Автор: С.С. Демченко (АО «ИПМ»)
Опубликовано в журнале Химическая техника №2/2017
Товарные топлива, производимые на нефтеперерабатывающих заводах, представляют собой смесь тех или иных компонентов – продуктов различных технологических установок. Например, в состав товарного бензина могут входить следующие компоненты: алкилат, изомеризат, риформат (катализат), бензин каталитического крекинга и гидрокрекинга, олигомеризат, оксигинаты и т.д. При составлении рецептуры товарного топлива стоит непростая задача подбора количественного соотношения исходных компонентов, при котором значения всех регламентируемых нормами свойств топлива будут соответствовать требованиям этих норм. Поиск правильных рецептур экспериментальным методом является трудоемкой задачей, поэтому целесообразным представляется определение соотношения исходных компонентов расчетным способом, заключающемся в прогнозировании свойств товарных топлив на основе количества и свойств исходных компонентов.
Многие свойства товарных топлив достаточно просто рассчитать, используя правило аддитивности; одним из наиболее сложных свойств, которое регламентируется в нормативно-технической документации, является фракционный состав по ГОСТ 2177 или ASTM D86. Сложность расчетного определения фракционного состава для компаундированного топлива по ГОСТ 2177 заключается в том, что непосредственно данные о фракционном составе исходных компонентов не могут быть использованы и должны быть вначале трансформированы. Необходимость трансформации обусловлена двумя основными причинами:
- фракционный состав по ГОСТ 2177 не позволяет судить об истинном количественном содержании веществ, входящих в состав компонентов моторных топлив;
- исходные компоненты имеют различные интервалы кипения.
Соответственно определение фракционного состава компаундированного топлива по ГОСТ 2177 на основании данных о фракционном составе исходных компонентов при применении правила аддитивности будет некорректным. Однако эту задачу можно решить, если перевести данные по фракционному составу по ГОСТ 2177 исходных компонентов к виду, когда можно будет применить правило адитивности.
В литературе [1] приводится несколько методов расчета фракционного состава компаундированных топлив. На практике наибольшее распространение получили два метода:
- графический метод суммации;
- метод Эдмистера.
Графический метод суммации подразумевает собой постепенное определение фракционного состава компаундированного топлива: вначале определяется фракционный состав смеси из двух компонентов, потом к ней добавляется третий компонент, потом четвертый и так далее. Учитывая, что в состав компаундированных топлив может входить семь и более компонентов, определение фракционного состава таким методом представляет непростую и очень трудоемкую работу, которая к тому же плохо поддается машинной обработке.
По мнению автора, метод Эдмистера является наиболее удобным, так как он легко поддается машинной обработке, несмотря на большое количество вычислений, которое необходимо провести. Этот метод предполагает расчет фракционного состава по ГОСТ 2177 через фракционный состав по ИТК. Фракционный состав по ИТК позволяет определить «истинное» количество каждого компонента с узким интервалом кипения, входящего в состав нефтепродукта, что делает результаты расчета более точными. Зная общее количество компонентов с определенной температурой кипения, входящих в состав компаундированного топлива, можно рассчитать фракционный состав самого топлива по ИТК, а потом фракционный состав по ИТК перевести в фракционный состав по ГОСТ 2177. Таким образом, алгоритм определения фракционного состава компаундированных топлив будет выглядеть следующим образом:
1. Перевод фракционного состава исходных компонентов по ГОСТ 2177 в фракционный состав по ИТК;
2. Дробление на узкие фракции исходных компонентов;
3. Расчет фракционного состава по ИТК компаундированного топлива на основании данных по содержанию узких фракций и их температурам кипения;
4. Обратный перевод фракционного состава по ИТК компаундированного топлива в фракционный состав по ГОСТ 2177.
Для перевода фракционного состава по ГОСТ 2177 во фракционный состав по ИТК и обратно может быть использован метод Риази–Дауберта или процедура API 3A1.1 [2]. Уравнение пересчета по методу Риази–Дауберта имеет вид
ИТК = a(ГОСТ 2177)b (1)
где ИТК – истинная температура кипения, °С; ГОСТ 2177 – температура кипения по ГОСТ 2177, °С; a, b – константы (табл. 1).
