Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОТОРНЫХ ТОПЛИВ

Самборская М.А. 1, 2 Лактионова Е.А. 2 Машина В.В. 1
1 ФГБОУ ВПО НИ «Томский политехнический университет»
2 ООО НПЦ «Ноосфера»
Получен набор уравнений расчета эксплуатационных свойств моторного топлива. Методы расчета предназначены для использования в программах компьютерного моделирования и проектирования химико-технологических процессов переработки нефти. Методы расчета могут использоваться в алгоритмах управления процессами, основанных на математических моделях, для контроля качества продуктов в режиме реального времени. Компьютерные программы моделирования химико-технологических систем являются современным инструментом расчета оптимальных технологических параметров, что особенно актуально в ситуации изменения качества сырья. Возможность прогнозирования характеристик товарных продуктов позволяет осуществлять оптимальное управление качеством продуктов в режиме реального времени. Полученный набор уравнений может использоваться для экспресс-методов определения эксплуатационных свойств. Особую ценность данные методы расчета представляют для использования в компьютерных программах для моделирования и проектирования химико-технологических процессов переработки нефти и для разработки алгоритмов управления процессами, основанных на математических моделях.
моторные топлива
эксплуатационные характеристики
расчётные методики
1. ГОСТ 6356-75. Метод определения температуры вспышки в закрытом тигле.
2. ГОСТ 4333-87. Нефтепродукты. Методы определения температур вспышки и воспламенения в открытом тигле.
3. ГОСТ 12.1.044-89. Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.
4. ГОСТ 5066-91. Топлива моторные. Методы определения температуры помутнения, начала кристаллизации и кристаллизации.
5. Курочкин А.К. Разработка высокорентабельных схем для проектирования малых НПЗ с глубиной переработки нефти более 90 % // Территория нефтегаз. – 2010. – № 2. – С. 14–21.
6. Метод наименьших квадратов в матричной форме [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://mnk-online.narod.ru- Загл. с экрана.
7. Миронов В.М. Расчет физико-химических свойств газов и жидкостей: учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2012. –187 с.
8. Рузинов Л.П., Слободчикова Р.И. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. – М.: Химия, 1980. – 280 с.
9. Технический регламент «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту», утверждённый постановлением Правительства Российской Федерации от 27.02.2008 № 118.
10. Определение инспектируемых параметров дизельного топлива методом газовой хроматографии / С.В. Черепица, С.М. Бычков, А.Н. Коваленко и др. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.inp.bsu.by/results/pubs/cherepitsa1.pdf., свободный. – Загл. с экрана.
11. Clariant [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.clariant.com., свободный. – Загл. с экрана.
12. Ramakumar K.R. Разработка точного метода прогнозирования температур вспышки нефтепродуктов // Нефтегазовые технологии. – 2008. – № 9. – С. 88–90.

В настоящее время производства нефтеперерабатывающей отрасли ориентированы на выпуск бензинов и дизельных топлив в соответствии с категориями качества Евро 4 и Евро 5. Набор технологий, обеспечивающих выпуск перечисленных топлив, существенно влияет на рентабельность предприятий [5].

Компьютерные программы моделирования химико-технологических систем являются современным инструментом расчета оптимальных технологических параметров, что особенно актуально в ситуации изменения качества сырья. Возможность прогнозирования характеристик товарных продуктов позволяет осуществлять оптимальное управление качеством продуктов в режиме реального времени.

Обязательному контролю и указанию в паспорте продукции в соответствии с Техническим регламентом [9] подлежат следующие температурные характеристики: у дизельных топлив – температура вспышки Eqn123.wmf в закрытом тигле, предельная температура фильтруемости (ПТФ); у топочного мазута – температура вспышки в открытом тигле Eqn124.wmf; у топлив для реактивных двигателей – температура начала кристаллизации tкрист, температура замерзания tзаст, Eqn125.wmf, у авиационного бензина – tкрист; у судового топлива – Eqn125.wmf. Температуру начала кристаллизации часто оценивают по температуре помутнения tпом. Расчёт перечисленных температурных характеристик посредством компьютерных программ либо недостаточно точен, либо невозможен, в связи с чем осложняется интерпретация результатов моделирования и оптимизации.

