CC BY
24УДК 66.011
М.В. Киргина, Б.В. Сахневич, М.В. Майлин, Э.Д. Иванчина, Н.В. Чеканцев
РАЗРАБОТКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ СОПРОВОЖДЕНИЯ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА МОТОРНЫХ ТОПЛИВ
(Национальный исследовательский Томский политехнический университет) e-mail: mkirgina@gmail.com, sugar92_bv@mail.ru, maylin_max@mail.ru, ied@tpu.ru, domik86nik@mail.ru
Процесс компаундирования товарных бензинов является сложной с точки зрения оптимизации химической технологией. Разработка программного продукта для сопровождения и планирования процесса компаундирования бензинов на физико-химической основе является эффективным инструментом для повышения энерго- и ресурсоэффек-тивности данного процесса. Интеллектуальная компьютерная система «Compaunding», дополненная модулем автоматической обработки хроматограмм «UniChrom», позволяет разрабатывать оптимальные рецептуры смешения товарных бензинов ЕВРО-класса, а также выдавать рекомендации по вовлечению в смешение различного вида сырья.
Ключевые слова: бензин, октановое число, рецептура смешение, компьютерная система
ВВЕДЕНИЕ
Стабильное функционирование современного нефтеперерабатывающего предприятия невозможно без внедрения компьютерных систем для непрерывного мониторинга и контроля работы технологических установок, а также сбора, хранения и обработки большого объема информации. Достижение целей, поставленных предприятием в долгосрочный период обусловливает постоянный поиск наиболее эффективных моделирующих систем, позволяющих вырабатывать рекомендации по оптимальному ведению процессов с целью повышения их энерго- и ресурсоэффек-тивности.
Процесс промышленного производства товарных бензинов - компаундирование, является одной из наиболее сложных с точки зрения оптимизации химических технологий. Технология производства бензинов специфична для каждого нефтеперерабатывающего завода, что связано с различным набором технологических процессов, реализованных на предприятии, доступностью сырьевых компонентов и их стоимости в каждом конкретном случае. При этом углеводородный состав вовлекаемых в процесс компаундирования потоков - риформатов, изомеризатов, алкилатов не является постоянным даже для одной и той же технологической установки и меняется в зависимости от состава сырья, технологических условий процессов и активности катализатора. Кроме того детонационные свойства смесевых бензинов не подчиняются закону аддитивности, что представляет существенную трудность при оптимизации процесса компаундирования. Все эти факторы препятствуют выработке единой, универсальной рецептуры для производства той или иной марки
бензина, существующие рецептуры нуждаются в постоянной корректировке в зависимости от большого ряда факторов.
Совмещение автоматизированной системы управления процессами цеха смешения бензинов, оборудованной поточными анализаторами для обеспечения обратной связи, с программным обеспечением для разработки оптимальных рецептур смешения бензинов видится наиболее перспективным комплексным решением данной задачи.
Таким образом, разработка компьютерной моделирующей системы для оптимизации процесса компаундирования товарных бензинов на физико-химической основе является актуальным промышленно-ориентированным направлением научной деятельности в свете современных тенденций по ежегодному увеличению потребления высокооктановых автомобильных бензинов.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
На кафедре Химической технологии топлива и Химической кибернетики Томского политехнического университета была разработана интеллектуальная компьютерная система для сопровождения процесса производства моторных топ-лив «Compounding». Физико-химической основой системы является методика, описывающая природу возникновения неаддитивности октановых чисел как результата наличия межмолекулярных взаимодействий между углеводородами, обусловленных полярностью молекул смеси [1, 2].
В основе методики лежат количественные закономерности между величиной полярности компонентов бензиновой смеси (дипольным моментом) и неаддитивностью октановых чисел смешения:
ON . =V (ON ■ C ) + УУ BBCC ;
mix / v v i i ' / v / v i j i j '
i=1 j=2 j
B = «
D
v D .
V max y
где ONmix- октановое число смешения бензинов; С. - концентрация i -го компонента, отн. ед.; В., Bj - коэффициенты неаддитивности, характеризующие склонность i-й молекулы к межмолекулярному взаимодействию c j-й молекулой; « и n - кинетические параметры, определяющие интенсивность межмолекулярных взаимодействий в зависимости от дипольного момента D; Dmax - максимальный дипольный момент. Значения коэффициентов Bi и октановых чисел по исследовательскому методу (ОЧИ) для некоторых веществ приведены в табл. 1.
