РАСЧЕТ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА КОМПАУНДИРОВАННЫХ ТОПЛИВ

С.С. Демченко

Товарные топлива, производимые на НПЗ, 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 для расчета 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 обсусловлена 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, применяя правило 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] приводятся несколько методов расчета фракционного состава компаундированных топлив. В практике наибольшее распространение получили два метода:

• графический метод суммации;
  
• метод Эдмистера.
  

Графический метод суммации подразумевает собой постепенное определение фракционного состава компаундированного топлива. То есть 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 7 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 в фракционный состав по ИТК и обратно может быть использован метод Риази-Дауберта или процедура API 3A1.1 [2]. Уравнение пересчета по методу Риази-Дауберта:

 ИТК=а*〖(ГОСТ 2177)〗^b (1)

 ИТК – истинная температура кипения, °С;
ГОСТ 2177 – температура кипения по ГОСТ 2177, °С:
a и b – константы.

 Константы для уравнения (1) представлены в табл. 1.

 Таблица 1

№	% об.	a	b	Диапазон по ГОСТ 2177, °С
1	0	0,9177	1,0019	20-320
2	10	0,5564	1,0900	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. То есть 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, сравнение с данными лабораторного контроля [4] и результатами расчета в системе математического моделирования SIMSCI Pro/II.

 Фракционные составы исходных компонентов представлены в таблице 2, рецептуры компаундированных бензинов представлены в таблице 3.

 Таблица 2

Наименование	Ед.изм.	Фракционный состав по ГОСТ 2177
		НК	5%	10%	20%	30%	40%	50%	60%	70%	80%	90%	КК
Легкий алкилат	°С	38	62	72	83	91	96	99	102	104	107	115	157
Тяжелый алкилат	°С	148	159	163	167	171	174	179	183	189	199	219	269
Риформат	°С	47	76	89	107	118	126	132	138	144	151	161	201
Средний риформат	°С	107	111	111	111	111	112	112	113	114	116	122	158
Тяжелый риформат	°С	156	163	164	166	168	171	173	177	181	188	199	252
Бензин КК №1	°С	43	62	70	79	89	102	116	132	149	169	191	222
Бензин КК №2	°С	44	61	68	77	87	100	115	132	150	169	193	223
Легкий бензин КК	°С	35	47	51	54	59	65	73	83	93	107	125	169
Легкий прямогонный бензин	°С	33	41	45	47	49	52	56	59	65	73	84	126
Изомеризат	°С	48	55	57	57	57	58	58	58	58	59	59	63

  Таблица 3

Рецептура	А	Б	В	Г
Компонент	% об.	% об.	% об.	% 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 рисунках 1-4.

  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 д.р.) или узких фракций вовлекаемых при производстве моторных топлив (рис. 3).
  

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 вовсе или же их доля была незначительна. То есть 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.

Рисунок 1 – Рецептура А

Рисунок 2 – Рецептура Б

Рисунок 3 – Рецептура В

Рисунок 4 – Рецептура Г

Литература:
Surinder Parkash. Refining Process Handbook – ISBN: 0-7506-7721-X
Riazi M.R. Characterization and properties of petroleum fractions/ M.R. Riazi – 1 st ed. P. cm.-(ASTM manual series: MNL50)
Демченко С.С., Ткачев С.М. «Модификация метода Риази для прогнозирования кривых разгонки нефти и нефтяных фракций» - Вестник Полоцкого государственного университета Серия B. Промышленность. Прикладные науки. ISSN 2070-1616 2012, № 11
Pahl, R. and McNally, M., "Fuel Blending and Analysis for the Auto/Oil Air Quality Improvement Research Program," SAE Technical Paper 902098, 1990