Согласно данным [11], существуют следующие взаимосвязи:

Eqn126.wmf

Eqn127.wmf

Eqn128.wmf

Авторами выполнен анализ существующих уравнений для расчёта температур вспышки, замерзания, фильтруемости, помутнения по плотности и фракционному составу. Целью данного исследования является выбор существующих и разработка новых адекватных методов расчёта эксплуатационных характеристик моторных топлив.

Существует несколько уравнений расчёта tвсп дизельного топлива.

Вычисления tвсп по линейной зависимости [10] от цетанового числа по формуле (1) свидетельствуют о большей погрешности расчётов для зимнего дизельного топлива (табл. 1) согласно значениям дисперсий воспроизводимости S, определяемым по формуле (2) [8]:

tвсп = 0,675∙A + 30,8, (1)

где А − цетановое число.

Eqn129.wmf (2)

где n – число экспериментальных точек;Eqn130.wmf – расчётное значение в точке i; Eqn131.wmf – среднее арифметическое экспериментальное значение.

Таблица 1

Сравнительные значения температур вспышки (°С) для прямогонных дизельных фракций, полученных в летнем и зимнем режиме

№ п/п

Летний режим

Зимний режим

Eqn132.wmf

Eqn133.wmf

ΔТ

Eqn132.wmf

Eqn133.wmf

ΔТ

1

59

66,91

7,91

55

65,59

10,59

2

53

65,76

12,76

47

65,76

18,76

3

57

66,12

9,12

56

64,56

8,56

4

59

66,08

7,08

52

64,71

12,71

5

56

66,92

10,92

53

64,30

11,30

6

58

66,42

8,42

48

65,30

17,30

7

60

65,43

5,43

58

65,47

7,47

8

67

65,08

1,92

59

65,64

6,64

9

62

65,17

3,17

51

64,61

13,61

10

56

66,68

10,68

51

66,00

15,00

S, °С

7,4

12,2

Примечание. Здесь и далее ΔТ – абсолютная погрешность, °С.

Авторами сопоставлены результаты расчётов tвсп как функции плотности и отдельных характеристик фракционного состава несколькими способами [1, 2, 12].

1. Eqn134.wmf

Eqn135.wmf (3)

где tн.к – температура выкипания 1,5 % нефтепродукта по ИТК, °С.

Формула (3) используется для определения температуры вспышки в интервале от 20 до 300 °С по ГОСТ 6356-75 [5] и ГОСТ 4333-87 [2] для остатков Eqn136.wmf перегонки сернистых и высокосернистых нефтей.

2. Eqn137.wmf

Eqn138.wmf (4)

где Eqn139.wmf °R.

Здесь все температуры – в °R [10].

3. Eqn140.wmf:

Eqn141.wmf (5)

Здесь [t10 %, tвсп] = °F [10].

Сравнительный расчёт температур вспышки формулами (3)–(5) показал, что наиболее точные результаты (табл. 2) получены по уравнению (5).

Согласно ГОСТ 12.1.044-89 [3], среднеквадратическая погрешность расчёта температуры вспышки жидкостей должна составлять не более 13 °С.

Таблица 2

Сравнительные результаты расчётов температур вспышки (°С) для прямогонных дизельных фракций, полученных в зимнем режиме

№ п/п

tн.к

t10 %

ρ20, кг/м3

Eqn132.wmf

(4)

(3)

(5)

Eqn133.wmf

ΔТ

Eqn133.wmf

ΔТ

Eqn133.wmf

ΔТ

1

166

192

826,3

60

173

113

71

11

61

1

2

170

189

825,3

58

173

115

74

16

59

1

3

175

195

836,3

67

170

104

76

9

60

7

4

178

201

838,1

66

170

107

80

14

63

3

5

169

190

836,3

63

172

105

82

19

68

5

6

175

197

836

59

170

111

80

21

65

6

7

176

201

837,4

60

170

110

81

21

68

8

8

176

200

837,2

61

170

109

81

20

67

6

S, °С

116

18

4

Авторами исследована взаимосвязь температуры фильтруемости с плотностью и температурами выкипания узких фракций. Установлено, что наибольшая достоверность аппроксимации характерна для математических выражений, описывающих зависимость вида ПТФ = f(t50–10 %) (рисунок).

