ДонНТУ || Портал магістрів ДонНТУ ГОЛОВНА Сисоєв Артур Юрійович Факультет: Екології та хімічної технології Кафедра: Xімічної технології палива ім. Коробчанського Спеціальність: Хімічна технологія палива та вуглецевих матеріалів Тема випускної роботи: Оптимізація технологічного режиму функціонування установки компаундування продуктів первинної переробки нафти з використанням комп'ютерного моделювання Керівник: к.х.н., доцент каф. ХТП Ошовський Володимир Володимирович Реферат з теми випускної роботи ВСТУП     У зв'язку із всесвітньою індустріалізацією, розвитком промисловості й приходом епохи загального споживання, використання паливних ресурсів увесь час зростає. Паливо вілноситься до вичерпних і невідтворюваних ресурсів, тому його кількість невблаганно зменшується й росте вартість, а видобуток сировини для виробництва палива стає більше складним й трудомістким процесом. До того ж, розміщення паливних ресурсів у світі нерівномірне, і боротьба за право володіння ними призводить навіть до військових конфліктів між країнами. Сьогодні одна з головних проблем в усім світі - високі ціни на паливо, фактор, що впливає на економіку націй, держави, міста, або навіть родини. Підприємства страждають від росту цін на паливо, тому що підвищується собівартість виробництва. Це явище торкається всіх сфер життєдіяльності людини. І така проблема існує не тільки в Україні, але й в усім світі. У зв'язку з дефіцитом нафти й нафтопродуктів в Україні існує проблема моторних палив з використанням ароматичних продуктів коксохімічних заводів [1]. Добавка очищених бензольних вуглеводнів, що складаються з речовин з високими октановими числами (бензол-98, толуол-124, ксилоли-90), дозволяє одержати в суміші з низькооктановими бензинами моторні палива високої детонаційної стійкості. Такі палива повинні відповідати вимогам ТУУ 21175459.002-97 "Палива моторні з ароматичною присадкою". Вони являють собою суміш низькооктанових бензинових компонентів із сировини газопереробних або нафтопереробних заводів і нафтових присадок і компонентів з коксохімічних і хімічних продуктів. Моторні палива марок МТА-76 і МТА-92 з ароматичною присадкою призначені для карбюраторних, інжекторних, автомобільних і мотоциклетних двигунів, а також двигунів іншого призначення. Їхніми основними споживачами є автотранспортні підприємства, цехи, ділянки, автозаправні станції. 1 МЕТА Й ЗАДАЧІ РОБОТИ     У наявності актуальність теми магістерської роботи - оптимізувати установку компаундування для одержання більш якісного палива.     Мета роботи - одержати оптимізовані технологічні параметри роботи установки компаундування, визначити оптимальний склад сумішного бензину.     Предмет магістерської роботи - установка компаундування бензину, склад сумішного бензину.     Задачі роботи: Одержати оптимальний склад палива (бензину), з огляду на октанові числа БС (бензин сирий) та октанопідвищуючої присадки. Змоделювати установку компаундування палива. Застосувати результати проробленої роботи на виробництві й одержати підтвердження раціональності отриманих результатів. 2 ОГЛЯД ТЕМИ ДОСЛІДЖЕННЯ     Проблема одержання якісного палива вивчалася в Доннту. Проф. каф. Хімічної технології палива Саранчук В.І., доцент каф. Ошовський В.В. з колегами розглядали способи одержання високооктанового палива на Авдіївском КХЗ[1]. У їхній роботі були визначені характеристики одержуваного палива й побудовані номограми, які дозволяли визначати октанове число (далі ОЧ) присадки БТК по заданому складу й навпаки. Результатом їхніх досліджень стало застосування отриманих номограм на виробництві для визначення ОЧ ароматичної присадки до низькооктанових бензинів.     В Україні дослідження в напрямку одержання й вивчення властивостей сумішного бензину протягом останніх років не проводилися в широкому масштабі. Даною проблемою в деякій мірі зацікавлені ВП, реалізують палива, які найчастіше керуються тільки можливістю одержання короткочасних дивідендів.     