ЧИСЛЕННОЕ ОПИСАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ н-ПАРАФИНОВ В ВАКУУМНОМ ГАЗОЙЛЕ И ИХ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ В ПРОЦЕССЕ ГИДРОКРЕКИНГА
Аннотация
В настоящее время процесс гидрокрекинга тяжелого нефтяного сырья является одним из основных процессов, позволяющих повысить глубину переработки нефти и получать компоненты моторных топлив высокого качества, в том числе компонентов дизельного топлива с улучшенными низкотемпературными свойствами. В данной статье представлен обзор существующих подходов к моделированию и разработанных моделей процесса гидрокрекинга тяжелого нефтяного сырья. Объектом исследования является процесс гидрокрекинга вакуумного газойля. В работе предложена схема химических превращений в процессе гидрокрекинга и математическая модель процесса. Отличительной особенностью предложенной схемы химических превращений и модели является учет реакций гидрокрекинга индивидуальных н-парафинов. Содержание индивидуальных н-парафинов в сырье процесса (вакуумном газойле) по числу атомов углерода в молекуле предложено определять исходя из распределения случайной величины, используя в качестве функции плотности вероятности функцию Гаусса. Реакционная способность индивидуальных н-парафинов в реакции гидрокрекинга учитывается в модели через термодинамические характеристики реакций гидрокрекинга каждого отдельного н-парафина, определенные с использованием квантово-химических методов. Расчет детального состава целевого продукта процесса – дизельного топлива – с учетом содержания индивидуальных н-парафинов позволяет определить его предельную температуру фильтруемости, которая в наибольшей степени зависит от содержания н-парафинов. Разработанная детальная модель процесса гидрокрекинга вакуумного газойля включает уравнения для расчета изменения концентрации реагирующих компонентов и уравнение для расчета изменения температуры процесса. Предложенный подход к моделированию процесса гидрокрекинга позволит оптимизировать процесс с учетом детального состава для получения максимального выхода низкозастывающего дизельного топлива.
Для цитирования:
Белинская Н.С. Численное описание распределения содержания н-парафинов в вакуумном газойле и их реакционной способности в процессе гидрокрекинга. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 11. С. 95-105. DOI: 10.6060/ivkkt.20246711.7039.
Литература
Yashchenko I.G. Formation conditions of occurrence of hardto-recover oils of the Bazhenov formation and their physico-chemical properties. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 11. P. 6-17 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236611.9t.
Prajapati R., Kohli K., Maity S.K. Slurry phase hydrocracking of heavy oil and residue to produce lighter fuels: An experimental review. Fuel. 2021. V. 288. 119686. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.119686.
Zhou H., Lu J., Cao Z., Shi J., Pan M., Li W., Jiang Q. Modeling and optimization of an industrial hydrocracking unit to improve the yield of diesel or kerosene. Fuel. 2011. V. 90. P. 3521-3530. DOI: 10.1016/j.fuel.2011.02.043.
Buendia Garcia J.B., Lacoue-Negre M., Gornay J., Mas Garcia S.M., Bendoula R., Roger J.M. Diesel cetane number estimation from NIR spectra of hydrocracking total effluent. Fuel. 2022. V. 324. 124647. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.124647.
Vernikovskaya N.V. An equation-oriented approach to modeling heterogeneous catalytic reactors. Chem. Eng. J. 2017. V. 329. P. 15-24. DOI: 10.1016/j.cej.2017.05.095.
Zagoruiko A.N., Belyi A.S., Smolikov M.D., Noskov A.S. Unsteadystate kinetic simulation of naphtha reforming and coke combustion processes in the fixed and moving catalyst beds. Catal. Today. 2014. V. 220-222. P. 168-177. DOI: 10.1016/j.cattod.2013.07.016.
Ivanchina E.D., Ivashkina E.N., Dolganova I.O., Belinskaya N.S. Mathematical modeling of multicomponent catalytic processes of petroleum refining and petrochemistry. Rev. Chem. Eng. 2021. V. 37(1). P. 163-192. DOI: 10.1515/revce-2018-0038.
Stangeland B.E. A kinetic model for the prediction of hydrocracker yields. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 1974. V. 13(1). P. 71-76. DOI: 10.1021/i260049a013.
Mohanty S., Saraf D.N., Kunzru D. Modeling of a hydrocracking reactor. Fuel Process. Technol. 1991. V. 29(1-2). P. 1-17. DOI: 10.1016/0378-3820(91)90013-3.
