Ekaterina Chernyakova

Каталитический риформинг бензина является важнейшим промышленным процессом, направленным на повышение октанового числа моторных топлив, спрос на которые, как ожидается, сохранится в обозримом будущем. Ведутся обширные исследования по совершенствованию конструкции риформинговых процессов, конфигурации реакторов и состава катализаторов. Учитывая сложность каталитического риформинга, включающего многокомпонентную смесь сырья и продуктов, бифункциональные катализаторы, многочисленные параллельные и последовательные реакции, а также механизмы дезактивации катализатора, математическое моделирование остаётся основным инструментом для изучения и оптимизации процесса. Настоящая работа представляет краткий обзор эволюции подходов к кинетическому моделированию каталитического риформинга, начиная с работ 1959 года. Особое внимание уделяется исследованиям, проведённым в Национальном исследовательском Томском политехническом университете, где сформирована научная школа по разработке математических моделей нефтехимических и перерабатывающих процессов. На примере каталитического риформинга бензина изложен методологический подход к построению нестационарных моделей, описаны основные принципы их разработки. Представленные результаты моделирования демонстрируют возможности по оптимизации конструкции реакторов, поддержанию баланса кислотной и металлической функций катализатора и минимизации коксования его поверхности. Представлены результаты совершенствования математической модели риформинга с неподвижным катализатором с учётом подачи дополнительного сырья. Представлены результаты усовершенствования математической модели каталитического риформинга со стационарным слоем катализатора с учетом вовлечения дополнительных сырьевых потоков.

Link for citation: Ivashkina E.N., Koksharov A.G., Ivanchina E.D., Chuzlov V.A., Nazarova G.Y., Chernyakova E.S., Dolganov I.M. Engineering models of oil refining: increasing the efficiency of multi-stage gasoline production. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2023, vol. 334, no. 4, рр.195-208. In Rus. The relevance of this study is caused by the need for import substitution of software in the field of design, modeling and optimization of the gas and oil processing. Almost all software for modeling used at oil and gas entities are the developments of the USA, Canada, Great Britain and other countries. In the current conditions of sanctions risks on using imported software for modeling technological processes, the development and rapid adaptation of engineering mathematical models of all basic oil refining processes are an extremely urgent task. These models will further become the basis of Russian import-substituting software products. Over the course of 30 years, the National Research Tomsk Polytechnic University has been researching the processes of the motor fuels production. On the basis of these studies the reliable mathematical models have been developed for technologies such as catalytic reforming of gasoline, isomerization of the hydrocarbons pentane-hexane fraction, catalytic cracking of vacuum distillate and mixed petroleum feedstock, hydroprocessing of petroleum fractions, compounding of high-octane gasolines, and others. Distinctive features of the developed mathematical models are related to following: firstly, they are built on the basis of real industrial data on the operation units at various refineries and, secondly, they take into account the main fundamental physical and chemical laws of reaction mechanisms, the catalyst deactivation as well as the macrokinetic factors of motor fuel production processes. The solution of multicriteria problem of optimizing the technology of preparation of motor fuels (gasoline and diesel fuels) is possible using the method of mathematical modeling on a physical and chemical basis. This approach takes into account the thermodynamics and kinetics of hydrocarbon conversions on the catalyst surface, as well as the non-stationarity of the processes due to coking, aging and poisoning by harmful impurities of the catalyst, changes in the chemical composition of the feedstock. The aim of this study is to develop the technical solutions aimed at improving the efficiency of multi-stage gasoline production using the engineering models of oil refining processes. The method of research is based on using the mathematical modelling method for multi-stage processes of petroleum feedstock refining. The group and individual composition of various petroleum fractions determined by chromatographic methods, were used as an initial data. Results. The effect of the component composition of the processed feedstock of catalytic reforming on the qualitative and quantitative properties of the components of commercial gasoline was estimated and predicted. The use of the catalytic cracking model showed that when processing the feedstock with a lower content of aromatic hydrocarbons and resins the coke content on the catalyst is lower by 0,15 % wt. This leads to increasing the catalyst activity and the desired product yields by 6,7 % and 4,9 wt. % in comparison with the feedstock with higher content of resins and aromatics.The maximum gasoline yield for two types of the feedstocks (55,4 and 56,5 % wt.) which is achieved at 536,0 and 534,0 °C was determined according to their hydrocarbon compositions. The predictive calculations with an assessment of how the composition of the catalytic cracking gasoline influences the formulation and commercial quality of the commercial gasoline using the lighter catalytic cracking feedstock, were performed. The possibility of increasing the amount of the catalytic cracking gasoline into the commercial gasoline formula is shown. The cost of motor fuel production in this case is reduced from 0,1 to 1,0 %. Ссылка для цитирования: Инженерные модели процессов нефтепереработки: повышение эффективности многостадийного производства бензинов / Е.И. Ивашкина, А.Г. Кокшаров, А.Г. Иванчина, В.А. Чузлов, Г.Ю. Назарова, Е.С. Чернякова, И.М. Долганов // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 4. – С.195-208. Актуальность работы обусловлена необходимостью импортозамещения программного обеспечения в области проектирования, моделирования и оптимизации процессов подготовки и переработки нефти и газа. Практически все используемые на предприятиях нефтегазового сектора пакеты моделирующих систем представляют собой разработки США, Канады, Великобритании и других стран. В сложившихся условиях санкционных рисков по использованию импортного программного обеспечения для моделирования технологических процессов крайне актуальной задачей является разработка и быстрая адаптация инженерных математических моделей всех базовых процессов нефтепереработки, которые в дальнейшем станут основой российских...

