Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

INVESTIGATION OF CONVERSION REGULARITIES IN REFORMING AND HYDRODEWAXING REACTORS TO INCREACE CAPACITY OF FEEDSTOCK USING MATHEMATICAL MODELLING METHOD

Belinskaya N.S. 1 Silko G.Y. 1 Ivanchina E.D. 1 Ivashkina E.N. 1 Frantsina E.V. 1 Faleev S.A. 2
1 National Research Tomsk Polytechnic University
2 Limited company «KINEF»
Разработана математическая модель процесса гидродепарафинизации дизельных топлив. При разработке модели был проведен термодинамический анализ химических реакций в ходе процесса, составлена схема превращений углеводородов и кинетическая модель. Путем решения обратной кинетической задачи с использованием экспериментальных данных с установки гидродепарафинизации оценены константы скорости реакций, протекающих в ходе процесса. Для расчета покомпонентного состава бензиновой фракции в модель введены относительные константы скорости образования индивидуальных веществ. Разработанная модель позволяет рассчитывать общий состав продуктов установки и покомпонентный состав стабильного бензина, что позволит применять ее для расчета и прогнозирования состава бензиновой фракции и увеличения ресурсоэффективности установки каталитического риформинга. С использованием ранее разработанной математической модели процесса каталитического риформинга бензинов проведено исследование и оценка влияния замены сырья в процессе риформинга на стабильный бензин – продукт установки гидродепарафинизации дизельных топлив. Исследование показало, что вовлечение в переработку в процессе риформинга бензина с установки гидродепарафинизации положительно сказывается на выходе и качестве получаемого катализата. При этом ресурсоэффективность установки риформинга повысится на 20 % за счет расширения сырьевого парка.
The mathematical model of diesel fuel hydrodewaxing process was developed. The thermodynamic analysis of chemical reactions was carried out, the conversion scheme of hydrocarbons and the kinetic model were developed. By means of inverse kinetic problem solution the rate constants were estimated. The relative rate constants of individual components formation were introduced for calculation of component composition of the product. Developed model allows to calculate general composition of products and component composition of stable gasoline. This allows to use the model for optimization and prediction of stable gasoline composition and to increase resource efficiency of catalytic reforming unit. We have done the analysis and estimation of influence of reforming feedstock replacement on stable gasoline using earlier developed mathematical model of catalytic reforming process, which is the product of diesel fuel hydrodewaxing unit. Research allowed to ascertain that involvement in reforming processing the gasoline from hydrodewaxing unit positively influences on yield and quality of catalysate. Wherein the resource efficiency will rise on 20 % at the expense of enlargement of feedstock park.
hydrodewaxing
catalytic reforming
mathematical modeling
reactivity
Gibbs energy change
rate constant
1. Kravtsov A.V., Ivanchina E.D., Kostenko A.V., Sharova E.S., Faleev S.A. // Neftepererabotka i neftehimija, 2008, no. 11, pp. 18–23.
2. Belinskaya N.S., Silko G.Ju., Frantsina E.V., Ivashkina E.N., Ivanchina E.D. Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta, 2013, T. 322, no. 3, pp. 129–133.
3. Danilov D.M., Havkin V.A., Emel’janov V.E., Mitusova T.N. O proizvodstve topliv evropejskogo kachestva na NPZ Rossii. Burenie i neft’, 2009, no 5, pp. 30–33.
4. Belinskaya N.S., Frantsina E.V. Kineticheskaja model’ processa deparafinizacii dizel’nyh topliv i ee komp’juternaja realizacija. Molodezh’ i sovremennye informacionnye tehnologii. Sbornik trudov X Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii studentov, aspirantov i molodyh uchenyh «Molodezh’ i sovremennye informacionnye tehnologii». Tomsk, 2012, pp. 69–71.
5. Ivanchina E.D., Kirgina M.V., Faleev S.A. i dr. Intellektualizacija neftepererabatyvajushhih processov s ispol’zovaniem komp’juternyh modelirujushhih sistem // Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universitetam, 2011, T. 319, no. 5, pp. 80–86.

Наиболее сложными проблемами при стремлении соответствовать современным требованиям к качеству моторных топлив являются обеспечение октанового числа автомобильных бензинов и выработка малосернистых и ультрамалосернистых дизельных дистиллятов [3]. Одной из современных технологий производства высококачественных малосернистых дизельных топлив является технология, реализованная на установке гидродепарафинизации дизельных фракций. Установка гидродепарафинизации позволяет вовлекать в переработку дизельных фракций атмосферный газойль за счет облегчения его углеводородного состава и депарафинизации, а также облагораживать бензин висбрекинга [4]. Получаемая на установке гидродепарафинизации бензиновая фракция имеет высокое содержание и-алканов, но обладает низким октановым числом. Для повышения октанового числа этой фракции возможно вовлечение ее в переработку на установке риформинга, что позволит повысить качество бензина и эффективность процесса риформинга путем расширения сырьевого парка.

