Удосконалення технології переробки нафти з урахуванням її електрофізичних властивостей

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 – Хімічні технології та інженерія (16 – Хімічна інженерія та біоінженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Міністерство освіти і науки України, Харків, 2023. Дисертаційна робота спрямовано на розробку системи оперативного контролю роботи установок первинної переробки нафти. Об’єкт дослідження – вдосконалення процесу первинної переробки нафти. Предмет дослідження – вплив хімічного та фракційного складу нафти та отриманих з неї продуктів на їх електрофізичні властивості. В дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача, яка пов’язана з удосконаленням процесу первинної переробки нафти за рахунок впровадження системи глобального моніторингу і корекції технологічного процесу за показником відносної діелектричної проникності сировини і отриманих з неї продуктів. Під час визначення стану питання щодо напрямків удосконалення роботи установок первинної переробки нафтової сировини застосовувався аналітичний підхід. Теоретичні дослідження базувалися на фундаментальних законах фізики, органічної хімії та математики. Експериментальні дослідження проводились в лабораторних умовах з використанням приладів кафедри технології переробки нафти, газу та твердого палива Національного технічного університету «Харківського політехнічного інституту» за стандартними (ДСТУ, ASTM та ISO) та авторськими методиками визначення показників якості сировини та отриманих з неї продуктів. Визначення групового хімічного складу нафти та продуктів її переробки, здійснювалося методом газової хроматографії мас-спектроскопії (ГХ/МС), а вимірювання відносної діелектричної проникності – резонансним методом. Обробку результатів, отриманих при проведенні експериментальних досліджень здійснювали методами математичної статистики, реалізованими в програмному пакеті STATISTICA 10. В вступі представлено обґрунтування актуальності обраної теми дисертаційної роботи; наведено зв’язок роботи з існуючими науковими програмами та темами; сформульована мета та відповідні до неї завдання дослідження; представлено характеристику методів дослідження, сформульовано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів; визначено особистий внесок здобувача; представлена апробація результатів дисертаційної роботи; характеристика публікацій за темою дисертаційної роботи; структура і обсяг дисертаційної роботи. В першому розділі дисертаційної роботи здійснено критичний аналіз існуючої в світовій технічній літературі інформації щодо сировини, режимів та продуктів, які утворюються під час первинної переробки нафтової сировини. Визначено напрямки вдосконалення роботи цих установок та методи визначення якості нафтової сировини та продуктів її переробки. Обґрунтовано перспективність розробки та впровадження систем оперативного контролю технологічного процесу первинної переробки нафтової сировини, за її якістю та якістю продуктів її переробки, що визначається за допомогою показника відносної діелектричної проникності ε. Проведений критичний аналіз дозволив визначити та обґрунтувати актуальність, сформулювати мету та відповідно до цієї мети основні завдання дисертаційного дослідження. В другому розділі наведено характеристика обраної для дослідження нафтової сировини (нафтової та газоконденсатної); фракцій, отриманих з цієї сировини; створених на їх базі модельних середовищ; хімічні реагенти та матеріали. Представлено програму наукових досліджень, характеристику лабораторного обладнання та методів, які використовувалось під час проведення цих досліджень та обробки отриманих експериментальних даних. У третьому розділі обґрунтовано вплив на величину параметру ε нафти, газового конденсату та продуктів їх переробки – дистилятних і залишкових фракцій (мазуту), групового хімічного складу. Запропоновано оцінювати ступінь підготовленості нафти/газового конденсату за показником підготовленості нафти (ППН), який визначається як ППН = f(ε). На базі проведених теоретичних досліджень розроблено алгоритми, що дозволяють вдосконалити процес первинної переробки нафтової сировини через впровадження системи оперативного контролю технологічного процесу за значенням відносної діелектричної проникності сировини та продуктів її переробки. Запропоновано використовувати середнє значення показника відносної діелектричної проникності ε нафтової сировини для створення її нової альтернативної до існуючих, класифікації. Висунуто гіпотезу про використання в якості класифікаційного признаку типу нафтової сировини та напрямку її технологічної переробки, використовувати критерій прогнозування (КП), який включає в себе визначення параметру ε та додатково кінематичної в’язкості і коксівності за Конрадсоном. В четвертому розділі було встановлено, що показник ε суттєво залежить від групового хімічного складу (типу) нафтової сировини та змінюється в діапазоні значень від 2,05 до 2,94. При цьому, для сировини ароматичного типу (А) її середнє значення дорівнює 2,90; для сировини нафтенового (N) – 2,62; для сировини парафінового (P) типу – 2,28. Встановлено, що зі збільшенням вмісту води з розчиненими в ній хлористими солями, відбувається збільшення (так, для нафти, при вмісті 1% води з 100 мг/дм3 NaCl – це збільшення складає 0,2; при вмісті 1 % води з 300 мг/дм3 NaCl – це збільшення складає 0,3; при вмісті 1% води з 900 мг/дм3 NaCl – це збільшення складає 