Химия и химические технологии/ 5.Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий

Денисов К.Ю., Чуракова С.К. (д.т.н.), Хайрутдинов И.А.

Уфимский государственный нефтяной технический университет, Россия

Проблема запаса качества и прогнозирования октанового числа товарных бензинов

Актуальность работы обусловлена ужесточением экологических и эксплуатационных характеристик, предъявляемых к продуктам нефтепереработки в целом и, в частности, к моторным топливам [1]. Одними из наиболее востребованных и, как следствие, многотоннажных и маржинальных продуктов нефтепереработки являются автомобильные бензины [2]. Ключевым и наиболее ответственным этапом в приготовлении топлива с учетом строгого соблюдения качественных и количественных показателей его производства является компаундирование (смешение компонентов товарного автобензина) [3-6]. Соблюдение жестких норм по качественным характеристикам и минимизация рисков получения некондиционных партий продукта (брак) приводит к тому, что показатели качества выпускаемых автобензинов «на выходе» превышают необходимые требования ГОСТ. Это явление на некоторых НПЗ принято называть «запас по качеству». Запас по качеству в товарных продуктах приводит к росту экономических издержек – увеличению себестоимости за счет дополнительного вовлечения более дорогих высокооктановых компонентов и, как следствие, неоптимальному компаундированию и распределению потоков на НПЗ [7,8].

В реальных условиях паспортные характеристики автобензинов должны быть не ниже требований ГОСТа, но максимально близки. Или, проще говоря, необходимо максимальное уменьшение запаса по качеству. Количественные данные запаса по качеству в зависимости от сложности и технологической укомплектованности НПЗ могут достигать одного пункта октанового числа, определяемого по исследовательскому методу (ОЧИМ) [8] .

Оптимизация процесса компаундирования – комплексная задача. Один из ее аспектов – создание модели адекватно прогнозирующей октановое число – базовую эксплуатационную характеристику получаемого бензина, в зависимости от свойств его компонентов [7,8]. Создание подобной модели позволит осуществлять приготовление товарных автобензинов с меньшим запасом по качеству.

Обзорный анализ существующих подходов к математическому моделированию и прогнозированию октанового числа автобензинов показывает, что большинство расчетных моделей и методов определения октанового числа на современных НПЗ основаны на линейной зависимости. То есть октановое число смеси линейно зависит от октановых чисел компонентов смешения. При осмыслении проблемы моделирования октанового числа смеси, логически и интуитивно мы ожидаем наличия неаддитивности этого свойства бензина, то есть при смешении компонентов бензина, к примеру, с октановым числом по исследовательскому методу 90 и 100 в равных доля по массе, октановое число полученной смеси не будет равняться 95. Данное предположение подтверждается экспериментальными и литературными данными [9]. Результаты, полученные линейным методом, позволяют лишь в первом приближении оценить октановое число смеси (для вышеприведенного примера мы можем лишь утверждать, что октановое число будет находиться в пределах 90-100 пунктов).

Одним из объяснений отклонения октановых чисел бензина ориентационное межмолекулярное взаимодействие компонентов бензинов, которое определяется величиной дипольных моментов молекул[8,9]. Дипольные моменты основных классов углеводородов приведены на рисунке 1 [8].

Рисунок 1 – Дипольные моменты различных групп углеводородов

В рамках изучения неаддитивности октанового числа был произведен ряд лабораторных исследований в области предварительного определения октанового числа смеси бензинов в зависимости от свойств компонентов (их октановой характеристики и группового углеводородного состава). Исследование производилось на НПЗ и включало в себя несколько этапов[8].

На первом этапе, на основе материальных балансов предприятия, были определены четыре базовых компонента получаемого бензина марки АИ-95 (Премиум) и их массовые доли: алкилат (25%), бензин каталитического крекинга (12%), узкая фракция 100 ⁰С-к.к. (12%), бензин каталитического риформинга (34%).