Таблица1
Значения коэффициентов неаддитивности и октановых чисел для некоторых веществ Table 1. Values of the non-additive coefficients and octane numbers for some substances
№ Компонент Bi ОЧИ № Компонент Bi ОЧИ
1 н-бутан 0 93,6 7 бензол 0,98 120
2 изопентан 0,14 92 8 толуол 0,6 117
3 2,2-диметилбутан 0,03 92,5 9 ароматика С9+ -0,6 119
4 2,3-диметилбутан 0,16 100 10 бутен-1 1,28 100
5 метилциклопентан 0,15 91,3 11 бутен-2 1,18 103,2
6 циклогексан 0,08 67,2 12 метилбутены-1 1,18 103,5
ведено их агрегирование таким образом, чтобы конечный список был минимальным по количеству компонентов, но вместе с тем позволял бы точно рассчитывать октановые числа потоков. Агрегирование веществ, входящих в состав бензинов, в ключевые компоненты, осуществлялось на основе четырех наиболее значимых критериев: групповой принадлежности углеводородов [4], близости структуры молекул, октановых чисел и концентраций.
Конечным результатом агрегирования стал набор, содержащий 110 (10 н-парафиновых, 39 изопарафиновых, 15 нафтеновых, 32 олефиновых и 14 ароматических) ключевых компонентов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
С помощью интеллектуальной компьютерной системы «Compaunding», дополненной модулем автоматической обработки хроматограмм «UniCrom», были рассчитаны октановые числа по моторному (ОЧМ) и исследовательскому (ОЧИ) методам и ДНП продуктов каталитического ри-форминга - риформатов, различного состава (табл. 2).
Таблица 2
Результаты расчета характеристик риформатов Table 2. The results of calculation of reformates characteristics
Кроме того, программа позволяет рассчитывать такие характеристики товарных бензинов, как давление насыщенных паров (ДНП), вязкость и плотность. Исходными данными для расчета в программе являются данные об углеводородном составе потоков, направляемых на смешение, т. е. данные хроматографического анализа. В связи с отсутствием единой формы представления результатов хроматографического анализа и значительного отличия набора компонентов входящих в состав различных продуктов переработки нефти в системе присутствует модуль автоматизированной обработки хроматограмм «ишСгош». Внедрение данного программного модуля позволило не только унифицировать входные данные, но и создать логический фильтр, согласно которому стало возможным свести процесс компаундирования к определенному набору ключевых компонентов, формирующих конечное октановое число получаемого бензина [3].
В процессе разработки набора ключевых компонентов был осуществлен анализ топливных потоков, вовлекаемых в смешение, было выделено более 400 индивидуальных компонентов и произ-
Характеристики Риформат
№1 №2 №3 №4
ОЧИ 93,8 95,7 97,4 92,7
ОЧМ 84,2 86 87,5 83,3
ДНП, кПа 3,88 3,62 3,63 5,83
содержание бензола, % мас. 0,08 0,06 0,08 1,27
содержание ароматики, % мас. 67,87 70,15 72,83 66,49
Как видно из табл. 2, решающее влияние на октановое число риформатов оказывает содержание бензола и ароматических углеводородов - с увеличением содержания бензола и общей арома-тики увеличивается октановое число. Даже незначительное изменение содержания данных веществ в риформате существенно сказывается на октановом числе потока, а следовательно и на качестве производимого бензина.
Однако, зачастую, на предприятиях для производства товарных продуктов используется единая, утвержденная рецептура (табл. 3). С использованием программы «Сошраип^^» были рассчитаны характеристики бензинов, приготовленных по утвержденной рецептуре, при использовании двух наиболее различающихся по составу риформатов (риформат №1 и №3).
