭВМ, что в свою очс(>сдь вызывает затруднение для их применения. Данные

методики могут быть использованы для машинных расчётов, но при условии описания уравнениями кривых зависимости НТК от ФРН.

Для разработки методики построения кривых НТК по данным ФРН был проведён графический анализ их взаимного расположения. На рис. 6 представлены кривые ФРН и НТК для топлива ТС-1 с замером температуры в паровой •> и жидкой (на дне куба-

В данной работе построение кривой НТК основано на представлениях о математической модели ФРН. Рассмотрим характер отклонения разности температур (А!) кривых ИТК от конечной точки кипения при любой доле отгона. Во всех случаях & имеет максимальное значение в начале кипения (при \'=0) и в конце кипения Д1->0 (при у~»1 ). Анализ экспериментальных данных показал, что для любого сечения V существует зависимость, которая в логарифмических координатах будет иметь вид прямой линии

испарителя) фазах. Как видно из графиков, температуры конца кипения для ФРН (в жидкой фазе) и ИТК близко расположены друг к другу. Таким образом, температура конца кипения по ИТК приблизительно равна температуре конца кипения ФРН в жидкой фазе (т.е. состав "последней капли" ИТК приблизительно соответствует составу "последней капли" ФРН (в жидкой фазе).

70 110 150 190 230 Температура, 'С

Рис. 6 Фракционная разгонка и ИТК топлива ТС-1

Следовательно (метод 1 ):

к ,итк _f<pm timc .. „ ,, где — /„ , К, и и, - коэффициенты.

Величины, входящие в эти уравнения, определяются по формулам, которые были получены на основе обработки экспериментальных данных:

ЛС =190^1-е-0'012^^,

/Г — /.<ыч1 \ ( яг"

' <ыч/ ~ К'кк ' ПК ) 3

Т Л. '/«" (I + ОТ )(1 + г)

и, = 0,494-7,817——-176,9 А/..„„

У^Д'фРП J

-838,6

( I \

ак

V ^'фж J

К, = 1,464 -10,02 • п, + 46,54 • и,г - 41,79 • л,3

Кроме того, нами предлагается другой метод (метод 2) построения НТК по данным ФРН, аналогичный методу Эдмистера, основанный на представлении нефтепродукта как смеси непрерывного состава, разбитого по интервалам выкипания /|0%, 15()% и Для определения величин и по экспериментальным данным были-построены их графики зависимостей от АоСГ - С'.Г и • В результате обработки этих зависимостей по МНК была получена система уравнений:

=4,298 + 0,924/,

ФРН 50%

итк _ т _ .фр>1\о,7з2

т

С-С'=2,746(С-СГ)°

Для построения кривой ИТК аналогично методу 1 было представлено выражение (7) в виде:

Л/':

; Д/'1

1-У

(8)

где Д/Г ■

-'Г*! и коэффициенты. Для расчёта параметров Л'"™. и И2 разобьём интервал выкипания на 3 участка со значениями доли отгона у=0,1; 0,5; 0,9 и подставим их в систему

уравнений. После преобразований получим выражения для вычисления параметров кривой НТК:

дет к _ 1п(ЛС: /АР

-К' 2 (1/9)"'-1 ' 1п9

Параметры кривой НТК к2 и Щ определяются методом итераций.

На основе этих исследований, по приведенным выше методикам были построены кривые ИТК и произведена их экспериментальная проверка. Результаты проверки показали следующие значения среднеквадратичного отклонения по температурам кипения нефтепродуктов: сг=13 (метод 1), а=П,7 (метод 2), т.е. учёт динамических погрешностей измерения температуры позволил несколько снизить значения среднеквадратичного отклонения. Такой результат можно признать вполне приемлемым, учитывая фактическую воспроизводимость выполнения ФРН и ИТК согласно ГОСТам.

дг7* =•

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе моделирования ФРН создана компьютерная система, позволяющая проводить ускоренную постепенную перегонку и решать различные аналитические и технологические задачи:

- определение фракционного состава светлых нефтепродуктов;

- расчёт ИТК нефтяных фракций;

- расчёт их физико-химических свойств на основе плотности и фракционного

состава или ИТК;

- контроль и управление качеством нефтепродуктов (компаундирование, анализ работы ректификационных колонн и др.)

2. Анализатор компьютерной системы в сочетании с набором алгоритмов и программ обеспечивает обработку данных ФРН на основе двух измерений:

- температуры выкипающего нефтепродукта;

- давления паров перед капилляром (диафрагмой) на выходе из испарительной колбы.

3. Установлены закономерности различия температур в паровой (по ГОСТу 2177-82) и жидкой фазах и показаний стеклянного термометра ТН-7 при проведении ФРН. Показано, что это отличие связано с естественным различием температур выкипающего продукта изменяющегося состава, а также с инерционностью стеклянного термометра и может быть выражено через характеристики модели ФРН.

