Математическое моделирование процесса гидрокрекинга вакуумного газойля

Цель работы – математическое моделирование процесса гидрокрекинга вакуумного газойля с учетом реакционной способности реагирующих веществ. В ходе данной работы проводилось исследование влияния реакционной способности углеводородов на процесс гидрокрекинга вакуумного газойля, а также оценивалась вероятность разрыва связи в данных молекулах. Также проводилось исследование влияния технологических параметров, таких как давление и температура, на выход ароматических и предельных углеводородов.

Введение ………………………………………………………………………………………………….. 15
1.1 Состояние и перспективы развития процесса гидрокрекинга нефтяного
сырья в России ………………………………………………………………………………………….. 18
1.2 Схемы химических превращений, предложенные на современном этапе
развития исследований процесса гидрокрекинга нефтяного сырья ……………….. 22
1.3 Математические модели, разработанные на современном этапе развития
процесса гидрокрекинга нефтяного сырья ………………………………………………….. 31
1.4 Технологии процесса гидрокрекинга нефтяного сырья, применяющиеся на
современном этапе развития процесса………………………………………………………… 36
1.5 Постановка цели и задач исследования …………………………………………………. 40
2 Объекты и методы исследования …………………………………………………………….. 41
2.1 Объект исследования …………………………………………………………………………… 41
2.2 Методы исследования ………………………………………………………………………….. 43
2.2.1 Метод математического моделирования……………………………………………… 43
2.2.2 Методы квантовой химии для расчета термохимических свойств молекул
………………………………………………………………………………………………………………… 44
3 Расчеты и аналитика ………………………………………………………………………………. 47
3.1 Разработка математической модели процесса гидрокрекинга вакуумного
газойля …………………………………………………………………………………………………….. 47
3.2 Совершенствование кинетической модели процесса гидрокрекинга
вакуумного газойля …………………………………………………………………………………… 50
3.2.1 Оценка реакционной способности н-парафинов в зависимости от числа
атомов в молекуле …………………………………………………………………………………….. 52
3.2.2 Оценка вероятности разрыва связей в различном положении в молекуле
при гидрокрекинге н-парафинов ………………………………………………………………… 53
4 Результаты разработки ……………………………………………………………………………. 68
5 Финанcовый менеджмент, реcурcоэффективноcть и реcурcоcбережение ……. 71
5.1 Предпроектный анализ…………………………………………………………………………. 71
5.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ………………………. 72
5.1.2 Диаграммы Исикавы …………………………………………………………………………. 73
5.2.1 Оценка готовности проекта к коммерциализации ………………………………… 74
5.2.2 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования ……………………………………………………………………………………………. 75
5.3 Инициация проекта ……………………………………………………………………………… 77
5.3.1 Цели и результат проекта …………………………………………………………………… 77
5.3.2 Организационная структура проекта. …………………………………………………. 78
5.3.3 Ограничения и допущения проекта …………………………………………………….. 79
5.4 Планирование управления научно-техничеcким проектом ……………………… 80
5.4.1 Иерархичеcкая cтруктура работ проекта …………………………………………….. 80
5.4.2 Контрольные cобытия проекта …………………………………………………………… 80
5.4.3 План проекта …………………………………………………………………………………….. 81
5.4.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) …………………………….. 83
5.4.5 Организационная cтруктура проекта ………………………………………………….. 87
5.4.6 Потенциальные риcки ……………………………………………………………………….. 88
5.5 Определение реcурcной (реcурcоcберегающей), финанcовой, бюджетной,
cоциальной и экономичеcкой эффективноcти иccледования ………………………… 89
5.5.1 Оценка cравнительной эффективноcти иccледования ………………………….. 89
6 Социальная ответственность …………………………………………………………………… 93
6.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …………. 94
6.2 Производственная безопасность …………………………………………………………… 96
6.2.1 Анализ вредных факторов …………………………………………………………………. 97
6.2.2 Анализ опасных факторов …………………………………………………………………. 99
6.2.2.1 Электрический ток …………………………………………………………………………. 99
6.2.2.2 Пожаробезопасность …………………………………………………………………….. 100
6.2.3 Мероприятия по снижению уровней воздействия опасных и вредных
факторов на исследователя, необходимые лаборатории …………………………….. 102
6.2.3.1 Электробезопасность …………………………………………………………………….. 102
6.2.3.2 Пожаробезопасность …………………………………………………………………….. 103
6.2.3.3 Микроклимат ……………………………………………………………………………….. 103
6.3 Экологическая безопасность ………………………………………………………………. 103
6.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………….. 105
Заключение …………………………………………………………………………………………….. 108
Список публикаций студента: ………………………………………………………………….. 109
Список используемых источников ……………………………………………………………. 110
Приложение А ………………………………………………………………………………………… 117
Приложение Б …………………………………………………………………………………………. 118

Литературный обзор показал, что спрос на гидрогенизационные
процессы растет с каждым днем, а именно на процесс гидрокрекинга
вакуумного газойля. Это связано с большим количеством тяжелого нефтяного
сырья, со сложностями при добыче легкой нефти.