Целью данной работы является разработка математической модели процесса гидродепарафинизации для оптимизации и прогнозирования состава получаемой в данном процессе бензиновой фракции и оценка целесообразности использования стабильного бензина с установки гидродепарафинизации дизельных топлив как сырья на установке каталитического риформинга.

Материал и методы исследования

Схема основных потоков установки гидродепарафинизации смеси атмосферного газойля и бензина висбрекинга Л-24-10/2000 показана на рис. 1.

pic_4.wmf

Рис. 1. Схема основных потоков установки Л-24-10/2000

На рис. 3: Р-1 и Р-2 – реакторы гидроочистки, Р-3 – реактор гидродепарафинизации.

Суть процесса заключается в гидрировании сернистых, азот- и кислородсодержащих соединений, полиароматических углеводородов и гидродепарафинизации углеводородов С10 + с целью улучшения низкотемпературных свойств продуктов.

Глубокое обессеривание и депарафинизация сырья обеспечивается при повышенном давлении (9,0 МПа) и за счет применения современных катализаторов фирм Axens и Sud-Chemie [4]. Основные параметры технологического режима представлены в табл. 1.

Первоначальным этапом разработки математической модели сложного многокомпонентного процесса нефтепереработки является анализ химических превращений углеводородов в реакторах. Далее проводится термодинамический анализ данных превращений с целью выявления термодинамической вероятности протекания реакций в условиях технологического процесса. По результатам термодинамического анализа составляется формализованная схема превращений углеводородов в ходе процесса и на ее основе кинетическая модель процесса. Результаты реализации указанных этапов математического моделирования процесса гидродепарафинизации дизельных топлив представлены в источнике [2].

С использованием разработанной кинетической модели процесса гидродепарафинизации дизельных топлив путем решения обратной кинетической задачи были определены константы скорости химических реакций процесса гидродепарафинизации. Исходные данные для расчетов представлены в табл. 2.

Таблица 1

Основные параметры технологического режима процесса гидродепарафинизации

Технологические параметры

Значение

1. Расход сырья, м3/час

238

2. Расход свежего ВСГ, нм3/ч

42560

3. Расход циркулирующего ВСГ, нм3/ч

87190

4. Объемная скорость по Р-1 и Р-2, ч–1

0,65

5. Объемная скорость по Р-3, ч–1

2,25

6. Температура на входе в Р-1, °С

322

7. Температура на выходе Р-1, °С

339

8. Температура на входе в Р-2, °С

339

9. Температура на выходе Р-2, °С

348

10. Температура на входе в Р-3, °С

346

11. Температура на выходе Р-3, °С

350

12. Давление на входе в:

Р-1, МПа

Р-2, МПа

Р-3, МПа

7,80

7,40

6,90

13. Отдув ВСГ, нм3/час

10370

14. Кратность циркуляции по:

Р-1, нм3/м3

Р-2, нм3/м3

Р-3, нм3/м3

368

428

458

Таблица 2

Исходные данные для подбора констант скоростей

Группа компонентов

Концентрация в сырье, % мас.

Концентрация в продукте, % мас.

Молярная масса, г/моль

Моноароматические

21,68

20,99

99

Полиароматические

1,23

1,57

180

Алкены

1,09

1,74

77

Н-алканы С5–С9

10,91

8,87

100

Н-алканы С10–С17

5,90

3,40

261

Циклоалканы

45,00

49,63

103

И-алканы

14,19

14,8

100

Результаты оценки констант скоростей химических реакций процесса гидродепарафинизации представлены в табл. 3.

В табл. 3 приняты следующие обозначения: kпр – константа скорости прямой реакции, kоб – константа скорости обратной реакции.

Таблица 3

Константы скоростей химических реакций процесса гидродепарафинизации

Реакция

kпр

kоб

1. Гидрирование полиароматических углеводородов в моноароматические

7,00·10–4 л∙с–1∙моль–1

2,60·10–9 л∙с–1∙моль–1

2. Гидрирование алкенов до н-алканов С5 – С9

2,30 л∙с–1∙моль–1

1,01·10–4 л∙с–1∙моль–1

3. Гидрирование моноароматических углеводородов в циклоалканы

5,24·10–3 л∙с–1∙моль–1

1,02·10–5 л∙с–1∙моль–1

4. Гидрокрекинг н-алканов С10 – С27

4,50·102 л∙с–1∙моль–1

5. Изомеризация н-алканов С5 – С9

0,78 с–1

0,25 с–1

6. Циклизация и-алканов в циклоалканы

1,50·10–4 с–1

1,59·10–5 с–1

Результаты расчета на модели концентраций групп компонентов в продукте представлены в табл. 4.

