Математическое моделирование процессов производства бензинов на Павлодарском НХЗ

Введение…………………………………………………………………………5
Глава 1. Современное состояние технологии производства высокооктановых
бензинов………………………………………………………………………..12
1.1 Характеристика казахстанской нефти……………………………………12
1.2 Теоретические основы производства высокооктановых
топлив……………………………………………………………………………18
1.3 Достижения в разработке и использовании катализаторов при
производстве высокооктановых бензинов……………………………………19
1.4 Современные технологии производства высокооктановых
топлив…………………………………………………………………………..23
1.5 Математическое моделирование процессов производства товарных
бензинов………………………………………………………………………..25
1.6 Постановка цели и задач исследования………………………………….29
Выводы по главе 1………………………………………………………………….31
Глава 2. Объект и методы исследования………………………………………32
2.1 Характеристика объекта исследования……………………………………32
2.1.1 Технологическая установка процесса каталитического риформинга
бензинов………………………………………………………………………..32
2.1.2 Технологическая установка процесса изомеризации бензиновых
фракций………………………………………………………………….……..34
2.1.3 Технологическая установка компаундирования высокооктановых
бензинов………………………………………………………………..………38
2.2 Метод математического моделирования для совершенствования
действующих технологий производства бензинов………………..………… 42
2.2.1 Разработка математической модели для действующей установки
каталитического риформинга………………………………………..…………43
2.2.2 Расчет кинетических параметров процессов изомеризации………….45
Выводы по главе 2…………………………………………………………………..46
Глава 3. Определение эффективности различных технологий процесса
изомеризации методом математического моделирования………………..…48
3.1 Влияние состава сырья на продукт изомеризации легких бензиновых
фракций……………………………………..……………………………………………51
3.2 Зависимость продукта изомеризации от технологических условий
протекания процесса………………………………………………………………………………54
3.2.1 Влияние температуры процесса…………………………………………54
3.2.2 Влияние давления………………………………………………………..55
Выводы по главе 3………………………………………………………………….57
Глава 4. Анализ промышленной эксплуатации Pt-Re катализатора
риформинга на промышленной установке методом прогностического
моделирования……………………………………………………………………………………….59
4.1 Влияние характеристик перерабатываемого сырья на выход продуктов
риформинга……………………………………………………………………………………………68
4.2 Зависимость выхода целевых продуктов от основных технологических
параметров процесса риформинга…………………………………………………………..70
Выводы по главе 4………………………………………………………………………………….76
Глава 5. Влияние состава и качества сырья на рецептуру и свойства
получаемых моторных топлив………………………………………………………….77
Выводы по главе 5…………………………………………………………………………………. 85
Заключение ……………………………………………………………………………………………87
Список сокращений и условных обозначений………………………………………… 90
Список литературы……………………………………………………………………………….. 92
Приложение А. Характеристика бензиновых фракций нефтяных
месторождений Западной Сибири…………………………………………………………111
Приложение Б. Структура и основные блоки компьютерной системы
сопровождения процесса каталитического риформинга…………………………112
Приложение В. Авторские свидетельства………………………………………………116
Приложение Г. Меморандум о сотрудничестве и намерении………………….120

