МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА

​MATHEMATICAL MODELING OF THE CATALYTIC REFORMING PROCESS

Vladimir Varlamov

student, Department of Chemical Technology of Oil and Gas Refining, Kazan National Research Technological University,

Russia, Kazan

Natalia Terentyeva

scientific supervisor, Senior Lecturer, Kazan National Research Technological University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

Каталитический риформинг является одним из самых важных процессов нефтепереработки. Это сложный и многостадийный процесс, проходящих на катализаторах. Математическое моделирование процесса позволяет ускорить и наглядно отобразить влияние различных факторов и условий проведения риформинга.

ABSTRACT

Catalytic reforming is one of the most important refining processes. This is a complex and multi-step process that takes place on catalysts. Mathematical modeling of the process makes it possible to accelerate and visually display the influence of various factors and conditions of reforming.

Ключевые слова: каталитический риформинг; катализатор; математическое моделирование.

Keywords: catalytic reforming; catalyst; mathematical modeling.

Процесс каталитического риформинга предназначен для получения компонентов бензина с повышенным октановым числом за счёт ароматизации и изомеризации углеводородов. Это сложный и многостадийный процесс, проходящий в присутствии катализаторов.

Основными химическими реакциями, проходящими на катализаторах каталитического риформинга, являются: дегидрирование нафтенов, дегидроциклизация парафинов, изомеризация и гидрокрекинг (последний является нежелательной реакцией в процессе) [1, с. 3].

Математическое моделирование процесса позволяется прогнозировать состав продуктов, оптимизировать режимы работы установки, снижать энергозатраты, а также изучать влияние катализатора на процесс.

Исходными данными для расчета процесса риформинга являются: производительность установки по сырью, углеводородный состав сырья, давление на входе в реактор, объемная скорость подачи сырья, объем циркулирующего водородсодержащего газа, количество реакторов, объем катализатора и его степень загрузки в реакторы.

Математическое моделирование каталитического риформинга можно разделить на несколько этапов.

На первом этапе принимаются необходимые исходные данные, рассчитываются составы поступающих в процесс потоков сырья, рассчитывается необходимый объем катализатора с предварительным распределением его по реакторам.

На втором этапе начинается последовательный расчет материального баланса реакторов.

Для первого реактора определяются константы скорости и химического равновесия для реакции ароматизации, рассчитываются снижение количества нафтеновых углеводородов, повышение количества парафиновых углеводородов, учитываются уменьшение количества нафтеновых и парафиновых углеводородов в результате нежелательной реакции гидрокрекинга, а также определяется состав газа, который покидает реактор.

Для второго реактора последовательно определяется температура подачи сырья, давление, которое должны быть ниже, чем в первом реакторе, а также производится расчет превращений углеводородов в результате целевых и побочных химических реакций, происходящих на катализаторе. Расчет третьего реактора производится аналогично второму [2, с. 40].

Ниже приведены четыре дифференциальных уравнения, которые описывают снижение количества углеводородов в результате химических реакций, происходящих в процессе каталитического риформинга: 

                                                                            (1) 

                                                                          (2)

                                                                                          (3)

                                                                                     (4)

N_н и N_п — доля нафтеновых и парафиновых углеводородов в питании, подвергнутых химическому превращению, кмоль/кмоль;

V_R — величина, обратная объемной скорости питания, кг катализатора/(кмоль/час);

k₁ — константа скорости реакции, кмоль/(ч*Па*кг катализатора);

р_н, р_а, р_п, р_н2 — парциальные давления нафтеновых, ароматических, парафиновых углеводородов и водорода, Па;

k_р1 — константа химического равновесия, Па³;

k₂ — константа скорости реакции, кмоль/(ч*Па*кг катализатора);

k_р2 — константа химического равновесия, Па;

k₃, _k4 — константы скорости реакции, кмоль/(ч*кг катализатора).

Константы химического равновесия рассчитываются по уравнениям:

                                                                          (5)

                                                                         (6)

T — температура в реакторе, К.

Парциальные давления компонентов в сырье рассчитывается по формуле:

                                                                                                (7)

π — общее давление в аппарате, Па;

y_i`— содержание i-го компонента в смеси газов, мол. доли.

Количество сырья (в Кмоль) равно:

                                                                                             (8)

Gc — количество сырья, кг/ч.

Количество водородсодержащего газа рассчитывается по формуле: 

                                                                                            (9)

n_г — кратность циркуляции газа, м³/м³;

p_c — плотность сырья в жидком виде (при нормальных условиях), кг/м³.

Количество катализатора, необходимое для проведения реакции рассчитывается по формуле: 

                                                                                         (10)

В результате расчетов получаем материальный баланс реакторного блока процесса каталитического риформинга. Полученными данными будут: процентный состав выходящего потока, содержание нафтенов, парафинов и ароматических углеводородов в продуктах процесса, содержание углеводородного газа.

Создание программного кода, например, на языке Python, позволит создать программу, позволяющую быстро и наглядно отображать факторы, влияющие на процесс риформинга, менять производительность установки, прогнозировать процесс и добиваться повышения экономической выгоды.

Список литературы:

1. Прокофьева, Т.В. Технологический расчет реакторного блока установки каталитического риформинга с платиновым катализатором: учебно-методическое пособие / Прокофьева Т.В., Круглов С.С. (ст.), Круглов С.С. (мл.). –  М.: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2019. – 42 с.
2. Солодова, Н. Л. Каталитический риформинг: учебное пособие / Н. Л. Солодова, А. И. Абдуллин, Е. А. Емельянычева; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань: Изд-во КНИТУ, 2016. – 96 с.