Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРЕВРАЩЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ В РЕАКТОРАХ РИФОРМИНГА И ГИДРОДЕПАРАФИНИЗАЦИИ С ЦЕЛЬЮ УВЕЛИЧЕНИЯ РЕСУРСА ПЕРЕРАБАТЫВАЕМОГО СЫРЬЯ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Белинская Н.С. 1 Силко Г.Ю. 1 Иванчина Э.Д. 1 Ивашкина Е.Н. 1 Францина Е.В. 1 Фалеев С.А. 2
1 ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
2 ООО «КИНЕФ»
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.
гидродепарафинизация
каталитический риформинг
математическое моделирование
реакционная способность
изменение энергии Гиббса
константа скорости
1. Кравцов А.В., Иванчина Э.Д., Костенко А.В., Шарова Е.С., Фалеев С.А. // Нефтепереработка и нефтехимия. – 2008. – № 11. – С. 18–23.
2. Белинская Н.С., Силко Г.Ю., Францина Е.В., Ивашкина Е.Н., Иванчина Э.Д. // Известия Томского политехнического университета. – 2013. – Т. 322. – № 3. – С. 129–133.
3. О производстве топлив европейского качества на НПЗ России / Д.М. Данилов, В.А. Хавкин, В.Е. Емельянов, Т.Н. Митусова // Бурение и нефть – 2009. – № 5. – С. 30–33.
4. Белинская Н.С., Францина Е.В. Кинетическая модель процесса депарафинизации дизельных топлив и ее компьютерная реализация // Молодежь и современные информационные технологии: сборник трудов X Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии». Томск, 13–16 ноября 2012 г. – Томск: Изд-ва ТПУ. – С. 69–71
5. Интеллектуализация нефтеперерабатывающих процессов с использованием компьютерных моделирующих систем / Э.Д. Иванчина, М.В. Киргина, С.А. Фалеев и др. // Известия Томского политехнического университета. – 2011 – Т. 319 – № 5 – C. 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.


Библиографическая ссылка

Белинская Н.С., Силко Г.Ю., Иванчина Э.Д., Ивашкина Е.Н., Францина Е.В., Фалеев С.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРЕВРАЩЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ В РЕАКТОРАХ РИФОРМИНГА И ГИДРОДЕПАРАФИНИЗАЦИИ С ЦЕЛЬЮ УВЕЛИЧЕНИЯ РЕСУРСА ПЕРЕРАБАТЫВАЕМОГО СЫРЬЯ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 8-3. – С. 534-538;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31952 (дата обращения: 14.08.2020).

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