0,43) величини показника ε нафтової сировини. Експериментально підтверджено, що в залежності від значень КП нафту можна класифікувати наступним чином: при КП < 1,50, сировина відноситься до 0 типу; при 1,50 ≤ КП < 5,50, сировина відноситься до 1, 2 типу; при 1,50 ≤ КП < 11,00, сировина відноситься до 3 типу; при КП > 11,00, сировина відноситься до 4 типу. Експериментально доведено, що оперативний контроль глибини вилучення (Х, %) дистилятних фракцій при ректифікації нафтової сировини можливо здійснювати за значенням показника ε та таких фізико-хімічних показників якості як ρ20 і ν20. Для цього, було отримано моделі, адекватність яких підтверджують досить високі значення (0,9847-0,9969) коефіцієнту достовірності апроксимації R2. Похибка оцінювання величини (Х, %) в суміжних фракціях знаходиться на рівні 0,5959-1,3292 %. Оцінено вплив наявності в прямогонній бензиновій фракції таких високооктанових компонентів як бензин каталітичного крекінгу і риформінгу та присадок (спиртів та ефірів), на збільшення величини показника εΣ отриманої суміші. В п’ятому розділі, в залежності від значень КП, розроблено раціональні схеми технологічної переробки нафтової сировини, які відноситися до паливного, оливного або комбінованого напрямку (варіанту) переробки нафтової сировини. Запропоновано схему взаємозв’язку між технологічними параметрами виробництва (температурою сировини (t,°C), кількістю промивної води (Wп.в., кг/кг), кількістю деемульгатора (хд., кг/кг), тривалістю процесу підготовки (τ, год); температурою в колоні (t,°C), тиском в колоні (Р, МПа), кількістю флегми (Wфл., кг/кг), швидкістю парів (u, м/с); кількістю компонентів (Хк., %) і присадок (Хп., %) в суміші) товарного палива та показником ε, що охоплює всі основні ділянки (підготовки сировини, переробки сировини та компаундування) установки первинної переробки нафтової сировини. Розроблено конструкцію двохсекційного датчику при застосуванні якого, стабільний результат вимірювання показника ε нафтової сировини в потоці досягається схемою монтування датчику (на відвідному патрубку з запірною арматурою та муфтовими з’єднаннями), яка здатна запобігати утворенню турбулентного (Re >2300) режиму руху нафтової сировини крізь датчик. На підставі проведених досліджень, задля здійснення оперативного контролю технологічного процесу на всіх ділянках установки первинної переробки нафти, здобувачем запропоновано використання системи глобального моніторингу та корекції (СГМК).Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 161 - Chemical technologies and engineering (16 - Chemical engineering and bioengineering). - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2023. The dissertation work is aimed at the development of a system of operational control of the work of primary oil processing installations. The object of the research is the improvement of the primary oil refining process. The subject of the research is the influence of the chemical and fractional composition of oil and products obtained from it on their electrophysical properties. In the dissertation work, a scientific and practical problem is solved, which is related to the improvement of the process of primary oil processing due to the implementation of a system of global monitoring and correction of the technological process according to the indicator of the relative dielectric constant of raw materials and products obtained from it. An analytical approach was used when determining the state of the issue regarding directions for improving the work of primary oil processing facilities. Theoretical studies were based on the fundamental laws of physics, organic chemistry and mathematics. Experimental studies were carried out on the equipment located at the Department of Oil, Gas and Solid Fuel Processing Technology of NTU "KhPI" using methods of physical and chemical analysis, the method of gas chromatography/mass spectroscopy (GC/MS) and the resonance method of measuring the relative dielectric constant of oil and products of its processing. The processing of the results obtained during experimental research was carried out using the methods of mathematical statistics implemented in the STATISTICA 10 software package. The introduction presents the rationale for the relevance of the chosen topic of the dissertation; the connection of the work with existing scientific programs and topics is given; formulated goal and research tasks corresponding to it; the characteristics of the research methods are presented, the scientific novelty and practical significance of the obtained results are formulated; the personal contribution of the acquirer is determined; the approval of the results of the dissertation work is presented; characteristics of publications on the topic of the dissertation; structure and scope of the dissertation. In the first chapter of the dissertation, a critical analysis of the information available in the world technical literature on raw materials, regimes and products that are formed during the primary processing of petroleum raw materials is carried out. Directions for improving the operation of these installations and methods for determining the quality of oil raw materials and products of their processing have been determined. The perspective of the development and implementation of operational control systems for the technological process of the primary processing of petroleum raw