Для расчета концентрации индивидуальных компонентов были введены относительные константы скорости их образования в зависимости от реакционной способности в реакциях процесса гидродепарафинизации, которая определялась изменением энергии Гиббса в соответствующих реакциях. На рис. 2, 3 показана зависимость изменения энергии Гиббса в ходе реакции гидрокрекинга н-алканов С10–С17 и констант скоростей реакций от числа атомов в молекуле н-алкана соответственно.

Таблица 4

Результаты расчета с применением математической модели процесса гидродепарафинизации

Дата

12.03.2013

10.04.2012

Группа компонентов

Концентрация в продукте (расчет), % мас.

Концентрация в продукте (эксперимент), % мас.

Концентрация в продукте (расчет), % мас.

Концентрация в продукте (эксперимент), % мас.

Моноароматические

22,87

20,99

20,33

20,53

Полиароматические

1,26

1,57

1,10

1,50

Алкены

1,70

1,74

2,88

2,63

Н-алканы С5–С9

7,11

8,87

10,70

8,49

Н-алканы С10–С17

3,69

3,40

4,27

5,16

Циклоалканы

49,16

49,63

39,52

39,23

И-алканы

14,20

14,80

21,20

22,46

Результаты исследования и их обсуждение

Для проведения исследований влияния замены сырья на установке каталитического риформинга применялась разработанная математическая модель данного процесса [1, 6].

Исходные данные для проведения исследований с использованием математической модели процесса риформинга представлены в табл. 5.

По результатам расчета на математической модели процесса риформинга были получены следующие данные (табл. 6)

pic_5.wmf

Рис. 2. Зависимость изменения энергии Гиббса в реакции гидрокрекинга от числа атомов в молекуле н-алкана

pic_6.wmf

Рис. 3. Зависимость константы скорости в реакции гидрокрекингаот числа атомов в молекуле н-алкана

Таблица 5

Технологические параметры для расчета на модели

Объем переработанного сырья, т

1354,5

Расход ВСГ, нм3/ч

100000

Влажность ВСГ, мг/кг

22,3

Сера в гидрогенизате, мг/кг

0,20

Расход сырья, м3/ч

75

Давление в реакторе Р-2, МПа

2,2

Температура в реакторе Р-2, °С

484

Давление в реакторе Р-3, МПа

2,1

Температура в реакторе Р-3, °С

484

Давление в реакторах Р-4/1,2, МПа

2,0

Температура в реакторе Р-4/1,2, °С

483

Данные, представленные в табл. 6, подтверждают, что замена сырья на установке каталитического риформинга благоприятно скажется на выработке и основных показателях качества выпускаемой продукции, а именно выход риформата составит 82,71 октанотонны; октановое число составит 97,6. При этом ресурсоэффективность установки повышается на 20 % за счет увеличения нагрузки по сырью.

Заключение

Разработанная математическая модель процесса гидродепарафинизации дизельных топлив может применяться для расчетов и прогнозирования состава получаемой бензиновой фракции и повышения ресурсоэффективности установки каталитического риформинга бензинов. Выполненные исследования показали, что вовлечение бензина с установки гидродепарафинизации в сырьевой поток установки каталитического риформинга Л-35-11/600 положительно сказывается на выходе высокооктанового катализата, а именно выход риформата составит 82,71 октанотонны; октановое число составит 97,6. При этом ресурсоэффективность установки повышается на 20 % за счет увеличения нагрузки по сырью.

Таблица 6

Результаты расчета на модели

Дата отбора

15.11.10

16.01.11

15.02.11

15.04.11

Новое сырьё

Активность катализатора, отн. ед.

0,91

0,91

0,91

0,91

0,91

Объем переработанного сырья, т

1355

1355

1355

1355

1355

Содержание водорода, % об.

84,1

84,1

84,1

84,1

84,1

Выход водорода, % мас. на сырье

1,74

1,82

1,82

1,85

1,82

Температура входа, °С

484

484

484

484

484

Расход сырья м3/ч

75

75

75

75

75

Алканы/(Циклоалканы + Ароматика), в сырье, отн. ед.

1,25

1,13

1,12

1,28

1,36

н-алканы/и-алканы в сырье, отн. ед.

1,08

1,06

1,06

1,1

0,98

Кратность циркуляции, нм3/м3

1333,3

1333,3

1333,3

1333,3

1333,3

Степень изомеризации, % мас.

48

46

46

48

40

Степень ароматизации, % мас.

16,51

13,87

13,87

21,92

22,8

Ароматика, % мас.

59,5

60,48

60,48

61,43

60,72

Октановое число, о.ч.и.

96,6

97,2

97,3

97,7

97,6

Метилциклопентан в катализате, % мас.

0,36

0,39

0,4

0,44

0,48

Выход риформата

82,23

83,01

83,01

82,61

82,71

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;

Коробочкин В.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой общей химической технологии Института природных ресурсов, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.

Работа поступила в редакцию 01.07.2013.