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

DEVELOPMENT METHODS OF CALCULATION FOR OPERATIONAL PROPERTIES OF MOTOR FUELS

Samborskaya M.А. 1, 2 Laktionova Е.А. 2 Mashina V.V. 1
1 National Research Tomsk Polytechnic University
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.
The set of equations for operational properties of motor fuels calculation was developed. Methods of calculation are intended for use in computer simulation and design of refineries. Methods can be used in process control algorithms based on mathematical models for on-line control of product quality. Computer modeling software chemical engineering systems are a modern tool of optimum process parameters, which is especially important in a situation of change in the quality of raw materials. The possibility of predicting the characteristics of commercial products allows optimal quality control of products in real time. The resulting set of equations can be used for rapid methods for determining performance properties. Especially valuable data calculation methods are to be used in computer programs for simulation and design of chemical processes of refining and development of algorithms for process control based on mathematical models.
motor fuels
operational properties
methods of calculation
1. GOST 6356-75. Metod opredeleniya temperatury vspyshki v zakrytom tigle.
2. GOST 4333-87. Nefteprodukty. Metody opredeleniya temperatur vspyshki i vosplameneniya v otkrytom tigle.
3. GOST 12.1.044-89. Sistema standartov bezopasnosti truda. Pozharovzryvoopasnost’ veshhestv i materialov. Nomenklatura pokazatelej i metody ix opredeleniya.
4. GOST 5066-91. Topliva motornye. Metody opredeleniya temperatury pomutneniya, nachala kristallizacii i kristallizacii.
5. Kurochkin A.K. Razrabotka vysokorentabel’nyx sxem dlya proektirovaniya malyx NPZ s glubinoj pererabotki nefti bolee 90 % // Territoriya neftegaz. 2010. no. 2. pp. 14–21.
6. Metod naimen’shix kvadratov v matrichnoj forme [E’lektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://mnk-online.narod.ru Zagl. s e’krana.
7. Mironov V.M. Raschet fiziko-ximicheskix svojstv gazov i zhidkostej: uchebnoe posobie. – Tomsk: Izd. TPU, 2012. 187 p.
8. Ruzinov L.P., Slobodchikova R.I. Planirovanie e’ksperimenta v ximii i ximicheskoj texnologii. M.: Ximiya, 1980. 280 p.
9. Texnicheskij reglament «O trebovaniyax k avtomobil’nomu i aviacionnomu benzinu, dizel’nomu i sudovomu toplivu, toplivu dlya reaktivnyx dvigatelej i topochnomu mazutu», utverzhdyonnyj postanovleniem Pravitel’stva Rossijskoj Federacii ot 27.02.2008 no. 118.
10. Cherepica S.V., Bychkov S.M., Kovalenko A.N. i dr. Opredelenie inspektiruemyx parametrov dizel’nogo topliva metodom gazovoj xromatografii, [E’lektronnyj resurs]. – Rezhim dostupa: http://www.inp.bsu.by/results/pubs/cherepitsa1.pdf., svobodnyj. Zagl. s e’krana.
11. Clariant [E’lektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://www.clariant.com., svobodnyj. – Zagl. s e’krana.
12. Ramakumar K.R. Razrabotka tochnogo metoda prognozirovaniya temperatur vspyshki nefteproduktov // Neftegazovye texnologii, 2008. no. 9. pp. 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.