В ходе научно-исследовательской работы были изучены основные
варианты проведения процесса гидрокрекинга вакуумного газойля: легкий и
глубокий. Также рассмотрены различные схемы превращений углеводородов в
ходе процесса, представленные на современном этапе развития.
Продуктами процесса гидрокрекинга являются дизельная, керосиновая и
бензиновая фракции, а также углеводородный газ. Выход и качество
получаемой продукции напрямую зависят от сырья, условий проведения
процесса и выбор того или иного типа катализатора.
С помощью программного пакета Gaussian были рассчитаны
термодинамические параметры для молекул С 12-С40, которые затем
использовались для расчета реакционной способоности углеводородов.
Проводилась оценка реакционной способности углеводородов, а также оценка
вероятности разрыва связи в данных молекулах. Исследование показало, что
реакционная способность н-парафинов в реакции гидрокрекинга прямо
пропорциональна числу атомов углерода в молекуле н-парафина.
В ходе данной работы проводилось исследование влияния
технологических параметров, таких как даление и температура, на выход
ароматических и предельных углеводородов. Выявлена одна и таже
закономерность для двух различных составов сырья: при увеличении
температуры и давления процесса выход ароматических углеводородов
уменьшается, а выход предельных углеводородов увеличивается. На основании
литературных источников, представленных в работе можно сделать вывод о
том, что более мягкие условия проведения процесса способствуют образованию
дизельной фракции и средних дистиллятов, а более жесткие условия
способствуют образованию бензинов.
Список публикаций студента:
1. Бедарева Е.К. Моделирование процесса гидрокрекинга вакуумного
газойля. Химия и химическая технология XXI веке: материалы XIX
Международной научно-практической конференции имени профессора Л.П.
Кулёва студентов и молодых ученых (Томск, 21–24 мая 2018 г.) / Томский
политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического
университета. – 2019. –С. 348.
2. Бедарева Е.К., Белинская Н.С. Моделирование процесса
гидрокрекинга вакуумного газойля. Химия и химическая технология XXI веке:
материалы XX Международной научно-практической конференции имени
профессора Л.П. Кулёва студентов и молодых ученых (Томск, 20–23 мая 2019
г.) / Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского
политехнического университета. – 2019. –С. 343.

1.ХавкинВ.А.,ГуляеваЛ.А.,ВинокуровБ.В.Место
гидрогенизационных процессов в модернизации нефтеперерабатывающей
промышленности России // Нефтепереработка и нефтехимия.Научно-
технические достижения и передовой опыт. – 2014. – № 7. – С. 8-11.
2. Технический регламент таможенного союза «О требованиях к
автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу,
топливу для реактивных двигателей и мазуту».
3. Хавкин В.А., Гуляева Л.А., Чернышёва Е.А. Варианты процесса
гидрокрекинга вакуумных дистиллятов // Мир нефтепродуктов. Вестник
нефтяных компаний. – 2014. – № 4. – С. 8-12.
4. Хавкин В.А., Гуляева Л.А. Перспективы развития процесса
гидрокрекинга на НПЗ России // Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-
технические достижения и передовой опыт. – 2016. – № 2. – С. 8-15.
5. Капустин В.М., Золовкин Ф.В., Соснова Н.А., Златкина Ю.Е.
ОАО «ТАНЕКО». Установка гидрокрекинга // Мир нефтепродуктов. Вестник
нефтяных компаний. – 2014. – № 1. – С. 21-24.
6. Ковтун М.Е. Модернизация Ильского НПЗ // Нефть. Газ. Новации. –
2014. – № 8(187). – С. 6-9.
7. Капустин В.М., Яскин В.П., Семенов В.Н., Степанников С.В.
ЗАО «Рязанская НПК». Строительство комплекса гидрокрекинга вакуумного
газойля // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. – 2014. – № 1. –
С. 34-35.
