Математическое моделирование процесса каталитической депарафинизации дизельных топлив
Выпускная квалификационная работа посвящена совершенствованию математической модели процесса каталитической депарафинизации дизельного топлива. Значимость работы заключается в увеличении эффективности процесса посредством подбора наиболее оптимальных параметров с целью минимизации расходов ресурсов предприятия при сохранении высокого выхода продукта с требуемыми показателями качества.
Введение ………………………………………………………………………………………………….. 16
1 Обзор литературы…………………………………………………………………………………… 19
1.1 Состояние и перспективы развития гидрогенизационных процессов
переработки углеводородного сырья в России …………………………………………….. 19
1.2 Катализаторы процесса гидродепарафинизации дизельных топлив …………. 22
1.3 Дезактивация катализаторов процесса гидродепарафинизации дизельных
топлив ……………………………………………………………………………………………………… 25
1.4 Влияние химического состава топлив на эксплуатационные показатели
дизельных двигателей ……………………………………………………………………………….. 29
1.5 Постановка цели и задач исследования …………………………………………………. 34
2. Объект и методы исследования ………………………………………………………………. 36
2.1 Процесс гидродепарафинизации дизельного топлива …………………………….. 36
2.2 Методы исследования ………………………………………………………………………….. 38
2.2.1 Метод математического моделирования для решения задачи повышения
ресурсоэффективности процессов нефтепереработки ………………………………….. 38
2.2.2 Квантово-химические методы расчета термохимических свойств
молекул ……………………………………………………………………………………………………. 44
3. Расчеты и аналитика ……………………………………………………………………………… 46
3.1. Разработка нестационарной математической модели процесса
каталитической депарафинизации дизельных топлив ………………………………….. 46
3.2 Совершенствование математической модели процесса каталитической
депарафинизации дизельных топив ……………………………………………………………. 47
3.2.1 Оценка реакционной способности н-парафинов в целевой реакции
гидрокрекинга в процессе каталитической депарафинизации в зависимости от
числа атомов в молекуле ……………………………………………………………………………. 50
3.2.2 Оценка вероятности разрыва связей в различном положении в молекуле
при гидрокрекинге н-парафинов в процессе каталитической
депарафинизации ……………………………………………………………………………………… 50
4 Результаты разработки ……………………………………………………………………………. 59
5 Финанcовый менеджмент, реcурcоэффективноcть и реcурcоcбережение ……. 63
5.1 Предпроектный анализ…………………………………………………………………………. 63
5.1.2 Диаграммы Исикавы …………………………………………………………………………. 66
5.2.1 Оценка готовности проекта к коммерциализации ………………………………… 66
5.2.2 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования ……………………………………………………………………………………………. 68
5.3 Инициация проекта ……………………………………………………………………………… 70
5.3.1 Цели и результат проекта …………………………………………………………………… 70
5.3.2 Организационная структура проекта ………………………………………………….. 71
5.3.3 Ограничения и допущения проекта …………………………………………………….. 72
5.4 Планирование управления научно-техничеcким проектом ……………………… 72
5.4.1 Контрольные cобытия проекта …………………………………………………………… 72
5.4.2 План проекта …………………………………………………………………………………….. 73
5.4.3 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) …………………………….. 75
5.4.4 Организационная cтруктура проекта ………………………………………………….. 80
5.4.5 Потенциальные риcки ……………………………………………………………………….. 80
5.5 Определение реcурcной (реcурcоcберегающей), финанcовой, бюджетной,
cоциальной и экономичеcкой эффективноcти иccледования ………………………… 82
5.5.1 Оценка cравнительной эффективноcти иccледования ………………………….. 82
6 Социальная ответственность …………………………………………………………………… 86
6.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …………. 87
6.1.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые
нормы трудового законодательства ……………………………………………………………. 90
6.2 Профессиональная социальная безопасность …………………………………………. 90
6.2.1 Анализ вредных факторов …………………………………………………………………. 91
6.2.2 Анализ опасных факторов …………………………………………………………………. 93
6.2.2.1 Электрический ток …………………………………………………………………………. 93
6.2.2.2 Пожаробезопасность ………………………………………………………………………. 94
6.2.3 Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия опасных
и вредных факторов. …………………………………………………………………………………. 96
6.2.3.1 Электробезопасность ………………………………………………………………………. 96
6.2.3.2 Пожаробезопасность ………………………………………………………………………. 96
6.2.3.3 Микроклимат …………………………………………………………………………………. 97
6.3 Экологическая безопасность ………………………………………………………………… 97
6.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………………. 99
Заключение …………………………………………………………………………………………….. 102
Список публикаций студента: ………………………………………………………………….. 104
Список используемых источников ……………………………………………………………. 106
Приложение А ………………………………………………………………………………………… 114
Приложение Б …………………………………………………………………………………………. 115
В последнее время наблюдается тенденция истощения запасов
легкоизвлекаемой нефти, в результате чего прирост нефтедобычи
обеспечивается за счет тяжелой и трудно извлекаемой нефти [1]. Однако
тяжелое нефтяное сырье имеет ряд недостатков, затрудняющих переработку, а
именно: высокая плотность и вязкость, высокое содержание смол и
асфальтенов, парафинов, серы и металлов (ванадия, никеля).