У світі проблема одержання високооктанового палива з ароматичними присадками не дуже широко досліджена, тому що «західні» підприємства віддають перевагу стандартним нафтовим присадкам до палив, що отримуються на установках гідрокрекінгу й вібскрекінгу. 3 КОМПАУНДУВАННЯ ЯК НЕВІД'ЄМНА ЧАСТИНА НПЗ     У схемі сучасного нафтопереробного заводу завжди присутній процес компаундування товарних бензинів. Цей процес забезпечує одержання високооктанового бензину, що відповідає вимогам ДЕРЖСТАНДАРТу. У той же час, для підвищення якості одержуваного бензину і його виходу постійно ведеться пошук шляхів удосконалювання технології даного процесу, нових композицій змішання на основі октанопідвищуючих присадок і добавок. У цей час це завдання намагаються вирішувати як експериментальними способами (використання високооктанових компонентів; застосування антидетонаційних присадок і т.д.), так і методами математичного опису оптимізації даного процесу з розробкою систем автоматизації [2, 3]. Оптимізація процесу компаундування затруднюється відхиленням від аддитивності ряду фізико-хімічних властивостей компонентів сумішей (энтальпійні й энтропійні властивості, випаровуваність, детонаційна стійкість), а також постійно мінливим складом сировини. Принципове скорочення часу на компаундування, і підвищення ефективності цієї стадії стає можливим при використанні методу математичного моделювання на фізико-хімічній основі, реалізованого у вигляді комп'ютерної системи. Розглянемо процес компаундування, що є основним процесом готування товарного сумішного бензину. 4 ПРОМИСЛОВЕ ВИКОРИСТАННЯ КОМПАУНДУВАННЯ     В останні роки створена значна кількість невеликих заводів з виробництва сумішного бензину, безліч нафтопереробних підприємств, нафтобаз і мереж АЗС освоїли й продовжують освоювати виробництво сумішного (компаундованого) бензину. Ці заводи працюють за наступною технологією. До низькооктанового бензину додають антидетонаційні добавки (присадки), все це ретельно змішують й як готову продукцію одержують високооктановий бензин А-95, А-96 й А-98 [4]. Це надійна технологія. Всі заводи працюють стабільно й дістають значний прибуток від продажу високооктанового сумішного бензину. Технологія виробництва високооктанового бензину є також на кожному великому нафтопереробному заводі. Високооктановий бензин сьогодні роблять, як правило, методом компаундування низькооктанового бензину. Колектив конструкторів ООО "Завод Укрбудмаш" удосконалили технологію компаундування бензину [5]. Виготовлений і випробуваний у промислових умовах новий гідродинамічний кавітаційний триступінчастий змішувач для цієї технології - краще на сьогоднішній день змішувачів не існує. Він представляє цільний вузол із системою подачі й дозування, але його конструкція виконана таким чином, що в робочій камері реактора створюється потужне кавітаційне поле, наймогутніший гідродинамічний ефект й ультразвукова кавітація. За рахунок кавітації й інших супутніх ефектів відбувається найглибше диспергування на молекулярному рівні всіх компонентів компаундованого бензину. Готовий продукт - це стійка дисперсія (сумішний бензин, сумішне дизельне паливо, сумішне зимове паливо) продукти зберігають якісні показники моторного палива протягом тривалого часу, з того що гарантує завод - це як мінімум 180 доби, при дотриманні рецептур. Гідродинамічний кавітаційний реактор (змішувач) дозволяє використати як антидетонаційні добавки важкорозчинні або нерозчинні в бензині речовини. Гідродинамічний кавітаційний реактор (змішувач) дозволяє також використати для виробництва високооктанового бензину інші види основної вуглеводневої сировини, наприклад, бензин стабільний газовий з октановим числом 50 - 55 одиниць, прямогонний бензин й інші бензини низької якості. Лінійка по продуктивності установок типу УСБ й УСЖ становить від 5 тонн у годину сумішного бензину до 150 тонн у годину по сумішному бензині або будь-який інший сумішній рідини. Установка компаундування зображена