8. Хавкин В.А., Гуляева Л.А., Чернышева Е.А., Петров С.М., Лахова
А.И. Технологические схемы процесса гидрокрекинга дистиллятного сырья //
Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой
опыт. – 2017. – № 5. – С. 3-6.
9. Богданчик Н.Л. Комплекс гидрокрекинга. Новый этап в жизни завода
// Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и
передовой опыт. – 2016. – № 3. – С. 9-17.
10. Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа:
Учебное пособие для вузов – Уфа: Гилем, 2013. – 868 с.
11. Богомолов А.И., Гайле А.А., Громова В.В. Химия нефти и газа:
Учебное пособие для вузов – СПб: Химия, 1995. – 448 с.
12. Капустин В.М., Гуреев А.А. Технология переработки нефти. Часть
вторая. Деструктивные процессы: Учебники и учебные пособия для студентов
вузов – Москва: Колос, 2007. – 334 с.
13. Дик П.П., Надеина К.А., Казаков М.О., Климов О.В., Герасимов
Е.Ю., Просвирин И.П., Носков А.С. Гидрокрекинг вакуумного газойля на
NiMo/AAC-Al2O3 катализаторах, приготовленных с использованием лимонной
кислоты: влияние температуры термообработки катализатора // Катализ в
нефтеперерабатывающей промышленности. – 2017. – № 5. – С. 359-372.
14. Хавкин В.А., Гуляева Л.А., Чернышева Е.А., Петров С.М, Лахова
А.И.Превращениеуглеводородоввпроцессегидрокрекинга//Мир
нефтепродуктов. – 2017. – №4. – С. 4-8.
15. Becker P.J., Serrand N., Celse B., Guillaume D., Dulpt H. A single events
microkinetic model for hydrocracking of vacuum gas oil // Computers and Chemical
Engineering. – 2017. – Vol 98. – P. 70–79.
16. Cristian J., Calderón, Ancheyta J. Modeling of CSTR and SPR small-
scale isothermal reactors for heavy oil hydrocracking and hydrotreating // Fuel. –
2018. – Vol 216. – P. 852-860.
17. Claudia X. Ramírez, Juan E. Torres, David de J. Pérez-Martínez, Kafarov
V., Alexander Guzman A. Hydrocracking reaction model of petroleum heavy cuts
using molecular reconstruction // Proceedings of the 26 th European symposium on
computer aided process engineering. – Vol 26. – P. 2271-2276.
18. Becker P.J., Serrand N., Celse B., Guillaume D., Dulpt H. Comparing
hydrocracking models: Continuous lumping vs. single events // Fuel. – 2016. – Vol
165. – P. 306-315.
19. Ancheyta J., Sánchez S., Rodríguez M.A. Kinetic modeling of
hydrocracking of heavy oil fractions: A review // Catalysis Today. – 2005. – Vol.
109. – Issues 1–4. – P. 76-92.
20. Qader S.A., Hill G.R. Hydrocracking of petroleum and coal oils: A
review // Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development. –
1969. – Vol. 8. – P. 462-469.
21. Sanchez S., Rodrıguez M.A., Ancheyta J. Kinetic model for moderate
hydrocracking of heavy oils: A review // Industrial & Engineering Chemistry
Research. – 2005. – Vol. 44. – P. 9409-9413.
22. Lababidi H.M.S., Chedadeh D., Riazi M.R., Al-Qattan A., Al-Adwani H.
Prediction of product quality for catalytic hydrocracking of vacuum gas oil: A
review // Fuel. – 2011. – Vol. 90. – P. 719-727.
23. Laxmi Narasimhan C.S., Thybaut J.W., Marin G.B., Denayer J.F., Baron
G.V., Martens, J.A. Relumped single-event microkinetic model for alkane
hydrocracking on shape-selective catalysts: catalysis on ZSM-22 pore mouths, bridge
acid sites and micropores: A review // Chemical Engineering Science. – 2004. – Vol.
59. – P. 4765-4772.
24. Becker P.J., Celse B., Guillaume D., Dulot H., Costa V. Hydrotreatment
modeling for a variety of VGO feedstocks: a continuous lumping approach: A review
// Fuel. – 2015. – Vol. 139. – P. 133-143.
25. Becker P.J., Celse B., Guillaume D., Costa V., Bertier L., Guillon E. A
continuous lumping model for hydrocracking on a zeolite catalysts: model
development and parameter identification: A review // Fuel. – 2016. – Vol. 164. – P.
73–82.