Актуальность исследования обусловлена возможностью модернизации процесса получения высокооктановых топлив путем подбора и варьирования сырья на базе действующего предприятия, а также на этапе его проектирования. Цель заключается в анализе влияния сырья газоконденсатного месторождения на качественные и количественные характеристики продукта – риформата, являющегося основой бензина. Объектом исследования являются составы сырья трех газоконденсатных месторождений Западной и Восточной Сибири. Методы: хроматографический анализ дегазированного конденсата для детального определения состава до С13; математическое моделирования для исследования влияния различного сырья на показатели каталитического риформинга. Результаты. Разработана математическая модель каталитического риформинга полурегенеративного типа. С её помощью исследовано влияние состава сырья на выход и качество риформата. В качестве сырья использован дегазированный конденсат с трех различных газоконденсатных месторождений Западной и Восточной Сибири. Дегазированный конденсат получен методом стандартной сепарации в исследовательской лаборатории. Приведен индекс сырья, обозначающий преобладание определенной углеводородной группы в составах трех дегазированных конденсатов. Выявлено, что применение сырья с газоконденсатных месторождений с минимальным содержанием парафиновых углеводородов и высоким значением нафтеновых и ароматических углеводородов приводит к увеличению выхода ароматических углеводородов на 20 % масс., повышению выхода риформата на 3 % масс., увеличению октанового числа на 7–8 пунктов и повышенному коксообразованию на 0,5 % масс. С использованием математической модели проанализировано изменение состава бензиновой фракций в процессе эксплуатации газоконденсатного месторождения в течение пяти лет. Установлено, что увеличение срока эксплуатации месторождения оказывает отрицательное воздействие на каталитическую систему риформинга в связи с увеличением ароматических соединений в своем составе.

Catalytic naphtha reforming is extensively applied in petroleum refineries and petrochemical industries to convert low-octane naphtha into high-octane gasoline. Besides, this process is an important source of hydrogen and aromatics obtained as side products. The bifunctional Pt-catalysts for reforming are deactivated by coke formation during an industrial operation. This results to a reduction in the yield and octane number. In this paper modeling and optimization of a semi-egenerative catalytic reforming of naphtha is carried out considering catalyst deactivation and a complex multicomponent composition of a hydrocarbon mixture. The mathematical model of semi-egenerative catalytic reforming considering coke formation process was proposed. The operating parameters (yield, octane number, activity) for different catalysts were predicted and optimized. It was found that a decrease in the pressure range from 1.5 to 1.2 MPa at the temperature 478–481 °C and feedstock space velocity equal to 1.4–1 h induces an increase in the yield for 1–2 wt.% due to an increase in the aromatization reactions rate and a decrease in the hydrocracking reactions rate depending on the feedstock composition and catalyst type. It is shown that the decrease in pressure is limited by the requirements for the catalyst stability due to the increase in the coke formation rate. The criterion of optimality is the yield, expressed in octanes per tons.