Таблица 1
№ | % об.отгона | a | b | Диапазон температуры по ГОСТ 2177, °С |
1 | 0 | 0,9177 | 1,0019 | 20…320 |
2 | 10 | 0,5564 | 1,0990 | 35…305 |
3 | 30 | 0,7617 | 1,0425 | 50…315 |
4 | 50 | 0,9013 | 1,0176 | 55…320 |
5 | 70 | 0,8821 | 1,0226 | 65…330 |
6 | 90 | 0,9552 | 1,0110 | 75…345 |
7 | 95 | 0,8177 | 1,0355 | 75…400 |
Метод Риази–Дауберта был протестирован на 559 точках, полученных из 80 различных нефтяных фракций. Отклонение рассчитанного значения ИТК от экспериментального значения не превышает 5°С.
При дроблении исходных компонентов на узкие фракции рекомендуется разбивать на фракции с интервалом кипения не более 5…10°С. Определение фракционного состава по ИТК компаундированного топлива на основании состава по ИТК исходных компонентов осуществляется по правилу аддитивности: для того, чтобы определить, какое количество компаундированного топлива выкипает при температуре 100°С, необходимо сложить содержание всех узких фракций в исходных компонентах, которые выкипают до 100°С. Количество точек, для которых определяется фракционный состав по ИТК компаундированного топлива, должно быть не менее 10.
Как видно из табл. 1, константы a и b в уравнении (1) зависят от доли выкипания нефтепродукта, поэтому для пересчета фракционного состава из ИТК в ГОСТ 2177 необходимо знать значения ИТК для определенных процентов выкипания. При определении фракционного состава по ИТК компаундированного топлива получить все необходимые значения сразу не представляется возможным и чаще всего необходимо использовать один из методов прогнозирования поведения кривой разгонки нефтяных фракций. Более подробно данные методы рассмотрены в статье [3].
На основании предложенного алгоритма был проведен расчет фракционного состава компаундированных бензинов, сделано сравнение с данными лабораторного контроля [4] и результатами расчета в системе математического моделирования SIMSCI Pro/II.
Фракционные составы исходных компонентов представлены в табл. 2, рецептуры компаундированных бензинов – в табл. 3.
Таблица 2
Компонент | Фракционный состав по ГОСТ 2177 | |||||||||||
НК | 5% | 10% | 20% | 30% | 40% | 50% | 60% | 70% | 80% | 90% | КК | |
Температура кипения, ºС | ||||||||||||
Легкий алкилат | 38 | 62 | 72 | 83 | 91 | 96 | 99 | 102 | 104 | 107 | 115 | 157 |
Тяжелый алкилат | 148 | 159 | 163 | 167 | 171 | 174 | 179 | 183 | 189 | 199 | 219 | 269 |
Риформат | 47 | 76 | 89 | 107 | 118 | 126 | 132 | 138 | 144 | 151 | 161 | 201 |
Средний риформат | 107 | 111 | 111 | 111 | 111 | 112 | 112 | 113 | 114 | 116 | 122 | 158 |
Тяжелый риформат | 156 | 163 | 164 | 166 | 168 | 171 | 173 | 177 | 181 | 188 | 199 | 252 |
Бензин КК №1 | 43 | 62 | 70 | 79 | 89 | 102 | 116 | 132 | 149 | 169 | 191 | 222 |
Бензин КК №2 | 44 | 61 | 68 | 77 | 87 | 100 | 115 | 132 | 150 | 169 | 193 | 223 |
Легкий бензин КК | 35 | 47 | 51 | 54 | 59 | 65 | 73 | 83 | 93 | 107 | 125 | 169 |
Легкий прямогонный бензин | 33 | 41 | 45 | 47 | 49 | 52 | 56 | 59 | 65 | 73 | 84 | 126 |
Изомеризат | 48 | 55 | 57 | 57 | 57 | 58 | 58 | 58 | 58 | 59 | 59 | 63 |
Таблица 3
Рецептура | А | Б | В | Г |
Компонент | Содержание, % об. | |||
Бензин КК №1 | 0,0 | 19,8 | 0,0 | 3,1 |
Бензин КК №2 | 0,0 | 0,0 | 6,3 | 0,0 |
