Бензин остается основным видом топлива для легкового автомобильного транспорта. Несмотря на переориентацию спроса на дизельное топливо объемы производства автомобильного бензина в Российской Федерации в 2018 г. по сравнению с 2017 г. выросли на 200 тыс. тонн (2017 г. – 39,2 млн. тонн; 2018 г – 39,4 млн. тонн) [1].
Производство автомобильного бензина является многоступенчатой технологией, включающей первичную переработку нефти, вторичные процессы (риформинг, изомеризация, крекинг и др.), а также процесс смешения полученных компонентов – компаундирование. Процесс компаундирование бензинов является крайне сложным для оптимизации, в связи с большим числом вовлекаемых в смешения компонентов, постоянным изменением состава и характеристик сырья, а также неаддитивностью основной эксплуатационной характеристики бензина – детонационной стойкости.
Решение таких многофакторных задач оптимизации возможно только с использованием метода математического моделирования и программного обеспечения на физико-химической основе.
Объект и методы исследования
Объектом исследования в работе выступили смесевые компоненты, вовлекаемые в производство товарных бензинов на большинстве современных нефтеперерабатывающих предприятий:
· Бензин каталитического крекинга (Кат.крекинг);
· Продукт процесса каталитического риформинга, установка с непрерывной регенерацией катализатора (Риформат I);
· Продукт процесса каталитического риформинга, установка с периодической регенерацией катализатора (Риформат II);
· Продукты процесса каталитической изомеризации пентан-гексановой фракции (Изомеризат и Изопентан);
· Продукт сернокислотного алкилирования изобутана бутиленом (Алкилат);
· Толуольный концентрат (Толуол);
· Прямогонная бензиновая фракция 62-85 °С с установки атмосферно-вакуумной перегонки нефти (Фр. 62-85);
· Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ).
Предметом исследования выступил индивидуальный углеводородный состав смесевых компонентов (данные хроматографического анализа), определенный в заводской лаборатории нефтеперерабатывающего предприятия.
Для расчета характеристик смесевых компонентов, а также для разработки рецептур смешения товарных бензинов было использовано программное обеспечение «Compounding» (разработка Томского политехнического университета). Исходными данными для расчета являются данные хроматографического анализа. Программное обеспечение (ПО) «Compounding» позволяет осуществлять расчет октановых чисел с учетом возникающей при смешении неаддитивности; давления насыщенных паров (уравнение Антуана); плотности (формула Менделеева); содержания основных регламентируемых веществ. Кроме того, ПО «Compounding» позволяет рассчитывать оптимальную рецептуру смешения компонентов для получения товарного бензина требуемой марки, отвечающего всем экологическим требованиям [2, 3].
Результаты и обсуждение
Результаты расчета характеристик смесевых компонентов
С использованием ПО «Compounding» был осуществлен расчет характеристик смесевых компонентов, вовлекаемых в производство товарных бензинов на одном из нефтеперерабатывающих заводов Российской Федерации. Среди основных смесевых компонентов были выбраны отличающиеся наилучшими (индекс max), средними (индекс ср) и наихудшими (индекс min) характеристиками детонационной стойкости. Результаты расчета характеристик для выбранных потоков, а также для прочих смесевых компонентов представлены в Таблице 1.
Таблица 1 – Характеристики смесевых компонентов
где ОЧИ – октановое число, исследовательский метод; ОЧМ – октановое число, моторный метод; ДНП – давление насыщенных паров, кПа; АУВ – ароматические углеводороды.
Как можно видеть из данных, представленных в Таблице 1, наибольшими октановыми числами характеризуются риформат I, толуол и МТБЭ, наименьшими – фр. 62-85. Наибольшее содержание АУВ характерно для риформатов и толуола; наибольшее содержание бензола – для риформатов и фр. 62-85; наибольшее содержание олефинов – для кат.крекинга. Кроме того, можно видеть, что наблюдаются значительные флуктуации октановых чисел смесевых компонентов, получаемых в пределах одного и того же предприятия, так разница между максимальным и минимальным ОЧИ составляет для кат.крекинга – 1,8 пункта; риформата I – 7,1 пункта; риформата II – 8,4 пункта; изомеризата – 5,1 пункта; изопентана – 1,4 пункта; алкилата – 1,6 пункта.
Разработка рецептур смешения бензинов для потоков, характеризующихся средними характеристиками детонационной стойкости
На большинстве нефтеперерабатывающих предприятий разработка рецептур смешения товарных бензинов осуществляется на основе среднестатистических данных о составе и характеристиках потоков за период, предшествующий периоду для которого осуществляется планирование. С использованием ПО «Compounding» были разработаны рецептуры смешения товарных бензинов марок АИ-92, АИ-95 и АИ-98 на основе компонентов, обладающих средними характеристиками детонационной стойкости – средние рецептуры (Рисунок 1).
Рисунок 1 – Средние рецептуры смешения товарных бензинов, % мас.
Так можно видеть, что для производства бензина марки АИ-92 не требуется вовлечение высокооктановых алкилата и МТБЭ, вовлечение толуола – минимально, возможным является вовлечение 10 % мас. низкооктановой фр. 62-85. Для производства бензина марки АИ-95 требуется вовлечение 5 % мас. алкилата, необходимым становится вовлечение дополнительных 5 % мас. толуола, вовлечение прямогонной фракции снижается в 2 раза. Производство бензина марки АИ-98 требует вовлечения 5 % мас. высокооктановой добавки-оксигената МТБЭ, вовлечение фр. 62-85 становится невозможным.