на рис. 1: Рисунок 1 - Установка компаундування палива 5 ГІДРОДИНАМІЧНИЙ НАСОС     Основним робочим органом установки є кавітаційний насос, зображений на рис. 2: Рисунок 2 - Гидродинамічний (кавітаційний) насос     Робочими органами самовсмоктувального об'ємного насоса роторного типу є обертовий ексцентриковий шнек (ротор) і нерухомий статор. У поперечному розрізі вони з'єднуються у двох точках. Уздовж довжини елементів, що подають, ці точки утворять дві лінії ущільнення. Продукт, що втримується в герметичних замкнутих областях, які утворяться при обертанні шнека, переміщається уздовж вісі. Таким чином, від сторони всмоктування до сторони нагнітання насоса йде безперервний потік. Незважаючи на обертання шнека, утворення турбулентних потоків не відбувається. Сталість обсягу камери забезпечує дуже спокійну, майже безхвильову роботу насоса. Кавітаційний насос являє собою ексцентриковий шнековий насос блокового типу. Основна перевага його конструкції полягає в тім, що ущільнення вала перебувають у камері усмоктування. Таким чином, вони повністю промиваються рідиною, що прокачується.     За допомогою гідродинамічного кавітаційного реактора можна з доступнї й дешевої вуглеводневої сировини робити якісний сумішний бензин А-80, А-95, А-96 й А-98 і дизельне пальне, а так само інші сумішні палива, у тому числі й із присадками біологічного походження, а саме - біоэтанолу й біодизеля.     Схема процесу наведена в анімаційному зображенні (рис 3). Рисунок 3 - Анімоване зображення процеса компаундування (15 кадрів, 7 повторювань, затримка 50 мс) 6 ПЛАНОВАНИЙ ЕКСПЕРИМЕНТ     Склад палива (бензину) - застава успішної роботи двигуна. Саме тому магістерська робота орієнтована ще й на одержання бензину з оптимальним співвідношенням низькооктанової фракції, октанопідвищуючої добавки (КМТА) і присадки. Визначення складу суміші - завдання, яке можна вирішити за допомогою планованого експерименту.     Перший етап планування експерименту для одержання лінійної моделі заснований на варіюванні на двох рівнях [6,7]. У цьому випадку, при відомому числі факторів, можна знайти число дослідів, необхідне для реалізації всіх можливих сполучень рівнів факторів. Формула для розрахунку числа дослідів у цьому випадку виглядає N=2k. Експеримент, у якому реалізуються всі можливі сполучення рівнів факторів, називається повним факторним експериментом (ПФЕ). Якщо число рівнів факторів дорівнює двом, то маємо ПФЕ типу 2k. Умови експерименту зручно записувати у вигляді таблиці, що називають матрицею планування експерименту. Матриця планування для двох факторів наведена в табл. 1 Таблиця 1 - Матриця планпланування єксперименту 22 Номер досліду x1 x2 y 1 +1 +1 y1 2 -1 +1 y2 3 +1 -1 y3 4 -1 -1 y4 При заповненні матриці планування значення рівнів факторів, з метою спрощення, позначають відповідними знаками, а цифру 1 опускають. З урахуванням взаємодії факторів х1 і х2 таблицю 1 можна переписати в такий спосіб: Таблица 2 - Матриця планування Номер досліду x1 x2 x1x2 y 1 +1 +1 +1 y1 2 -1 +1 -1 y2 3 +1 -1 -1 y3 4 -1 -1 +1 y4 Кожен стовбчик у матриці планування називають вектором-стовбцем, а кожен рядок - вектором-рядком. Таким чином, у табл. 1. ми маємо два вектори-стовбці незалежних змінних й один вектор-стовбець параметра оптимізації. Те, що записано в алгебраїчній формі, можна зобразити графічно. В області визначення факторів перебуває точка, що відповідає основному рівню, проводять через неї нові вісі координат, паралельні вісям натуральних значень факторів. Далі вибирають масштаби по нових вісях так, щоб інтервал варіювання для кожного фактора рівнявся одиниці. Тоді умови проведення досвідів будуть відповідати верхівкам квадрата при k=2, і верхівкам куба при k=3. Центрами цих фігур є основний рівень, а кожна сторона дорівнює двом інтервалам (рис. 4). Рисунок 4 - Візуальне відображення матриці планування     Номера вершин квадрата й куба відповідають номерам досвідів у матриці планування. Площа, обмежена цими фігурами, називається областю експерименту. По аналогічному принципу розташовуються експериментальні точки при k>3 [8].     