materials is substantiated, based on its quality and the quality of the products of its processing, which is determined using the relative dielectric constant ε. The conducted critical analysis made it possible to determine and substantiate the relevance, formulate the goal and, in accordance with this goal, the main tasks of the dissertation research. The second section describes the characteristics of the oil raw materials (oil and gas condensate) selected for research; fractions obtained from this raw material; model environments created on their basis; chemical reagents and materials. The program of scientific research, characteristics of laboratory equipment and methods used during these studies and processing of experimental data are presented. In the third section, the influence on the value of the parameter ε of oil, gas condensate and their processing products - distillate and residual fractions (fuel oil), group chemical composition is substantiated. It is proposed to evaluate the degree of readiness of oil/gas condensate by the indicator of readiness of oil (PPN), which is defined as PPN = f(ε). Algorithms have been developed on the basis of the theoretical studies that allow improving the process of primary processing of petroleum raw materials through the implementation of a system of operational control of the technological process based on the value of the relative dielectric constant of raw materials and products of its processing. It is proposed to use the average value of the relative dielectric constant ε of petroleum raw materials to create a new classification alternative to the existing ones. A hypothesis has been put forward to use as a classification feature the type of oil raw material and the direction of its technological processing, to use the prediction criterion (CP), which includes the determination of the parameter ε and additionally the kinematic viscosity and cokingness according to Konradson. In the fourth chapter, it was established that the ε indicator significantly depends on the group chemical composition (type) of petroleum raw materials and varies in the range of values from 2.05 to 2.94. At the same time, for raw materials of the aromatic type (A), its average value is 2.90; for naphthenic raw materials (N) – 2.62; for raw materials of the paraffin (P) type - 2.28. It was established that with an increase in the content of water with chloride salts dissolved in it, there is an increase (for example, for oil, with a content of 1 % of water with 100 mg/dm3 of NaCl, this increase is 0.2; with a content of 1 % of water with 300 mg/dm3 of NaCl - this increase is 0.3; with a water content of 1 % from 900 mg/dm3 of NaCl - this increase is 0.43) of the value of the ε index of petroleum raw materials. It has been experimentally confirmed that, depending on the CP values, oil can be classified as follows: with CP < 1.50, the raw material belongs to type 0; at 1.50 ≤ CP < 5.50, the raw material belongs to type 1, 2; when 1.50 ≤ CP < 11.00, the raw material belongs to type 3; with CP > 11.00, the raw material belongs to type 4. It has been experimentally proven that operational control of the depth of extraction (X, %) of distillate fractions during the rectification of crude oil can be carried out based on the value of the ε indicator and such physicochemical quality indicators as ρ20 and ν20. For this, models were obtained, the adequacy of which is confirmed by fairly high values (0.9847-0.9969) of the R2 approximation reliability coefficient. The error of estimating the value (X, %) in adjacent fractions is at the level of 0.5959-1.3292 %. The impact of the presence in the straight-run gasoline fraction of such high-octane components as catalytic cracking and reforming gasoline and additives (alcohols and ethers) on the increase in the value of the obtained mixture εΣ was evaluated. In the fifth chapter, depending on the values of CP, rational schemes of technological processing of petroleum raw materials are developed, which refer to the fuel, oil or combined direction (option) of processing of petroleum raw materials. A diagram of the relationship between technological parameters of production (temperature of raw materials (t, °C), amount of washing water (Wp.v., kg/kg), amount of demulsifier (xd., kg/kg), duration of the preparation process (τ, h); temperature in the column (t, °C), pressure in the column (Р, MPa), amount of phlegm (Wfl., kg/kg), vapor velocity (u, m/s); number of components (Хк., % ) and additives (Kp., %) in the mixture) of commercial fuel and the ε indicator, which covers all the main sections (raw material preparation, raw material processing and compounding) of the primary processing of petroleum raw materials. The construction of a two-section sensor has been developed, with the use of which, a stable measurement result of the indicator ε of the oil raw material in the flow is achieved by the mounting scheme of the sensor (on the outlet pipe with shut-off fittings and coupling connections), which is able to prevent the formation of a turbulent (Re > 2300) mode of movement of the oil raw material through sensor. On the basis of the conducted studies, in order to implement operational control of the technological process at all sections of the primary oil processing plant, the acquirer proposed the use of the global monitoring and correction system (GMC).