Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Выполнен первый этап проекта по разработке импортозамещающего программного продукта – интеллектуальной системы для оптимизации и прогнозирования работы промышленных установок переработки нефти в высокооктановые бензины и дизельное топливо – на основе фундаментальных математических моделей взаимосвязанных процессов каталитического крекинга тяжелого нефтяного сырья (вакуумного газойля) и алкилирования изобутана олефинами, извлеченными из газов крекинга. Объектом исследования являются взаимосвязанные промышленные процессы глубокой переработки нефтяного сырья — каталитический крекинг вакуумного дистиллята и сернокислотное алкилирование изобутана олефинами. Методологической основой исследований является стратегия системного анализа и метод математического моделирования, в том числе физико-химические методы, методы квантово-химического моделирования, разностные методы решения дифференциальных уравнений и др. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования процессов каталитического крекинга и сернокислотного алкилирования изобутана бутиленами позволили разработать математические модели двух важнейших технологий, направленных на производство высокооктановых бензинов и дизельного топлива. Учет при моделировании факторов нестационарности промышленных процессов, вызванных изменением состава перерабатываемого сырья и активностью применяемых катализаторов, обеспечил высокий прогностический потенциал в отношении выхода и состава продуктов, степени закоксовывания катализатора (в случае процесса каталитического крекинга) и концентрации кислоты (в случае процесса алкилирования). С применением группы экспериментальных методов выполнено исследование образцов сырья и продуктов процессов каталитического крекинга и алкилирования с целью определения их состава и свойств, а также проведено исследование образцов закоксованного и регенерированного катализаторов крекинга с целью установления природы образующего кокса, его структуры и концентрации на поверхности. Установлены термодинамические и кинетические закономерности превращений высокомолекулярных углеводородов С13-С40 (фракции 350-550 ºС) при их глубокой переработке в промышленных реакторах каталитического крекинга, а также в процессе переработке газов крекинга в реакторе алкилирования. Выполнены экспериментальные исследования реакций образования побочных соединений, образующихся из компонентов сырья крекинга, блокирующих активные центры, установлен механизм образования побочных продуктов, их состав и свойства. Проанализированы экспериментальные данные, отражающие изменение концентрации серной кислоты в процессе алкилирования вследствие накопления в ней высокомолекулярных углеводородов полимерной природы. Установлены закономерности изменения концентрации кислоты от скорости протекания побочных реакций образования высокомолекулярных соединений полимерной природы, которые определяют выход и качество (октановое число) алкилата. Построена математическая модель процесса каталитического крекинга с учетом дезактивации катализатора коксом и тяжелыми металлами, чувствительная к изменению состава сырья, обладающая высоким прогностическим потенциалом в отношении выхода и состава продуктов при изменении технологических условий. Построена математическая модель процесса сернокислотного алкилирования изобутана олефинами с учетом дезактивации катализатора высокомолекулярными углеводородами, чувствительная к изменению состава сырья, обладающая высоким прогностическим потенциалом в отношении выхода и состава алкилата, его октановым характеристикам. Выполнена верификация разработанных моделей с использованием экспериментальных данных, полученных как в лабораторных, так и в промышленных условиях. В результате выполнения первого этапа проекта получены данные о составе сырья и продуктов сопряженных процессов каталитической переработки вакуумного газойля и алкилирования; о механизме и кинетике протекания реакций в процессе алкилирования изобутана олефинами; об оптимальных режимах эксплуатации промышленных установок алкилирования изобутана олефинами и каталитического крекинга на основе мониторинга их работы. Эти данные будут использованы для дальнейшей апробации математических моделей на промышленных установках. Для реализации разработанных математических моделей разработаны алгоритмы решения систем дифференциальных уравнений и созданы собственные программные коды, не уступающие известным зарубежным прикладным пакетам в рамках решаемого класса задач. Полученные математические модели позволят перейти от эмпирического к аналитическому методу контроля за процессом на основе законов термодинамики и кинетики. Выполненные на первом этапе исследования позволят на втором перейти к разработке фреймово-продукционной модели для представления знаний об эксплуатации промышленных установок крекинга и алкилирования, созданию базы данных и база знаний для процессов каталитического крекинга вакуумного газойля и алкилирования изобутана олефинами, разработке способа трансформации углеводородов в «умные» алкилбензины с прогнозируемыми свойствами, а также нового способа управления нестационарными объектами в промышленных условиях с применением интеллектуально-логистического модуля. В результате выполнения проекта будет достигнуто