Оптимизация производства компонентов автомобильных бензинов с
использованием метода математического моделирования, основанного на
кинетических, термодинамических и гидродинамических закономерностях,
позволяет решать научно-технологические задачи. Выбор оптимальной
технологической схемы процесса изомеризации, на основе требуемых
параметров количества и качества изомеризата, позволяет экономично
использовать сырье за счет увеличения глубины переработки
непрореагировавших фракций (гексан, метилпентан, углеводороды С5-С6).
При работе установок с оптимальными технологическими параметрами
достигается максимальное октановое число продуктов реакции риформинга и
изомеризации, а также максимальный выход, увеличивается
продолжительность работы катализатора, влияние состава сырья на работу
установки, катализатора и на показатель продукта, определение оптимальной
активности катализатора риформинга, при которой выход риформата
максимальный, а отложения кокса минимальны.
По итогам выполненного исследования сделаны следующие выводы:
1. Формализованные схемы химического превращения углеводородов в
процессах каталитического риформинга и изомеризации содержат
индивидуальные и групповые компоненты, объединенные на основе их
физико-химических свойств, позволяют значительно упростить модель и
сократить количество рассматриваемых компонентов до 69.
2. Определены кинетические и гидродинамические закономерности
протекания процессов каталитического риформинга и изомеризации
бензиновых фракций, численно выраженных константами скоростей
химических реакций: реакции дегидрирования циклоалканов в ароматических
углеводородах (8,334 с-1) на порядок превышают константы скорости реакций
гидрокрекинга и дегидроциклизации нормальных парфинов (0,084 с -1 и 0,833
с-1) в процессе риформинга; реакция 3-метилпентана в н-гексан (0,590 с-1) в
несколько раз превышает константы скорости реакции изопентана в н-пентан
и 2-метилпентан в 2,3-демитилбутан (0,0249 с-1 и 0,0288 с-1) в процессе
изомеризации. Кинетические закономерности реакции перегруппировки
молекулярной структуры нормальных парафинов С5-С6 в парафины
изостроения в процессе изомеризации на хлорированном оксиде алюминия,
содержащем платиновый промотор I-84 в среде водородсодержащего газа.
3. Проведена оценка адекватности математической модели на
промышленных данных. Относительная погрешность не превышает 3 % для
расчета процесса каталитического риформинга и 1 % для модели процесса
изомеризации.
4. Для анализа эффективности различных технологий было взято 10
экспериментов с различными составами углеводородного сырья и
технологическими параметрами протекания процесса изомеризации.
По схеме «за проход» показатель октанового числа в среднем составляет
80,5 пунктов. Данная схема является наиболее экономически целесообразной.
Расчеты, проводимые по схеме с рециклом по гексану и метилпентанам,
обеспечивают прирост октанового числа на 8-9 пунктов в сравнении со схемой
«за проход». Данная схема подразумевает установку дополнительной колонны
деизогексанизации после основных реакторов изомеризации.
5. Проведен анализ влияния углеводородного состава сырья и
технологических параметров на качество продукта изомеризации.
Содержание в сырье: н-гексана – порядка 40 %, 2,2-диметилбутана – выше 3
%, 2,3-диметилбутана – около 20 %, циклогексана – больше 4 %, – увеличивает
ОЧИ продукта изомеризации относительно других экспериментов.
Отсутствие 2-метилпентана в составе сырья приводит к повышенному
значению ОЧИ изомеризата.
Оптимальное значение температуры для исследуемого сырья лежит в
пределах 120-130 ℃. При повышении температуры увеличивается количество
побочных реакций изомеризации.
Низкое давление в пределах 3,03-3,14 МПа благоприятно сказывается на
ОЧИ изомеризата. При повышении давления в реакторе уменьшается
содержание изо-пентана, 2,2-ДМБ и 2,3-ДМБ в изомеризате. Постепенно
увеличивается число побочных реакций процесса гидрирования, что в
совокупности уменьшает ОЧИ продукта.
6. Установлено, что совершенствование промышленных процессов
производства бензинов на ПХЗ обеспечивается применением математических
моделей, основанных на кинетическом описании с последующей
оптимизацией технологии, в том числе тестирование и выбор катализатора.
Показана эффективность замены катализатора RG-682 на катализатор ПР-81
при переработке высокопарафинистого сырья.
7. На основании исследования состава сырья и технологических
параметров на процесс риформинга, определены оптимальные параметры
процесса:
– температура: 480 – 495 ℃;
– давление: 2,05 – 2,15 МПа;
– расход сырья: 120 – 140 м3/час.
8. Произведен анализ влияния состава потоков, поступающих с
установок каталитического риформинга и изомеризации, на состав и
рецептуры автомобильных бензинов на Павлодарском НХЗ. Так, в составе
бензина АИ-92 содержится стабильный бензин каталитического крекинга,
риформат, изомеризат. Продукт каталитического риформинга обеспечивает
высокое октановое число по исследовательском методу за счет содержания
ароматических углеводородов в своем составе. Однако содержание
ароматических углеводородов ограничено до 35%, бензола – до 1% в составе
бензина. Изомеризат способствует увеличению октановой характеристики
бензинов, т.к. содержит большое количество изо-парафинов в своем составе,
но его использование ограничивается показателями плотности, т.к. изомеризат
имеет плотность 625-660 кг/м3. Плотность нетоварного бензина по
технологическим нормам должна быть в пределах 725-780 кг/м3.
Список сокращений и условных обозначений

NM/NA – соотношение металлического участка и кислотного
участка
BEA – β-zeolite
DGC – dry gel conversion
TEAOH – hydroxide of tetraethylammonium
SDA – structure-developing agent
ТПВ – температурно программированное восстановление
ZSM-5 – Zeolite Socony Mobil–5
B-ZSM-5 – boron-containing ZSM-5
NRTL – Non-Random Two-Liquid
ОЧМ – октановое число по моторному методу
ОЧИ – октановое число мо исследовательскому методу
ВСГ – водородсодержащий газ
С3 – пропан
С4 – бутан
nС4 – н-бутан
i-С4 – изо-бутан
С5 – пентан
iC5 – изо-пентан
nC5 – н-пентан
22MC4 – 2,2-диметилбутан
CC5 – циклопентан
23MC4 – 2,3-диметилбутан
2MC5 – 2-метилпентан
3 MC5 – 3-метилпентан
nC6 – н-гексан
MCC5 – метилциклопентан
24MC5 – 2,4-диметилпентан
33MC5 – 3,3-диметилпентан
CC6 – циклогексан
Benzene – бензол
223MC4 – 2,2,3-триметилбутан
22MC5 – 2,2-диметилпентан
23MC5 – 2,3-диметилпентан
33MC6 – 3,3-димметилгексан
2MC6 – 2-метилгексан
3MC6 – 3-метилгексан
nC7 – н-гептан
13MCC5(cis) – 1,3-диметилциклопентан(цис)
13MCC5(trans) – 1,3-диметилциклопентан(транс)
MCC6 – метилциклогексан
ECC5 – этилциклопентан
nC8 – нормальные УВ С8
iC8 – изо С8
N8 – нафтены дл С8
Toluene – толуол