4. Изучены закономерности и разработан алгоритм расчёта параметров стандартной ФРН (1„к, 1КК, а, к) по данным экспресс-анализа, который заключается в перегонке 10 мл пробы испытуемого образца с последующей регистрацией температуры в жидкой фазе и перепада давления перед диафрагмой (капилляром), а затем обработке сигналов температуры по времени и для определения интервала кипения. Температуры начала кипения и конца разгонки определяются по минимальным значениям величины

——г . После интегрирования значении температуры и давления по вре-)

мени по разработанному алгоритму определяется доля отгона и рассчитываются параметры кривой ФРН.

5. Изучены закономерности, разработана методика и создана программа расчёта ИТК нефтепродуктов по данным ускоренной ФРН, с помощью которой на основе рассчитанных параметров ФРН (по жидкой фазе) можно производить пересчёт данных ФРН в ИТК (т.е. рассчитываются температуры при соответствующих долях отгона и производится построение кривой ИТК). Показано, что температура конца кипения ФРН в жидкой фазе совпадает с концом кипения по ИТК, а разность температур между кривой ФРН (жидкая фаза) и ИТК пропорциональна площади под кривой ФРН.

6. Разработана программа расчёта физико-химических свойств нефтепродуктов на основе информации о фракционном составе или ИТК и плотности. Эта программа расчёта свойств светлых нефтепродуктов (без присадок) по данным ускоренной ФРН является открытой и может дополняться по мере появления более новых и точных методик. Для прямогонных бензинов рассчитываются давление насыщенных паров, удельная теплота сгорания, октановое число, теплофизические свойства; для топлив реактивных двигателей (керосинов) - температура вспышки в закрытом тигле, удельная теплота сгорания, вязкость кинематическая, теплофизические свойства; для дизельных топлив - температура вспышки в закрытом тигле, цетано-вое число, вязкость кинематическая, температура застывания, теплофизические свойства.

7. Разработанный компьютерный комплекс экспонировался на республиканской и международной выставках, а также прошёл апробацию при внедрении алгоритма компаундирования дизтоплнв на установке АВТ-2 ПО "Нафтан" (г. Новополоцк).

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Свойства фракционных разгонок нефтепродуктов и их смесей I Димуду И.А., Жаркова О.Н., Абаев Г.Н., Спиридонов A.B. // Известия вузов. Серия "Химия и химическая технология" - 1995-т.38, N1-2 - С. 136-138.

2. Компьютеризация в химической технологии / Абаев Г.Н., Жаркова О.Н., Димуду И.А., Спиридонов A.B. // Химическая промышленность - 1995 - N1 -С. 29-34.

3. Аддитивность и взаимосвязь характеристик фракционных разгонок нефтепродуктов / Жаркова О.Н., Димуду И.А., Абаев Г.Н., Спиридонов A.B. // Химия и технология топлив и масел - 1995 - N5 - С. 38-40.

4. Применение моделирования фракционной разгонки нефтепродуктов в управлении их качеством в процессах первичной переработки нефти / Димуду И.А., Жаркова О.Н., Абаев Г.Н., Спиридонов A.B. // Сб. Вести ПГУ -1995 -T.1.N1 - С.82-89.

5. Компьютерный комплекс и алгоритмы решения задач нефтепереработки на основе моделирования фракционной разгонки нефтепродуктов. / Абаев Г.Н., Спиридонов A.B., Жаркова О.Н. и др. // Труды МНПК РЭК Нефтехим-1 - Но-вополоцк: ПГУ - 1998 - С. 223-229.

6. Моделирование фракционной разгонки нефтепродуктов с учётом динамических погрешностей системы измерения температуры. / Спиридонов A.B., Жаркова О Н., Абаев Г.Н., Димуду И.А. // Химия и технология топлив и масел - 1998 - N4 - С. 41-43.

7. Компьютеризация - важное направление ресурсосбережения в нефтехимии. / Абаев Г.Н., Ярмолик О.С., Спиридонов A.B. и др. // Тезисы докладов III международной научно-технической конференции "Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии" - Гродно - 1998 - С. 44-45.

8. Компьютерный комплекс на основе моделирования фракционной разгонки нефтепродуктов. / Абаев Г.Н., Спиридонов A.B., Клюев А.И. и др. // Материалы международной научно-технической конференции "Автоматический контроль и автоматизация производственных процессов" - Минск - 3998 - С. 131-132.