лидерство в области создания научных основ кинетического моделирования многокомпонентных процессов переработки вакуумного газойля. Преимущества заключаются в уникальности моделирования каталитических процессов на основе учета механизма и кинетики превращения углеводородов в нестационарных условиях. Полученные данные будут использованы при разработке и совершенствовании промышленных процессов переработки тяжелых нефтей, будет приведен общий вид параметрических уравнений с учётом кинетических параметров и коксоотложения. Впервые в России будет создана математическая модель сопряженной системы «лифт-реактор-регенератор» технологии каталитического крекинга, основанная на кинетике превращений углеводородов вакуумного дистиллята и окисления кокса, ориентированная на прогнозирование выхода, фракционного (бензиновая фракция, легкий газойль) и углеводородного состава продуктов крекинга (бензиновая фракция, сухой газ, пропан-пропиленовая и бутан-бутиленовая фракции), а также распределения серусодержащих соединений в продуктах крекинга. Будет разработана математическая модель сопряженной системы «лифт-реактор-регенератор», пригодная для прогнозирования и оптимизации работы промышленных аппаратов (реактора и регенератора) и учитывающая реакции, катализируемые цеолитом и активной матрицей, материальный и тепловой балансы процессов, состав перерабатываемого сырья. Уровень разработки будет соответствовать передовым мировым аналогам, обеспечивая непрерывный учет характеристик перерабатываемого сырья в широком диапазоне изменения углеводородного и фракционного состава, тяжелых металлов, серусодержащих соединений и катализаторов и превышая их в плане надежности прогноза с использованием разработанной физико-химической модели с учетом динамической активности катализатора без необходимости калибровки кинетических параметров. https://www.instagram.com/p/B8TKiucn7vt/?igshid=1idmwz9zi9g6u

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Изучение механизма и кинетических закономерностей протекания каталитических реакций в промышленных условиях с использованием методов математического моделирования представляет собой в настоящее время, с одной стороны, базовое направление фундаментальных исследований в области каталитических процессов, а с другой стороны, важную научно-практическую задачу. Результатом выполненных на втором этапе исследований стала разработанная интеллектуальная система, базирующаяся на математических моделях двух важнейших процессов нефтепереработки – каталитического крекинга тяжелого нефтяного сырья и алкилирования изобутана олефинами с получением таких продуктов как, компоненты высокооктановых автобензинов, дизельного топлива, ценные олефинсодержащие газы. Основу разработанной интеллектуальной системы также составляют база данных и база знаний о каталитических процессах, а также нестационарные математические модели реакторных процессов. Внедрение системы на НПЗ осуществляется путем разработки специализированного модуля связи программно-реализованных математических моделей и заводских витрин данных. Это обеспечивает работу системы в непрерывном режиме. С применением разработанной интеллектуальной системы определены условия, обеспечивающие достижение максимальных октановых характеристик алкилата, в зависимости от активности катализатора, которая, в свою очередь, зависит от подачи потока свежей серной кислоты в реакторный блок установки алкилирования. Установлено, что при увеличении расхода бутан-бутиленовой фракции происходит снижение исследовательского октанового числа алкилата вследствие снижения общего времени пребывания исходных реагентов в зоне протекания химических реакций, а также по причине снижения мольного соотношения изобутан / олефины. Снижение мольного соотношения изобутан / олефины в процессе сернокислотного алкилирования приводит к увеличению вклада побочных реакций образования полимерных соединений, загрязняющих кислоту и тем самым снижающих эффективность процесса. Установлено, что при высоких значениях подачи циркулирующего изобутана происходит снижение выхода алкилата вследствие снижения общего времени пребывания исходного сырья в зоне протекания химических превращений. Для поддержания требуемой концентрации в контакторы реакторного блока сернокислотного алкилирования должна подаваться свежая кислота с концентрацией 99–96 процентов. По результатам проведенных численных исследований, при увеличении подачи свежей серной кислоты в реакционный контур происходит повышение ее концентрации внутри каждого из контакторов, что положительно сказывается на составе и, как следствие, октановом числе получаемого алкилата. Использование кислоты с чрезмерно высокой концентрацией может привести к усилению реакций сульфирования, в свою очередь пониженные концентрации (86 процентов и менее) приводят к усилению побочных реакций полимеризации олефинов. По результатам расчетов, мольное соотношение изобутан / олефины изменяется в пределах 9.73-5.55 моль / моль. Для различного состава сырья были определены оптимальные значения данного соотношения, лежащие в интервале от 7 до 12, дальнейшее повышение нецелесообразно, т.