pic_150.tif

Зависимость температуры фильтруемости от разности температур выкипания 50 и 10 % фракции

Для tзаст существует уравнение расчёта через вязкость [7]:

Eqn142.wmf (6)

Таблица 3

Сравнительные значения температур застывания прямогонных дизельных фракций

№ п/п

Eqn143.wmf, °С

Eqn162.wmf, °С

ΔТ, °С

1

–17,3

–18,7

1,4

2

–21,3

–18,7

2,6

3

–15,9

–17,0

1,1

4

–20,4

–19,0

1,4

5

–19,5

–17,7

1,8

6

–17,7

–17,9

0,2

Уравнение (6) справедливо для дизельных топлив, газойлей и керосинов (для последних – температура кристаллизации) с вязкостью ν50 от 1 до 30 мм2/с.

Для температур застывания и помутнения достоверными считаются результаты, имеющие 95 % уровень доверительной вероятности (ГОСТ 5066-91 [4]). Отклонение дисперсии воспроизводимости от среднеарифметического экспериментального значения температуры составляет 23 %. Таким образом, расчётные температуры застывания соответствуют экспериментальным на 77 %.

Авторами получены уравнения регрессии, описывающие зависимость tпом от плотности ρ, фракционного состава (t10 %, t50 %, t90 %) дизельного топлива с помощью МНК [6]. По результатам корреляционного анализа установлено, что связь между факторами и переменной состояния для зимних и летних данных различна.

В частности, для летних прямогонных дизельных фракций получены следующие 3-факторные уравнения регрессии:

Eqn144.wmf (7)

Eqn145.wmf (8)

здесь x1 – t10 %, °С; x2 – t50 %, °С; x3 – ρ, кг/м3; у – tпом, °С.

Выполнена проверка точности расчёта уравнениями (7), (8) температур помутнения летних прямогонных дизельных фракций (табл. 3).

Таблица 4

Результаты расчётов температур помутнения дизельных топлив

№ п/п

Эксперимент

(7)

(8)

t10 %

t50 %

t90 %

ρ

Eqn146.wmf

Eqn147.wmf

ΔТ

Eqn147.wmf

ΔТ

1

197

262

347

833,8

–4,4

–3,4

–1

–4,9

0,5

2

190

253

343

834,2

–2,9

–2,9

0

–10,2

7,3

3

192

257

348

833,2

–3,2

–6,4

3,2

–4,9

1,7

4

193

259

345

833,9

–4,2

–5,6

1,4

–4,5

0,3

5

188

256

349

832,9

–2,8

–8,2

5,38

–13,6

10,83

S, °С

3,2

6,6

Примечание. Здесь , t10 %, t50 %, t90 %, = [°С]; ρ = [кг/м3].

Выполнен анализ уравнений расчета свойств дизельных топлив, определены адекватные уравнения расчета Тзаст и Твсп. Авторами разработаны адекватные уравнения расчета Тпом и ТПТФ.

Полученный набор уравнений может использоваться для экспресс-методов определения эксплуатационных свойств. Особую ценность данные методы расчета представляют для использования в компьютерных программах для моделирования и проектирования химико-технологических процессов переработки нефти и для разработки алгоритмов управления процессами, основанных на математических моделях.

Работа выполнена в рамках государственного задания «Наука» по теме 3.2702.2011.

Рецензенты:

Косинцев В.И., д.т.н., профессор-консультант кафедры общей химической технологии Института природных ресурсов, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск;

Ивашкина Е.Н., д.х.н., доцент кафедры химической технологии топлива и химической кибернетики, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.

Работа поступила в редакцию 01.07.2013.

Библиографическая ссылка

Самборская М.А., Самборская М.А., Лактионова Е.А., Машина В.В. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОТОРНЫХ ТОПЛИВ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 8-3. – С. 709-713;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31987 (дата обращения: 30.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074