РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ГИДРООЧИСТКИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА

АННОТАЦИЯ

В статье предложен системный подход к задачам по математическому моделированию сложного многостадийного процесса гидроочистки дизельного топлива. Разработанная кинетическая модель позволяет учитывать стехиометрические зависимости протекающих химических реакций. Модель является основой для получения функциональной зависимости основного показателя качества процесса гидроочистки дизельного топлива.

ABSTRACT

The article proposes a systematic approach to the problems of mathematical modeling of a complex multi-stage diesel fuel hydrotreatment process. The developed kinetic model makes it possible to take into account the stoichiometric dependences of ongoing chemical reactions. The model is the basis for obtaining the functional dependence of the main indicator of the quality of the diesel fuel hydrotreatment process.

Ключевые слова: системный анализ, математическое моделирование, гидроочистка, дизельное топливо, термодинамика, кинетическая модель, стехиометрическая матрица.

Keywords: system analysis, mathematical modeling, hydrotreatment, diesel fuel, thermodynamics, kinetic model, stoichiometric matrix.

Введение. Одной из наиболее характерных черт современных химических производств является стремление к совершенствованию технологий, повышению производительности и увеличению единичной мощности агрегатов [4]. Процессы гидроочистки нефтяных фракций занимают одно из ведущих мест в переработке нефти, что обусловлено высокими требованиями к качеству продукции – дизельным топливам. Основная цель процесса гидроочистки дизельного топлива – снижение содержания серы в продукте – гидрогенизате.

Актуальность проблемы. Одной из основных задач, решаемых на предприятиях нефтепереработки, является повышение их производительности и качества выпускаемой продукции. Большая роль в процессах переработки нефти отводится производству дизельного топлива и, в частности, его очистке от сернистых соединений при соблюдении требований к температуре вспышки [4].

Математический модель. В качестве математической модели процесса гидроочистки дизельного топлива будем рассматривать кинетическую модель реакций. Механизмы процесса гидроочистки дизельного топлива в настоящее время до конца не изучены, технологический расчет, как правило, ведется по следующим химическим реакциям [3]: 

Для математической формализации процесса введем следующие обозначения [5]:

С учетом обозначений (2) химические реакции (1) примут следующий вид:

Матрица стехиометрических коэффициентов  соответствующая кинетическим уравнениям, представлена в таблица 1.

Таблица 1.

Матрица стехиометрических коэффициентов

Полученная матрица является матрицей стехиометрических коэффициентов, которая формально представляет собой скорость изменения компонентов химической реакции [7; 8]. Согласно закону действующих масс и матрицы стехиометрических коэффициентов (табл. 1), кинетические уравнения, соответствующие схеме химических превращений (3), для процесса гидроочистки дизельного топлива можно выразить уравнениями [7]:

Здесь, вектор мольных концентраций веществ, моль/м³; – константы скоростей (сек^–1) химической реакции соответствующего направления, определяющегося уравнением Аррениуса [3; 7]:

,

где  k₀ – предэкспоненциальный множитель; E – энергия активации стадии, (кал/моль); T – абсолютная температура, К; R – универсальная газовая постоянная (кал/(моль·К)).

Среди компонентов химической реакции любой сложности можно выделить ключевые и не ключевые. Число ключевых компонентов химической реакции равно рангу матрицы стехиометрических коэффициентов. Поскольку ранг стехиометрической матрицы (табл. 1) равен 4, то это означает, что количество ключевых компонентов [5; 7] для химической реакции (2) равно 4.

Кинетическая модель процесса является основой для построения компьютерной моделирующей системы для расчета и прогнозирования оптимального технологического режима работы реактора гидроочистки дизельного топлива.

Результаты и их обсуждение. Для решения этой задачи с помощью программной среды MatLab нужно разработать вычислительно-имитационную модель процесса [6; 2] (рис.1), характеризующую характер изменения концентрации компонентов по времени.

Рисунок 1. Компьютерная модель процесса гидроочистки дизельного топлива

Задавая начальные условые для переменных в соответствии с технологическим регламентом для стационарного режима, получим графики [6] изменения компонентов.

Рисунок 2. Переходные процессы распределения концентрации веществ процесса гидроочистки дизельного топлива

Выводы. Использование расмотренной математической модели в составе системы управления технологическими процессами гидроочистки дизельного топлива позволяет:

1) снизить потери количества используемого водорода в процессе гидроочистки дизельного топлива;

2) обеспечить необходимую концентрацию жидкости, насыщенной водородом;

3) определить необходимый температурный режим по всей длине реактора.

Список литературы:

1. Адаптивно нечеткое синергетическое управление многомерных нелинейных динамических объектов / К.И. Усманов [и др.] // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. – 2020. – № 3 (72) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/9016.
2. Акрамхужаев Й.Т., Усманов К.И., Сокиева К.У.К. Анализ систем управления нелинейного динамического объекта // Universum: технические науки. – 2021. – № 5-1 (86). – С. 41–45.
3. Афанасенко А.Г., Гнатенко Ю.А. Математическая модель и оптимизация процесса карбонизации аммонизированного рассола // Математическое моделирование. – 2008. – Т. 20, № 9. – С. 105–110.
4. Борзов А.Н. Моделирование и управление процессом гидроочистки дизельного топлива : дис. – Санкт-Петербургский государственный технологический институт, 2005.
5. Разработка кинетической модели процесса гидроочистки дизельного топлива / Ю.И. Афанасьева [и др.] // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2012. – Т. 321, № 3. – С. 121–125.
6. Fuzzy synergetic control nonlinear dynamic objects / I. Sidikov [et al.] // Karakalpak Scientific Journal. – 2020. – Т. 3, № 2. – С. 14–22.
7. Siddikov I., Usmanov K., Yakubova N. Synergetic control of nonlinear dynamic objects // Chemical Technology, Control and Management. – 2020. – Т. 2020, № 2. – P. 49–55.
8. Sidikov I.H., Usmanov K.I., Yakubova N.S. Nochiziqli dinamik obyektlarni sinergetik boshqarish usulidan foydalanib sintezlash // Muxammad al-Xorazmiy avlodlari, Ilmiy-amaliy va axborot-tahliliy jurnal. – 2020. – № 1. – P. 11.