РЭЗЮМЭ

СП1РЫД0НАУ Апяксандр Уладз!м1рав1м РАСПРАЦОУКА КАМПУТАРНАГА КОМПЛЕКСУ ДЗЕЛЯ КАНТРОЛЮ

ЯКАСЦ1 СЬВЕТЛЫХ НАФТАПРАДУКТАУ НА АСНОВЕ МАДЭЛЯВАННЯ I ЭКСПРЭС-АНАЛ13У IX ФРАКЦЫЙНАГА САСТАВУ

Фракцыйная разгонка (фракцыйкы састау) нафтапрадуктау, СТК, плот-насць, кампутарны комплекс, экспрэс-аналватар фракцыйнага саставу.

У дысертацыйнай працы разгледжаны пытанш навуковага абгрунтавання экспрэс-анагпзу фракцыйнага саставу светлых нафтапрадуктау 1 узаемасувяз! фракцыйнага саставу I плотнасш з ¡х фЫк-а-х1м1чным1 свойствам!.

Мэтай працы з'яуляецца распрацоука экспрэс-аналватару фракцыйнага саставу светлых нафтапрадуктау 1 стварэнне компутарнага комплексу дзеля вьшчэння паказчыкау якасш на заснове фракцыйнага саставу ды плотнасш, ды вырашэння некаторых тэхналопчных задач нафтаперапрацоую.

У вышку мадэлявання, тэарэтычных вьш'чэнняу ды эксперыменталь-ных даследаванняу быу спраектаван 1 зроблен на заводзе "Измеритель" (г. Наваполацк) экспрэс-аналватар фракцыйнага саставу нафтапрадуктау 1 на яго аснове кампутарны комплекс. Дзеля юравання працай комплексу быу рас-працаван пакет прикладных праграм да ЭВМ.

Праведзен прамысловы "прабег" комплексу у ЦЗЛ (цэх №13) ВА "Нафтан". Пасля метралапчнай атэстацьн комплексу, ён I асноуныя вышю працы могуць быць прапанаваны к выкарыстанню у нафтаперарапрацоучых, нафтах1м1чкых сумежных галшах прамысловасш.

РЕЗЮМЕ

СПИРИДОНОВ Александр Владимирович РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВЕТЛЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА ИХ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА

Фракционная разгонка (фракционный состав) нефтепродуктов, ИТК, плотность, компьютерный комплекс, экспресс-анализатор фракционного состава.

В диссертационной работе рассмотрены вопросы научного обоснования экспресс-анализа фракционного состава светлых нефтепродуктов и взаимосвязи фракционного состава и плотности с их физико-химическими свойствами.

Целью диссертации является разработка экспресс-анализатора фракционного состава светлых нефтепродуктов и создание компьютерного комплекса для расчёта показателей качества на основе фракционного состава и плотности, а также решение некоторых технологических задач нефтепереработки.

В результате моделирования, теоретических расчётов и экспериментальных исследований был спроектирован и изготовлен на заводе "Измеритель" (г. Новополоцк) экспресс-анализатор фракционного состава нефтепродуктов и на его основе создан компьютерный комплекс. Для управления работой комплекса был разработан пакет прикладных программ на

Проведён промышленный "пробег" комплекса в ЦЗЛ (цех №13) ПО "Нафтан". После метрологической аттестации комплекса, он и основные результаты работы могут быть предложены к использованию в нефтеперерабатывающих, нефтехимических и смежных отраслях промышленности.

SUMMARY SPIRIDONOV Alexander Vladimirovich CREATION OF COMPUTER SYSTEM FOR CONTROL THE QUALITY OF LIGHT OILPRODUCTS ON BASE OF THE MODELING AND EXPRESSANALISING FRACTIONAL COMPOSITION

Key words: fractional distillation (fractional composition) of oil products, TBP, density, complex computer fractional composition express-analyzer.

Questions concerning fractional composition express-analyzer of light oil products and interrelationship of fractional compositions and density to its physical and chemical properties were taken into consideration.

Aim of this work is to develop a fractional composition express-analyzer of light oil products and on its basis to create a complex computer program for forecasting quality indications, as well as the solution of some oil refinery technological problems.

As a result of modeling, theoretical calculations, and experimental researchers, a fractional compositions express-analyzer of light oil products was designed and made at a plant "Izmeritel" in Novopolotsk and on its basis a complex computer program for controlling the complex was created. For control work of complex was made the batch of computer programs.

An industrial complex testing was carried out at CPL (department № 13) of "Naftan". After certification, the complex and main results of the work may be lised at oil refineries, oil and chemical, and other contiguous industrial fields (branches).

ЭВМ.

С

/

Александр Владимирович Спиридонов

РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВЕТЛЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА ИХ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Подписано в печать 17.11.98 Формат 60x84 /16 Печать ксерокс-ная

Усл.печл. 1,16 Уч.издл. 1,0 Тираж 120 экз. Заказ ^66 Бесплатно.

Отпечатано на ризографе ПГУ 211440, г.Новополоцк, ул. Блохина, 29