Для решения задач по переработке тяжелой нефти широкое применение
находят гидрогенизационные процессы, одним из которых является
каталитическая депарафинизация дизельного топлива. Процесс каталитической
депарафинизации позволяет перерабатывать средние дистилляты в компоненты
низкозастывающих сортов дизельного топлива [2, 3].
Также одной из важных задач нефтеперерабатывающих процессов
является подбор оптимальных технологических условий для увеличения
выхода целевых продуктов без потери качества и прогнозирование состава
продуктов в условиях нестацонарности протекания химических процессов. Для
решения данной задачи широко применяют компьютерные моделирующие
системы, разработанные на основании физико-химических свойств процесса.
Актуальными являются исследования процесса каталитической
депарафинизации дизельного топлива с использованием математической
модели, разработанной с учетом термодинамических и кинетических
закономерностей процесса, позволяющих оптимизировать промышленный
процесс, а также позволяют прогнозировать выход продуктов на основании
реакционной способности углеводородов.
Исследованиями процесса каталитической депарафинизации
занимаются следующие коллективы: научный коллектив отделения химической
инженерии Инженерной школы природных ресурсов Томского
политехнического университета в сотрудничестве
с ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез», г. Кириши, ОАО «ВНИПИнефть»,
г. Москва, ОАО «ВНИИ НП», г. Москва, УГНТУ, г. Уфа и др.
Объект исследования – процесс гидродепарафинизации дизельного
топлива, позволяющий преобразовать компоненты тяжелого нефтяного сырья в
моторные топлива высокого качества в условиях ужесточения экологических
требований и повышения спроса на рынке.
Предметом исследования являются физико-химические закономерности
протекания процесса каталитической депарафинизации дизельных топлив, а
также закономерности влияния технологических параметров, состава сырья и
активности катализатора на процесс.
Метод исследования – метод математического моделирования.
Целью работы является совершенствование математической модели
процесса каталитической депарафинизации дизельного топлива с учетом
реакционной способности реагирующих веществ.
Личный вклад заключается в: исследовании реакционной способности и
вероятности разрыва связи в молекулах н-парафинов в реакциях их
гидрокрекинга в условиях процесса каталитической депарафинизации
дизельных топлив; совершенствовании математической модели путем
включения математического описания выявленных закономерностей
реакционной способности в модель; исследовании закономерностей процесса
на усовершенствованной модели и его оптимизация.
Данная работа имеет практическое значение для оптимизации
промышленного процесса каталитической депарафинизации дизельного
топлива, которая позволяет осуществить исследование без вмешательства в
работу установок на промышленных предприятиях нефтеперерабатывающей
отрасли. Кроме того, модель может применяться для обучения персонала
промышленных предприятий и в образовательных программах учебных
заведений для изучения физико-химических закономерностей процесса и
закономерностей влияния технологических параметров, состава сырья и
активности катализатора на состав и свойства получаемого дизельного топлива.
Результаты исследований, проведенных в рамках магистерской
диссертации, были представлены на следующих симпозиумах и научно-
практических конференциях: XXIII Мeждунaрoдный нaучный cимпoзиум
cтудeнтoв и мoлoдых учeных имeни aкaдeмикa М.A. Уcoвa «Проблемы
гeoлoгии и ocвoeния нeдр» (г. Тoмcк, 2019 г.); XXIV Мeждунaрoдный нaучный
cимпoзиум cтудeнтoв и мoлoдых учeных имeни aкaдeмикa М.A. Уcoвa
«Прoблeмы гeoлoгии и ocвoeния нeдр» (г. Тoмcк, 2020 г.); XX Мeждунaрoднaя
нaучнo-прaктичecкaя кoнфeрeнция «Химия и химичecкaя тeхнoлoгия
в XXI вeкe» cтудeнтoв и мoлoдых учeных имeни прoфeccoрa Л.П. Кулeвa
(г. Тoмcк, 2019 г.).