Легкий бензин КК | 11,2 | 30,7 | 11,2 | 40,4 |
Легкий алкилат | 28,0 | 0,0 | 2,7 | 18,3 |
Тяжелый алкилат | 3,1 | 0,0 | 0,0 | 0,0 |
Риформат | 18,0 | 0,0 | 24,4 | 24,1 |
Средний риформат | 8,8 | 13,8 | 0,0 | 0,0 |
Тяжелый риформат | 0,0 | 22,7 | 0,0 | 0,0 |
Легкий прямогонный бензин | 14,6 | 5,9 | 20,3 | 10,6 |
Изомеризат | 9,7 | 0,0 | 17,2 | 0,0 |
н-Бутан | 5,4 | 6,3 | 2,3 | 2,9 |
МТБЭ | 0,0 | 0,0 | 15,0 | 0,0 |
Бензол | 1,1 | 0,8 | 0,7 | 0,6 |
Результаты расчета фракционного состава по ГОСТ 2177 (ASTM D86) компаундированных бензинов (по методу Эдмистера), а также сравнение с данными лабораторного анализа и результатами расчета в SIMSCI Pro/II представлены на рисунке.
На основании представленных результатов можно утверждать следующее:
- метод Эдмистера для расчета фракционного состава по ГОСТ 2177 компаундированных топлив позволяет рассчитать фракционный состав с высокой степенью точности;
- точность результатов расчета снижается с увеличением доли индивидуальных веществ (МТБЭ и др.) или узких фракций, вовлекаемых при производстве моторных топлив (см. рис. в).
По мнению автора, снижение точности результатов расчета при увеличении доли индивидуальных веществ, вовлекаемых в компаундированные топлива, связано
с погрешностью методов перерасчета фракционного состава из ИТК в ГОСТ 2177. Данные методы разрабатывались и тестировались на моторных топливах, в состав которых индивидуальные компоненты не вовлекались совсем или их доля была незначительна, т.е. методы разработаны для кривых ИТК, которые монотонно возрастают и не имеют участков, параллельных оси координат. При вовлечении в моторные топлива индивидуальных веществ на кривой ИТК появляются подобные участки, каждый такой участок соответствует температуре кипения индивидуального вещества, а его ширина соответствует его количеству.
с погрешностью методов перерасчета фракционного состава из ИТК в ГОСТ 2177. Данные методы разрабатывались и тестировались на моторных топливах, в состав которых индивидуальные компоненты не вовлекались совсем или их доля была незначительна, т.е. методы разработаны для кривых ИТК, которые монотонно возрастают и не имеют участков, параллельных оси координат. При вовлечении в моторные топлива индивидуальных веществ на кривой ИТК появляются подобные участки, каждый такой участок соответствует температуре кипения индивидуального вещества, а его ширина соответствует его количеству.
Для увеличения точности расчета необходима доработка существующих или разработка новых методов пересчета фракционного состава ИТК в ГОСТ 2177 для топлив, в состав которых вовлекается значительное количество индивидуальных веществ.
Список литературы
1. Surinder Parkash. Refining Process Handbook. ISBN: 0-7506-7721-X.
2. Riazi M.R. Characterization and properties of petroleum fractions. 1 st ed. P. cm.-(ASTM manual series: MNL50).
3. Демченко С.С., Ткачев С.М. Модификация метода Риази для прогнозирования кривых разгонки нефти и нефтяных фракций//Вестник Полоцкого государственного университета Сер. B: Промышленность. Прикладные науки. 2012. №11.
4. Pahl, R. and McNally M. Fuel Blending and Analysis for the Auto/Oil Air Quality Improvement Research Program//SAE Technical Paper 902098. 1990.