26. Lababidi H.M.S., AlHumaidan F.S. Modeling the hydrocracking kinetics
of atmospheric residue in hydrotreating processes by the continuous lumping
approach: A review // Energy Fuels. – 2011. – Vol. 25. – P. 1939–1949.
27. Stangeland B.E. Kinetic model for the prediction of hydrocracker yields:
A review // Industrial & Engineering Chemistry Process Development. – 1974. – Vol.
13. – P. 71-76.
28. Baltanas M.A., Van Raemdonck K.K., Froment G.F., Mohedas S.R.
Fundamental kinetic modeling of hydroisomerization and hydrocracking on noble
metal-loaded faujasites.1. Rate parameters for hydroisomerization: A review //
Industrial & Engineering Chemistry Research. – 1989. – Vol. 28. – P. 899-910.
29. Baltanas M.A., Froment G.F. Computer generation of reaction networks
and calculation of product distributions in the hydroisomerization and hydrocracking
of paraffins on Pt-containing bifunctional catalysts: A review // Computers and
Chemical Engineering. – 1985. – Vol 9. – P. 71–81.
30. Froment G.F. Kinetics of the hydroisomerization and hydrocracking of
paraffins on a platinum containing bifunctional Y-zeolite: A review // Catalysis
Today. – 1987. – Vol. 1. – P. 455-473.
31. Hillewaert L.P., Dierickx J.L., Froment G.F. Computer generation of
reaction schemes and rate equations for thermal cracking: A review // AIChE. – 1988.
– Vol. 34. – P. 17-24.
32. Van Raemdonck K.K., Froment G.F. Fundamental kinetic modeling of
hydroisomerization and hydrocracking on noble metal-loaded zeolites. II. The
elementary cracking steps: A review // AIChE Meeting. – 1989.
33. Vynckier E., Froment G. Modeling of the kinetics of complex processes
based upon elementary steps. In: Astarita, G., Sandler, S.I. (Eds.) Kinetics and
Thermodynamics in Multicomponent Mixtures. Elsevier Science Publishers,
Amsterdam. – 1991.
34. Guillaume D., Valéry E., Verstraete J.J., Surla K., Galtier P., Schweich D.
Single event kinetic modelling without explicit generation of large networks:
application to hydrocracking of long paraffins: A review // Oil & Gas Science and
Technology – Rev. IFP Energies nouvelles. – 2011. – Vol. 66. – P. 399-422.
35. Froment G.F. Single event kinetic modelling of complex catalytic
processes: A review // Catalysis Reviews. – 2005. – Vol. 47. – P. 83-124.
36. Kumar H., Froment G.F.A. Generalized mechanistic kinetic model for the
hydroisomerization and hydrocracking of long-chain paraffins: A review //
Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2007. – Vol. 46. – P. 4075-4090.
37. Kumar H. Single Event Kinetic Modellling of the Hydrocracking of
Paraffins: A review // A&M Univeristy, Texas. – 2004.
38. Mitsios M., Guillaume D., Galtier P., Schweich D. Single-event
microkinetic model for long-chain paraffin hydrocracking and hydroisomerization on
an amorphous Pt/SiO2Al2O3 catalyst: A review // Industrial & Engineering Chemistry
Research. – 2009. – Vol. 48. – P. 3284-3292.
39. Valery E., Guillaume D., Surla K., Galtier P., Verstraete J., Schweich D.
Kinetic modeling of acid catalyzed hydrocracking of heavy molecules: application to
squalane: A review // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2007. – Vol.
46. – P. 4755-4763.
40. Valery E. Application De La Theorie Des evenements Constitutifs a
l’hydrocraquage Des Paraffines Lourdes: Universite Lyon 1 (IFPEN). – 2007.
41. Van de Runstraat A., van Grondelle J., van Santen R.A. Microkinetics
modeling of the hydroisomerization of n-hexane: A review // Industrial &
Engineering Chemistry Research. – 1997. – Vol. 36. – P. 3116-3125.
42. Holló A., Hancsók J., Kalló D. Kinetics of hydroisomerization of C 5–C7
alkanes and their mixtures over platinum containing mordenite: A review // Applied
Catalysis A: General. – 2002. – Vol. 229. – P. 93-102.
43. Топильников В.И., Сосна М.Х., Лапидус А.Л. Разработка модели
процесса гидрокрекинга нормальных парафинов // Химия твердого топлива. –
2012. – №2. – С. 25-32.