Таблица 3
Характеристики бензинов марки Регуляр-92 класса
ЕВРО-5 (утвержденная рецептура) Table 3. Characteristics of gasolines of Regular-92 grade
Как видно из табл. 3 при использовании риформата №3 получаемый бензин отвечает всем требованиям Технического регламента таможенного союза. Однако при использовании риформата №1 ОЧИ уменьшается примерно на 2 пункта, что делает бензин несоответствующим заявленной марке. Результаты, представленные в табл. 3, свидетельствуют о необходимости разработки индивидуальных рецептур смешения бензинов с учетом состава вовлекаемых потоков, что и было сделано с использованием системы «Compaunding» (табл. 4).
Таблица 4
Характеристики бензинов марки Регуляр-92 класса
ЕВРО-5 (скорректированные рецептуры) Table 4. Characteristics of gasoline of Regular-92 grade
Как видно из табл. 4, скорректированные рецептуры различаются в значительной степени. В виду того, что в риформате №1 содержание ароматики значительно меньше, это позволяет вовлекать его в производство бензина в больших количествах по сравнению с риформатом №3. Однако риформат №3 имеет большее ОЧИ, поэтому при его использовании не требуется добавлять октаноповышающую добавку МТБЭ и имеется возможность вовлечение в процесс бокового погона процесса риформинга.
ВЫВОДЫ
В ходе работы установлено, что состав вовлекаемых в процесс производства бензина ри-форматов оказывает значительное влияние на качество получаемого продукта, необходимым является разработка индивидуальных рецептур смешения бензинов с учетом состава вовлекаемых потоков.
С использованием интеллектуальной компьютерной системы «Compaunding», дополненной модулем автоматической обработки хромато-грамм «UniCrom», были скорректированы рецептуры производства бензина марки Регуляр-92, класса ЕВРО-5. Разработанный программный продукт позволяет выбирать оптимальную рецептуру приготовления бензина с учетом состава и перечня имеющихся потоков.
ЛИТЕРАТУРА
1. Смышляева Ю.А., Иванчина Э.Д., Кравцов А.В., Зы-онг Чи Туен. // Нефтепереработка и нефтехимия. 2010. № 9. C. 9-14;
Smyshlyaeva Yu.A., Ivanchina E.D., Kravtsov A.V., Zuong Chi Tuen // Nefteperer. i neftekhim. 2010. N 9. P. 914 (in Russian).
2. Иванчина Э.Д., Чеканцев Н.В., Сахневич Б.В., Май-
лин М.В. // Нефтепереработка и нефтехимия. 2013. № 10. С. 28-33;
Ivanchina E.D., Chekantsev N.V., Sakhnevich B.V., Maiylin M.V. // Nefteperer. i neftekhim. 2013. N 10. P. 2833 (in Russian).
3. Киргина М.В. Чеканцев Н.В., Сахневич Б.В., Иван-чина Э.Д. // Изв. Томск. политех. ун-та. 2014. Т. 324. № 3. С. 66-76;
Kirgina M.V., Chekantsev N.V., Sakhnevich B.V., Ivanchina E.D. // Izv. Tomskogo Polytekh. Universiteta. 2014. V. 324. N 3. P. 66-76 (in Russian).
4. Нефтепродукты. Свойства, качество, применение: справочник. Под ред. Б.В. Лосикова. М.: Химия. 1966. 776 с.; Petroleum products. Properties, quality, use. Handbook. Ed. B.V. Losikov.M.: Khimiya. 1966. 776 p.
of EURO-5 brand (corrected recipes)
Потоки Рецептура смешения, % мас.
Риформат № 1 Риформат № 3
Риформат 51,5 47,4
Боковой погон риформинга - 3
Изомеризат 36,3 41,6
н-бутан 10,6 8
МТБЭ 1,6 -
Характеристики
ОЧИ 92 92
ДНП, кПа 89,78 83,09
содержание бензола, % мас. 0,04 0,19
содержание ароматики, % мас. 34,95 34,94
of EURO-5 brand (approved recipe)
Потоки Рецептура смешения, % мас.
Риформат 47,4
Боковой погон 3
риформинга
Изомеризат 41,6
н-бутан 8
Характеристики Состав риформата
Риформат №1 Риформат №3
ОЧИ 90,2 92
ДНП, кПа 83,21 83,09
содержание бензола, % мас. 0,19 0,19
содержание ароматики, % мас. 32,59 34,94
Кафедра химической технологии топлива и химической кибернетики