Якщо для двох факторів всі можливі комбінації рівнів легко знайти перебором, то з ростом числа факторів виникає необхідність у деякому прийомі побудови матриць. Звичайно використаються три прийоми, засновані на переході від матриць меншої розмірності до матриць більшої розмірності.     Розглянемо перший прийом. При додаванні нового фактора кожна комбінація рівнів вихідного фактора зустрічається двічі, у сполученні з верхнім і нижнім рівнями нового фактора. Звідси природно з'являється прийом: записати вихідний план для одного рівня нового фактора, а потім повторити його для іншого рівня. Цей прийом можна застосувати для матриць будь-якої розмірності.     У другому прийомі вводиться правило перемножування стовбців матриці. При порядковому перемножуванні рівнів вихідної матриці одержуємо додатковий стовпець добутку х1 х2, далі повторимо вихідний план, а в стовбця добутків знаки поміняємо на зворотний. Цей прийом застосуємо для побудови матриць будь-якої розмірності, однак він складніше, ніж перший.     Третій прийом заснований на чергуванні знаків. У першому стовбці знаки міняються по черзі, у другому стовбці вони чергуються через два рази, у третьому - через чотири, в четвертому - через вісім і т.д. по ступенях двійки. Приклад побудови матриць планування р3 наведений в табл. 3. Таблиця 3 - Матриця планування експеримента 23 Номер досліду x1 x2 x3 y 1 +1 +1 +1 y1 2 -1 +1 +1 y2 3 +1 -1 +1 y3 4 -1 -1 +1 y4 5 +1 +1 -1 y5 6 -1 +1 -1 y6 7 +1 -1 -1 y7 8 -1 -1 -1 y8 7 РЕЗУЛЬТАТИ, ЩО ОЧІКУЮТЬСЯ     На методиці планованого експерименту будуватимемо засновані досліди. Планується приготувати суміші з різною концентрацією компонентів: БС+КМТА+антіокислювач. Визначення рівнів факторів буде зроблено після аналізу компонентів і вибору умов проведення експерименту. Функцією відгуку буде значення октанового числа приготовленої суміші. Отримані дані планується обробити в одному з комп'ютерних пакетів математичної статистики й побудувати номограму визначення октанового числа сумішного бензину залежно від концентрації компонентів й одержати суміш оптимального складу у вигляді функціональної залежності виду: ОЧ(опт) = А*БC + В*КМТА + С*присадка - D*БC*КМТА + E*КМТА*присадка + F*БC*присадка + G*БС*КМТА*присадка     Поверхнева номограма залежності ОЧ від складу буде виглядати наступним чином (рис. 5): Рисунок 5 - Поверхнева номограма     Треба відзначити, що виконання магістерської роботи перебуває в стадії збору літературних даних і визначення методик і методів проведення планованого експерименту й створення математичної моделі процесу. ВИСНОВКИ     Виконання завдань, поставлених у магістерській роботі, дозволить оптимізувати технологічні параметри функціонування установки компаундування; одержати оптимальний склад бензину, що дозволить знизити невиправдані витрати на присадки й добавки, стабілізувати характеристики сумішного бензину і його поводження у ДВС. ЛІТЕРАТУРА Производство высокооктанового бензина на Авдеевском КХЗ, Кокс и Химия, 2001(5), с.23-26 Лисицын Н.В., Гошкин В.П., Поздяев В.В., Кузичкин Н.В. Методология построения системы оптимального компаундирования товарных нефтепродуктов // Химическая промышленность. – 2003. – № 8. – С. 15–20. Поздяев В.В., Сомов В.Е., Лисицын Н.В., Кузичкин Н.В. Оптимальное компаундирование бензинов // Нефтепереработка и нефтехимия. – 2002. – № 10. – С. 53–57. Жоров Ю.М., Гуреев А.А., Смидович Е.В. Производство высоокооктановых бензинов. – М.: Химия, 1981. – 219 с. Cайт ООО "Завод Укрбудмаш" Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. – М.: Наука, 1976. Тихомиров В.Б. Планирование и анализ эксперимента (при проведении исследований в легкой и текстильной промышленности). – М.: Легкая индустрия, 1974. Fisher R.A., The Design of Experiments. 6-th ed, London, Оliver and Boyd, 1951. ДонНТУ || Портал магістрів ДонНТУ ГОЛОВНА