Almeida R.M., Guirardello R. Hydroconversion kinetics of Marlin vacuum residue. Catal. Today. 2005. V. 109 (1-4). P. 104-111. DOI: 10.1016/j.cattod.2005.08.021.
Balasubramanian P., Pushpavanam S. Model discrimination in hydrocracking of vacuum gas oil using discrete lumped kinetics. Fuel. 2008. V. 87 (8-9). P. 1660-1672. DOI: 10.1016/j.fuel.2007.08.009.
Krishan P.C., Balasubramanian P. Analytical solution for discrete lumped kinetic equations in hydrocracking of heavier petroleum fractions. Ind. Eng. Chem. Res. 2009. V. 48(14). P. 6608-6617. DOI: 10.1021/ie900178m.
Sadighi S., Ahmad A., Rashidzadeh M. 4-lump kinetic model for vacuum gas oil hydrocracker involving hydrogen consumption. Korean J. Chem. Eng. 2010. V. 27(4). P. 1099-1108. DOI: 10.1007/s11814-010-0172-0.
Puron H., Arcelus-Arrillaga P., Chin K.K., Pinilla J.L., Fidalgo B., Millan M. Kinetic analysis of vacuum residue hydrocracking in early reaction stages. Fuel. 2014. V. 117. P. 408-414. DOI: 10.1080/10916460601054768.
Baltanas M.A., Van Raemdonck K.K., Froment G.F., Mohedas S.R. Fundamental kinetic modeling of hydroisom-erization and hydrocracking on noble-metal-loaded faujasites. 1. Rate parameters for hydroisomerization. Ind. Eng. Chem. Res. 1989. V. 28(7). P. 899-910. DOI: 10.1021/ie00091a004.
Vynckier E., Froment G.F. Modelling of the kinetics of complex processes based upon elementary steps. In: Kinetic and Thermodynamic Lumping of Multicomponent Mixtures. Ed. by G. Astarita, S.I. Sandler. Amsterdam: Elsevier. 1991. P. 131-161. DOI: 10.1016/B978-0-444-89032-0.50011-6.
Topil’nikov V.I., Sosna M.K. Modeling paraffin hydrocarbon hydrocracking process. Chem. Technol. Fuels Oils. 2012. V. 48(2). P. 135-142. DOI: 10.1007/s10553-012-0349-9.
Topil’nikov V.I., Sosna M.K., Lapidus A.L. Development of a model for the hydrocracking of normal paraffins. Solid Fuel Chem. 2012. V. 46(2). P. 93-99. DOI: 10.3103/S0361521912020103.
Browning B., Pitault I., Couenne F., Jansen T., Lacroix M., Alvarez P., Tayakout-Fayolle M. Distributed lump kinetic modeling for slurry phase vacuum residue hydroconversion. Chem. Eng. J. 2019. V. 377. 119811. DOI: 10.1016/j.cej.2018.08.197.
Sharifi K., Safiri A., Haghighi Asl M., Adib H., Nonahal B. Development of a SVM model for prediction of hydrocracking product yields. Pet. Chem. 2019. V. 59(2). P. 233-238. DOI: 10.1134/S0965544119020142.
Nuzhnyi A.S., Odnol’ko I.S., Glukhov A.Yu., Piskunov I.V., Vyshinskiy I.M., Levchenko E.N., Starikov A.S. Using machine learning techniques to predict the content of sediments (HFT) in an unconverted residue from the tar hydrocracking unit. Neftepererabotka Neftekhim. 2020. V. 7. P. 3-8 (in Russian).
Fan C., Long J. Effect of feed properties on product distribution from the modeling of an industrial hydrocracking process. Pet. Chem. 2020. V. 60(2). P. 174-180. DOI: 10.1134/S0965544120020024.
Nekrasov I.S., Tynchenko V.S., Tynchenko Ya.A., Panfilova T.A. Modeling of the process of hydrocracking producing diesel fuels in the ASPEN HYSYS system. Nauch-no- Tekh. Vest. Povolzhay. 2021. V. 12. P. 214-216 (in Russian).