44. Ramakanta S., Byung J. Song, Ji S. Im, Young-Pyo J., Chul W. L. A
review of recent advances in catalytic hydrocracking of heavy residues: A review //
Journal of Industrial and Engineering Chemistry. – 2015. – Vol.27. – P. 12-24.
45. Мейерс Р.А. Основные процессы нефтепереработки. Справочник:
пер. с англ. 3-го изд. / Под ред. Глаголевой О.Ф., Лыкова О.П. – СПб.: ЦОП
«Профессия», 2011. – 944 с.
46. Белинская Н.С. Совершенствование работы сопряженной системы
«реактор-колонна стабилизации» процесса каталитической депарафинизации
дизельныхфракцийнефтиметодомматематическогомоделирования.
Диссертация на соискание ученой степени технических наук. – Томск: Изд.
Томского политехнического университета, 2015. – 170 с.
47. Ушева Н.В., Мойзес О.Е., Митянина О.Е., Кузьменко Е.А.
Математическое моделирование химико-технологических процессов. Учебное
пособие. – Томск: Изд.Томского политехнического университета, 2014. – 135 с.
48.ЗагоруйкоА.Н.Основыматематическогомоделирования
каталитическихреакторов.Учебноепособие.–Новосибирск:Изд.
Новосибирского государственного университета, 2015. – 64 с.
49. Сталл Д., Вестрам Э., Зинке Г. Химическая термодинамика
органических соединений. – М: Мир, 1971. – 806 с.
50. Татевский В.М. Физико-химические свойства индивидуальных
углеводородов. – М: Гостоптехиздат, 1960. – 412 с.
51. Полещук О.Х., Кижнер Д.М. Химические исследования методами
расчета элекронной структуры молекул. Учебно-методическое пособие. –
Томск: Изд. ТГПУ, 2006. – 146 с.
52. Dutriez T., Thiébaut D., Courtiade M., Dulot H., Bertoncini F., Hennion
M. C. Application to SFC-GCxGC to heavy petroleum fractions analysis // Fuel. ‒
2013. ‒ V. 104. ‒ P. 583–592.
53. Belinskaya N.S., Frantsina E.V., Ivanchina E.D. Unsteady-state
mathematical model of diesel fuels catalytic dewaxing process // Catalysis Today. –
2019. – Vol. 329. – P. 214-220.
54. Овчинникова А.В., Болдинов В.А., Есипко Е.А., Прозорова И.С.
Влияние н-парафинов на низкотемпературные свойства летнего дизельного
топлива // Химия и технология топлив и масел. – 2005. – №6. – С. 28-31.
55. Flinn R. A., Larson A., Beuther H. The mechanism of catalytic
hydrocracking // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. ‒ 1960. ‒ Vol. 52.
– P. 745.
56.Финансовыйменеджмент,ресурсоэффективностьи
ресурсосбережение: учебно-методическое пособие / Н.А. Гаврикова, И.Г.
Видяев, Г.Н. Серикова; Томский политехнический университет. − Томск:
Изд-во Томского политехнического университета. – 2014. – 73 с.
57.Финансовыйменеджмент,ресурсоэффективностьи
ресурсосбережение: учебно-методическое пособие / Н.А. Гаврикова, Л.Р.
Тухватулина, И.Г. Видяев; Томский политехнический университет. − Томск:
Изд-во Томского политехнического университета. – 2014. – 73 с.
58. ГОСТ 12.1.007 – 76. Вредные вещества. Классификация и общие
требования безопасности.
59. ГОСТ 12.1.005. Общие санитарно-гигиенические требования к
воздуху рабочей зоны.
60. ГОСТ 12.4.011–89 ССБТ. Средства защиты работающих. Общие
требования и классификация.
61.ГОСТ Р12.1.019-2009 ССБТ.Электробезопасность.Общие
требования и номенклатура видов защиты.
62. ГОСТ 12.1.004. – 91. Пожарная безопасность. Общие требования.
63.ГорячевС.А.,КлубаньВ.С.Пожарнаяпрофилактика
технологических процессов производств. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1983.
64. РД 153-34.0-03.702-99. Инструкция по оказанию первой помощи при
несчастных случая на производстве.
65. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200–03. Санитарно-защитные зоны и санитарная
классификация предприятий, сооружений и иных объектов.
66. Абросимов А.А. Экологические аспекты производства и применения
нефтепродуктов. М.: БАРС, 1999 – 732с.
67. ГОСТ Р 22.9.22. – 2014. Безопасность в чрезвычайных ситуациях.
68. Трудовой кодекс РФ.