Характеристики товарных бензинов, полученных по разработанным средним рецептурам, представлены в Таблице 2. Как можно видеть, полученные бензины полностью соответствуют требованиям [4, 5].
Таблица 2 – Характеристики бензинов, полученных по средним рецептурам
Однако, если использовать средние рецептуры в случае потоков, обладающих наилучшими характеристиками детонационной стойкости (Таблица 3) наблюдается октаноперепроизводство, кроме того для бензина марки АИ-98 содержание АУВ превышает требуемое, согласно [4, 5]; в случае потоков, обладающих наихудшими характеристиками детонационной стойкости – октановое число бензинов не соответствует требуемому согласно мерке, такой бензин является некондиционным. Таким образом, необходимым является разработка рецептур смешения бензинов с учетом состава исходных компонентов.
Таблица 3 – Характеристики бензинов, полученных по средним рецептурам смешения при использовании потоков, обладающих наилучшими и наихудшими характеристиками детонационной стойкости
Разработка рецептур смешения бензинов для потоков, характеризующихся наилучшими и наихудшими характеристиками детонационной стойкости
С использованием ПО «Compounding» были разработаны рецептуры смешения товарных бензинов марок АИ-92, АИ-95 и АИ-98 на основе компонентов, обладающих наилучшими и наихудшими характеристиками детонационной стойкости (Рисунки 2, 3).
Характеристики товарных бензинов, полученных по разработанным максимальным и минимальным рецептурам, представлены в Таблице 4. Как можно видеть, полученные бензины полностью соответствуют требованиям [4, 5].
Из представленных результатов можно видеть, что отказ от средних рецептур смешения в случае сырья с наихудшими характеристиками детонационной стойкости и использование оптимальных, минимальных рецептур позволяет избежать выхода некондиционных бензинов, однако, требует в случае бензина марки АИ-92 дополнительного вовлечения 1 % мас. толуола, вовлечение фр. 62-85 снижается на 3 % мас.; в случае бензина марки АИ-95 требуется дополнительно вовлечь 1 % мас. толуола, вовлечение фр. 62-85 снижается на 3 % мас.; в случае бензина марки АИ-98 вовлечение МТБЭ возрастает на 2 % мас.
Рисунок 2 – Рецептуры смешения товарных бензинов на основе компонентов, обладающих наилучшими характеристиками детонационной стойкости, % мас.
Рисунок 3 – Рецептуры смешения товарных бензинов на основе компонентов, обладающих наихудшими характеристиками детонационной стойкости, % мас.
Таблица 4 – Характеристики бензинов, полученных по максимальным и минимальным рецептурам смешения
Использование оптимальных, максимальных рецептур для смесевых компонентов, обладающих наилучшими характеристиками детонационной стойкости позволяет экономить дорогостоящие и высокооктановые компоненты, так для бензина марки АИ-92 становится возможным сэкономить 3 % мас. толуола; для бензина марки АИ-95 – возможно сэкономить 2 % мас. алкилата и 2 % мас. толуола, а также дополнительно вовлечь 1% мас. фр. 62-85; для бензина марки АИ-98 – экономия составляет 1 % мас. алкилата, 2 % мас. толуола и 2 % мас. МТБЭ.
Выводы
Разработаны оптимальные рецептуры смешения товарных бензинов марок АИ-92, АИ-95 и АИ-98 с учетом состава вовлекаемых смесевых компонентов. Полученные бензины соответствуют всем требованиям современных стандартов. Показано, что использование рецептур смешения бензинов с учетом состава исходных компонентов позволяет повысить ресурсоэффективность производства, в случае сырья с низким октановым потенциалом – избежать выхода некондиционных партий продукции; в случае сырья с высоким октановым потенциалом – суммарно для трех марок бензина сэкономить 3 % мас. алкилата, 7 % мас. толуола и 2 % мас. МТБЭ.
Автор: Киргина Мария Владимировна, к.т.н., доцент отделения Химической инженерии ИШПР ТПУ
Литература
1. Презентация Министра Энергетики РФ Александра Новака «Итоги работы Минэнерго России и основные результаты функционирования ТЭК в 2018 году» [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://minenergo.gov.ru/node/14461.
2. Киргина М.В., Иванчина Э.Д., Долганов И.М., Чеканцев Н.В., Кравцов А.В., Фан Фу Компьютерная программа для оптимизации процесса компаундирования высокооктановых бензинов // Химия и технология топлив и масел. – 2014. – № 1. – С. 12-18.
3. Ivanchina E.D., Kirgina M.V., Chekantsev N.V., Sakhnevich B.V., Sviridova E.V., Romanovskiy R.V. Complex modeling system for optimization of compounding process in gasoline pool to produce high-octane finished gasoline fuel // Chemical Engineering Journal. – 2015. – Vol. 282. – PP. 194-205.
4. ГОСТ 32513-2013 «Топлива моторные. Бензин неэтилированный. Технические условия» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru.
5. Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 013/2011 «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и мазуту (с изменениями на 2 декабря 2015 года)» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru.
