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 в закрытом тигле, предельная температура фильтруемости (ПТФ); у топочного мазута – температура вспышки в открытом тигле ; у топлив для реактивных двигателей – температура начала кристаллизации tкрист, температура замерзания tзаст, , у авиационного бензина – tкрист; у судового топлива – . 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:
–
–
–
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.
(2)
где n – число экспериментальных точек; – расчётное значение в точке i; – 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 |
||||
|
|
ΔТ |
|
|
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.
(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 перегонки сернистых и высокосернистых нефтей.
2.
(4)
где °R.
Здесь все температуры – в °R [10].
3. :
(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 |
|
(4) |
(3) |
(5) |
|||
|
ΔТ |
|
ΔТ |
|
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).
Зависимость температуры фильтруемости от разности температур выкипания 50 и 10 % фракции
Для tзаст существует уравнение расчёта через вязкость [7]:
(6)
Таблица 3
Сравнительные значения температур застывания прямогонных дизельных фракций
№ п/п |
, °С |
, °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:
(7)
(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 |
|
|
ΔТ |
|
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: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31987 (дата обращения: 24.04.2024).