Belinskaya N.S., Lutsenko A.S., Mauzhigunova E.N., Afanaseva D.A., Ivanchina E.D., Ivashkina E.N. Devel-opment of the approach to the modeling of the destructive catalytic hydroprocesses of atmospheric and vacuum distillates conversion. The case of oil distillates hydrodewaxing process. Catal. Today. 2021. V. 378. P. 219-230. DOI: 10.1016/j.cattod.2021.01.006.
Belinskaya N.S., Afanaseva D.A., Bykova V.V., Kosten M.S. Development of a mathematical model of the vacuum oil distillates hydrocracking process taking into account catalyst deactivation by coke. Pet. Coal. 2021. V. 63. N 4. P. 988-993.
Belinskaya N.S., Mauzhigunova E.N., Afanaseva D.A., Vymyatnin E.K. Identification of regularities of vacuum gas oil hydrocracking process. Pet. Coal. 2020. V. 62. N 2. P. 390-395.
Bogdanov I., Altynov A., Kirgina M. Hydrogen-free up-grading on ZSM-5 type zeolite catalyst – efficient way to ob-tain low-freezing diesel fuel. S. Afr. J. Chem. Eng. 2022. V. 41. P. 1-9. DOI: 10.1016/j.sajce.2022.03.010.
Kirgina M., Bogdanov I., Altynov A., Belinskaya N., Orlova A., Nikonova N. Studying the impact of different additives on the properties of straightrun diesel fuels with various hydrocarbon compositions. Oil Gas Sci. Technol. 2021. V. 76. P. 40. DOI: 10.1051/ogst/2021018.
Meyers R.A. Handbook of petroleum refining processes. McGraw-Hill Professional. 2016. 1200 p.
Ancheyta J., Speight J.G. Hydroprocessing of Heavy Oils and Residua. Boca Raton: CRC Press. 2007. 376 p. DOI: 10.1201/9781420007435.
Krivtsov E.B., Goncharov A.V., Sviridenko Yu.A., Merzhigot M.I. Kinetic regularities of formation and de-struction of thiophene derivatives during heat treatment of high-sulfur vacuum gas oil oxidation products. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 11. P. 32-41 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236611.15t.
Pernalete C.G., Ibánez J., Mendes P.S.F., Van Geem K.M., Thybaut J.W. Hydrocracking of complex mixtures: From bulk properties, over fundamental kinetics to detailed product composition. Catal. Today. 2021. V. 378. P. 189-201. DOI: 10.1016/j.cattod.2021.06.010.
Wang N., Peng C., Cheng Z., Zhou Z. Molecular recon-struction of vacuum gas oils using a general molecule library through entropy maximization. Chin. J. Chem. Eng. 2022. V. 48. P. 21-29. DOI: 10.1016/j.cjche.2021.06.007.
Dutriez T., Thiébaut D., Courtiade M., Dulot H., Bertoncini F., Hennion M.C. Application to SFC-GCxGC to heavy petroleum fractions analysis. Fuel. 2013. V. 104. P. 583-592. DOI: 10.1016/j.fuel.2012.04.048.
Henry R., Tayakout-Fayolle M., Afanasiev P., Lorentz C., Lapisardi G., Pirngruber G. Vacuum gas oil hy-drocracking performance of bifunctional Mo/Y zeolite catalysts in a semi-batch reactor. Catal. Today. 2014. V. 220–222. P. 159-167. DOI: 10.1016/j.cattod.2013.06.024.
Espada J.J., Almendros C., Coto B. Evaluation of Different Methodologies to Determine the Molecular Weight of Petroleum Fractions. Energy Fuels. 2011. V. 25. 5076-5082. DOI: 10.1021/ef200852k.
Espada J.J., Fernández S., Velasco L., Coto B. Evaluation of different methodologies to determine the n-paraffin distribution of petroleum fractions. Fuel. 2013. V. 109. P. 407-475. DOI: 10.1016/j.fuel.2013.02.057.
Gaussian 09, Revision A.02. Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2009.
Stull D.R., Westrum E.F., Sinke G.C. The chemical thermodynamics of organic compounds. New York: J. Wiley. 1969. 865 p.
Poleshchuk O.H., Kizhner D.M. Chemical studies by the methods of calculating the electronic structure of molecules. Tomsk: TGPU. 2006. 146 p. (in Russian).
Hunter K.C., East A.L.L. Properties of C-C bonds in n-alkanes: Relevance to cracking mechanisms. J. Phys. Chem. A. 2022. V. 106. P. 1346-1356. DOI: 10.1021/jp0129030.