к. приводит к высоким эксплуатационным затратам. Кроме того, определены условия, обеспечивающие достижение максимальных октановых характеристик алкилата, в зависимости от активности катализатора, которая, в свою очередь, зависит от подачи потока свежей серной кислоты в реакторный блок. Актуальным направлением нефтепереработки является вовлечение остаточных фракций в качестве сырья каталитического крекинга Установлено, что с увеличением содержания смол во фракции существенно возрастает выход кокса при этом комплексный учет плотности и фракционного состава обеспечивает более точное прогнозирование содержания смол в сырье каталитического крекинга и его влияние на вход продуктов и кокса. С применением математической модели стало возможным оценить влияние состава сырья на показатели процесса каталитического крекинга при вовлечении в переработку остаточных фракций. На основании результатов прогнозных расчетов определено, что вовлечение в переработку вакуумных дистиллятов обеспечивает высокий выход бензина и газов крекинга (56,1 и 24,9 процентов) благодаря высокому содержанию насыщенных углеводородов в его составе, вместе с тем, октановое число бензина составляет 91 п. выход кокса составил 4,8 процентов, что привело к снижению активности катализатора на 12.6 процента относительно активности регенерированного катализатора. Конверсия такого сырья приводит к значительной дезактивации катализатора коксом и превышает способность сжигания кокса регенератора для исследуемой установки. Состав остаточного сырья обеспечивает повышение степени дезактивации катализатора на 26,0 процентов относительно активности регенерированного катализатора, что существенно снизило выход бензина и жирного газа на 3,0 и 3,9 процента, при этом октановое число бензина возрастает на 3,5 п. В этом случае снижение расхода шлама в лифт-реактор на 20 м куб в час незначительно снижает дезактивацию катализатора (на 4,6 процентов). По этим причинам, переработка остаточного сырья нецелесообразна, хотя переработка его в смеси с вакуумным газойлем благоприятна для увеличения выхода легкого газойля и октанового числа бензина. Установлено, что вовлечение в переработку более 50 процентов остаточного сырья нецелесообразно, для снижения выхода кокса (более 5,8 процентов) и предотвращения значительной дезактивации катализатора. Такое сырье приводит к увеличению выхода легкого газойля на 1,7 процентов и октанового числа бензина на 1,9 п. по сравнению с переработкой вакуумного дистиллята. Учитывая, что бензин каталитического крекинга не является конечным продуктом производства бензина, оптимизация смешанного сырья для увеличения выхода и октановых характеристик бензина должна соответствовать расходам и свойствам других потоков (риформатов, изомеризатов и т. д.) Разработанная модель лифт-реактора учитывает температуру, активность и расход катализатора после стадии регенерации, поэтому пригодна для прогнозирования выхода и состава продуктов каталитического крекинга и оптимизации параметров технологического режима. Применение модели обеспечивает прогнозирование требуемой кратности циркуляции катализатора при изменении состава сырья и параметров технологического режима. Таким образом, при низких значениях температуры регенерированного катализатора и сырья требуется существенное увеличение кратности циркуляции катализатора для достижения требуемых температур каталитического крекинга. С увеличением температуры крекинга с 503 до 545 град.С выход бензиновой фракции характеризуется экстремумом, что связано с увеличением скоростей реакций крекинга и коксообразования в области высоких температур (максимальный выход бензина составляет 55,7 процентов при переработке вакуумного дистиллята и 54,3 процентов – при переработке смесевого сырья с вовлечением остаточных фракций до 50 процентов. Установлено, что максимальный выход бензиновой фракции достигается при переработке вакуумного газойля и его смеси с остаточным сырьем без каких-либо существенных ограничений. При переработке смеси вакуумного газойля и остаточного сырья, для достижения максимального выхода бензиновой фракции необходимы более высокие температуры (527 и 530 град.С). Результаты проведенных численных исследований станут основой практических рекомендаций по повышению эффективности работы крупнотоннажных промышленных установок каталитического крекинга и алкилирования. Выполненные на втором этапе научно-практические исследовании по разработке фреймово-продукционной модели для представления знаний об эксплуатации промышленных установок крекинга и алкилирования, созданию базы данных и базы знаний для процессов каталитического крекинга вакуумного газойля и алкилирования изобутана олефинами, разработке и реализация нового способа трансформации углеводородов в «умные» бензины с прогнозируемыми свойствами, а также нового способа управления нестационарными объектами в промышленных условиях с применением интеллектуально-логистического модуля позволят сделать решительный шаг к полной интеллектуализации производства экологически чистых углеводородных топлив и значительно повысить глубину переработки углеводородного сырья.