1 Обзор литературы
Анализ литературных данных показал, что существующие на
сегодняшний день технологии производства зимнего и арктического
дизельного топлива являются не достаточно экономически эффективными и
обоснованными. Часть этих процессов не представляет возможности полного и
безостаточного вовлечения сырья, например, смешение дизельной фракции с
керосиновой, уменьшение температуры конца кипения фракции путем
экстракции некоторых соединений. Другая часть может оказаться слишком
дорогостоящей в больших масштабах производства, например, применение
депрессорных присадок. Поэтому процесс каталитической депарафинизации,
основанный на селективном превращении неразветвленных парафинов в изо-
соединения, имеющие более низкие значения температур застывания,
помутнения и предельной фильтруемости, становится все более широко
используемым на нефтеперерабатывающих производствах. Преимущество
этого процесса перед конкурентной ему технологией изомеризационной
депарафинизации заключается в стоимости катализатора, составляющую
большую часть расходов производства. Такой процесс позволяет получать
марки зимнего и арктического дизельного топлива, соответствующие
требованиям ГОСТ и европейских стандартов по низкотемпературным
характеристикам и содержанию серы.
Основная проблема, возникающая при эксплуатации промышленных
установок данного процесса – это сложность оптимизации технологических
параметров ввиду нестационарности процесса. Реакции протекают в
динамическом режиме в неподвижном слое бифункционального катализатора.
Катализатор, как правило, со временем теряет свою активность из-за
протекания побочных реакций, ведущих к необратимому закоксовыванию
кислотных и металлических активных центров катализатора.
Математическая модель процесса каталитической депарафинизации,
разработанная на основе термодинамических и кинетических закономерностей
основных и побочных реакций, протекающих на поверхности катализатора, а
также учитывающая факторы нестационарности процесса, такие как
дезактивация катализатора, меняющийся состав сырья установки и
реакционную способность углеводородов, позволяет решить одновременно
несколько задач. Во-первых, оптимизировать технологические режимы
реактора с учетом состава сырья, с возможностью получения высокого выхода
дизельного топлива (до 86 %) требуемого качества. Во-вторых, модель
позволяет прогнозировать технологические условия в реакторе с целью
получения оптимальных параметров, которые помогут сохранить ресурс
катализатора на максимально продолжительный срок.
Список публикаций студента:
1. Маужигунова Е.Н., Белинская Н.С., Белозерцева Н.Е. Исследование
процесса каталитической депарафинизации дизельного топлива // Проблемы
геологии и освоения недр: труды XXIII Международного симпозиума имени
академика М. А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 120-летию
со дня рождения академика К. И. Сатпаева, 120-летию со дня рождения
профессора К. В. Радугина – Томск: Изд-во ТПУ. – 2019. – Т. 2. – С. 342-344.
2. Маужигунова Е.Н., Белинская Н.С. Исследование процесса
каталитической депарафинизации дизельного топлива // Химия и химическая
технология в XXI веке: материалы XX Международной научно-практической
конференции имени профессора Л. П. Кулёва студентов и молодых ученых –
Томск: Изд-во ТПУ. – 2019. – С. 381-382.
3. Mauzhigunova E.N., Belinskaya N.S. Studing the pressure influence on the
process of diesel fuel catalytic dewaxing // Problems of Geology and exploitation of
mineral resources. XXII international symposium named after academician M. A.
Usov of students and young scientists, dedicated to the 120th anniversary of the birth
of academician K. I. Satpayev, the 120th anniversary of the birth of Professor K. V.
Radugin. – Tomsk: Ed. TPU. – 2019. – P. 708-709.
4. Belinskaya N.S. Identification of Regularities of Vacuum Gas Oil
Hydrocracking Process / Belinskaya N.S., Mauzhigunova E.N., Afanaseva D.A.,
Vymyatnin E.K. // Petroleum and Coal – 2020. – Vol 62(2). – Р. 390-395.
5. Белинская Н.С. Программное обеспечение для оптимизации процесса
каталитической депарафинизации дизельных топлив / Белинская Н.С.,
Белозерцева Н.Е., Маужигунова Е.Н., Быкова В.В. // Молодежь и современные
информационные технологии: сборник трудов XVII Международной научно-
практической конференции студентов, аспирантов и молодых.– Томск: Изд-во
Томского политехнического университета. – 2020. – С. 292-293.
6. Маужигунова Е.Н., Белинская Н.С. Термодинамический анализ
реакций гидрокрекинга н-парафинов в процессе каталитической
депарафинизации дизельного топлива // Проблемы геологии и освоения недр:
труды XXIV Международного научного симпозиума студентов и молодых
ученых имени академика М. А. Усова, посвященного 75-летию Победы в
Великой Отечественной войне. – Томск: Изд-во ТПУ. – 2020.
7. Mauzhigunova E.N. Quantum-chemical calculations of the thermodynamic
properties of n-paraffins hydrocracking reactions // Problems of Geology and
exploitation of mineral resources. XXIV international symposium of students and
young scientists named after academician M. A. Usov, dedicated to the 75th
anniversary of Victory in the great Patriotic war. – Tomsk :Ed. TPU. – 2020.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (66 отзывов)
4.7 (96 отзывов)
5 (158 отзывов)
4.6 (522 отзыва)
5 (8 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
4.8 (17 отзывов)
4.8 (13 отзывов)
4.9 (298 отзывов)