На втором этапе, после отбора соответствующих проб, были проведены лабораторные исследования – составлена схема опытов, состоящая из двух частей:

1) В первой постепенно увеличивали содержание одного из компонентов от 0 до 75% по массе. Таким образом изучено влияние отдельных компонентов на характеристику получаемой смеси.

2) Во второй части – путем комбинации компоненты в массовых долях 40,30,20,10% во всех возможных вариантах, удалось изучить взаимное влияние всех компонентов смеси. Определенные в результате анализов октановые числа отдельных компонентов, получаемых смесей, их групповые углеводородные составы были подвергнуты корреляционному и регрессионному анализу, целью которых был переход от линейной (уравнение 1):

ОЧИМ _адд.=∑(ОЧИМ_{i-го к-та} * m_{доля i-го к-та}) (1)

к линейно-регрессионной модели (уравнение 2):

ОЧИМ _адд.=∑(ОЧИМ_{i-го к-та} ∙ m_{доля i-го к-та}) + α₁∙Olef + α₂∙Arom, (2)

где α₁,α₂ – коэффициенты регрессии;

Olef, Arom –массовое содержание олефиновых и ароматических углеводородов;

содержащей поправку на содержание ароматических и олефиновых углеводородов (носителей наибольших дипольных моментов). Сравнение результатов расчетов с использованием линейной и линейно-регрессионной моделей с фактическими данными лабораторных анализов представлены на рисунке 2:

Рисунок 2 – Сравнительный анализ данных ОЧИМ

В результате проведения исследований получены следующие промежуточные результаты:

1)Предложена математическая модель позволяющая прогнозировать октановую характеристику бензина до его приготовления, по характеристикам его компонентов, в условиях реального НПЗ;

2)Линейно-регрессионная модель показывает лучшие результаты по сравнению с линейной моделью, при этом имеется значительный потенциал для дальнейшего улучшения и перехода на следующий качественно новый этап предвычисления октановых чисел с помощью нейронных сетей [10];

3)Полученная модель проста, позволяет прогнозировать компаундирование в производстве с точностью допускающей минимизацию запаса по качеству и может корректироваться статистическими данными в процессе эксплуатации;

Литература:

1. Технический регламент "О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ".

2. Г. Л. Матузов, А. Ф. Ахметов Развитие производства автомобильных бензинов в России // Башкирский химический журнал. – 2007. – №14. – С. 64-66.

3. Поздяев В.В., Сомов В.Е., Лисицын Н.В., Кузичкин Н.В. Оптимальное компаундирование бензинов // Нефтепереработка и нефтехимия. – 2002. – № 10. – С. 53–57.

4. Ахметов С. А. Технология глубокой переработки нефти и газа: Учебное пособие для вузов. — Уфа: Гилем, 2002. — 672 с.

5. Справочник нефтепереработчика / Под ред. Г. А. Ластовкина, Б. Д., Радченко, М. Г. Рудина.— М.: Химия, 1986.— 648 с.

6. Гуреев А. А., Азев В. С. Автомобильные бензины. Свойство и применение. — М.: Нефть и газ, 1996.— 444 с.

7. Денисов К.Ю., Хайрутдинов И.А., Чуракова С.К. Совершенствование методики расчета октанового числа при компаундировании бензинов на НПЗ – Уфа: Актуальные проблемы науки и техники, 2015. – Том 1. – С. 267-269.

8. Хайрутдинов И.А., Денисов К.Ю., Белова Т.В. Разработка методики смешения товарных бензинов – Уфа: Материалы II Научно-технической конференции, 2015.– С. 51-52.

9. Смышляева Ю.А., Иванчина Э.Д., Кравцов А.В., Зыонг Ч.Т., Фан Ф. Разработка базы данных по октановым числам для математической модели процесса компаундирования товарных бензинов // Известия Томского политехнического университета. – 2011. – Т. 318. № 3. – С.75-80.

10. Paranghooshi E.,Sadeghi M.T.,Shafiei S.; перевела В. Залесская // Нефтегазовые технологии. - 2010. - №2. - С. 77-82.