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На завершающем этапе исследований были выполнены опытно-промышленные испытания разработанных моделей и интеллектуальной системы на НПЗ в Республике Казахстан. В период проведения ОПИ выполнялся как непрерывный мон итор инг работы промышленной установк и, так и производились прогнозные и оптимизационные расчеты с использованием математической модели процесса каталитического крекинга для оценки влияния состава сырья и технологических режимов работы лифт-реактора на материальный баланс процессов, состав и свойства получаемых продуктов. Проверка модели на адекватность показала, что средняя относительная ошибка между расчетными и экспериментальными данными составляет менее 7,0 мас.%. В результате были получены положительные отклики по влиянию состава вакуумного газойля, перерабатываемого на установке С-200 КТ-1/1 на выход и состав продуктов. С применением разработанной интеллектуальной системы выполнены прогнозные и оптимизационные расчеты. Апробация математической модели процесса каталитического крекинга на предприятиях западно-сибирского региона и Республики Казахстан, показала, что состав сырья оказывает значительное влияние на показатели процесса каталитического крекинга и крайне важен при оптимизации топливного или нефтехимического режима процесса. Показано, что переработка высокосмолистого сырья (6,6 % мас.), содержащего остаточные фракции, в ряде случаев не позволяет обеспечить нефтехимический режим работы промышленной установки крекинга вследствие интенсивного образования кокса, хотя может обеспечивать организацию топливного режима (ароматическое Сырье №3 на предприятии западно-сибирского региона). Показано, что степень дезактивации катализатора существенно зависит как от технологических параметров процесса, так и состава сырья, степень дезактивации может достигать 35,7 %. Разработанная модель процесса каталитического крекинга, обеспечивает чувствительность к составу сырья и учитывает термодинамические и кинетические закономерности каталитического крекинга высокомолекулярных углеводородов. Модель предсказывает влияние состава сырья и параметров технологического режима на выход и состав продукта, октановое число бензина и содержание кокса на катализаторе. В зависимости от состава сырья существенно изменяются выходы целевых продуктов и тепловые режимы процесса. С помощью модели определены оптимальные режимы работы лифт-реактора при топливном и нефтехимическом варианте переработки нефти на предприятиях Казахстана и западно-сибирского региона. Максимальные выходы бензина и легких олефинов для предприятий западно-сибирского региона и Казахстана составили 56,1–57,4 и 55,5–56,6 % мас. и 9,17–28,32 и 17,1–38 % мас. при переработке вакуумного газойля и смесевого сырья при вовлечении в каталитический крекинг средних дистиллятов с учетом корректировки температуры крекинга (520,8–530 ℃ и 534–536 ℃) и расхода шлама в лифт-реактор (0–25 м3/ч). Разработаны рекомендации по проведению процесса сернокислотного алкилирования изобутана олефинами. При переработке бутан-бутиленовой фракции с повышенным содержанием бутиленов (≥ 48 % масс.) рекомендуется поддерживать температурный режим контакторов алкилирования ниже 1 °C с целью снижения вклада побочных реакций полимеризации. Вместе с тем, снижать температуру ниже -2 °С нецелесообразно, т.к. увеличение эксплуатационных затрат на перемешивание эмульсии превысит положительный эффект от прироста октанового числа продуктового алкилата. Также при переработке бутан-бутиленовой фракции с высоким содержанием бутиленов рекомендуется использовать изобутановую фракцию с концентрацией изобутана ≤ 88 % масс для обеспечения оптимального мольного соотношения изобутан / олефины без необходимости увеличения расхода бутан-бутиленовой фракции и сохранения требуемого времени пребывания комбинированного сырья в зоне протекания химических превращений. Для сырья с высоким содержанием углеводородов С5+ (≥ 0.15 % масс.) рекомендуется использовать повышенную подачу свежей серной кислоты (≥ 6 м3/ч) с целью интенсификации целевых реакций образования разветвленных изомеров октана. При работе промышленной установки сернокислотного алкилирования изобутана олефинами на пониженном мольном соотношении изобутан / олефины (≤ 9) требуется увеличивать подачу свежей серной кислоты до 6.5 м3/ч для ингибирования побочных реакций образования высокомолекулярных углеводородов и деалкилирования. С использованием моделей выполнены прогнозные и оптимизационные расчеты при вовлечении в качестве сырья бензина и газов крекинга. При этом была осуществлена совместная работа математической модели процесса компаундирования бензинов и генетического алгоритма оптимизации. Произведены прогнозные расчеты оптимальных рецептур смешения при компаундировании потоков с учетом изменения углеводородного состава перерабатываемого сырья в процессах каталитического крекинга и алкилирования с учетом смешения бензиновой фракции крекинга и алкилата с другими потоками (риформатом, изомеризатом, прямогонным бензином и пр.). Расчеты выполнены при условиях переработки тяжелого и относительно легкого сырья процесса каталитического крекинга. Рассчитанный с применением математической модели состав получаемой бензиновой фракции использовался в качестве исходных данных модели компаундирования бензинов и генетического алгоритма оптимизации рецептуры смешения. В результате было показано, что существует возможность увеличения доли потока бензиновой фракции каталитического крекинга в рецептуру приготовления товарного бензина. Себестоимость производства моторного топлива в этом случае снижается на величину от 0,1 до 1,0 %.