Математика поможет усовершенствовать глубокую переработку нефти

Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Великобритании разработали математические модели технологии глубокой переработки нефти. Они созданы для прогнозирования процесса каталитического крекинга — важного процесса в нефтяной отрасли, когда из остатков переработки нефти и мазута получают высокооктановый компонент бензина и другие полезные продукты.

Уникальность моделей заключается в том, что они учитывают сложные физико-химические закономерности реакторных процессов. На их базе будет создано отечественное программное обеспечение в области проектирования, моделирования и оптимизации процессов преобразования углеводородного сырья в полезные нефтепродукты. Это позволит прогнозировать сложный процесс нефтепереработки на всех уровнях.

Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки «Приоритет 2030» и при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.

Процесс каталитического крекинга проводят в лифт-реакторе. Этот аппарат имеет сложную конструкцию. Математическое моделирование позволяет прогнозировать при помощи цифровых инструментов процесс химической переработки без экспериментальных исследований на реальных установках.

Исследователи уже построили три модели, которые решают разные задачи в области технологии каталитического крекинга. Одна из них — гидродинамическая 3D-модель лифт-реактора. Она позволяет моделировать «поведение» потоков сырья внутри аппарата большой единичной мощности с учетом гидродинамики, распределения скоростей, температур и других важных показателей.

«Уникальность разработанной гидравлической модели в том, что при ее составлении были учтены не только физика процесса, но и химическая кинетика. Такую комплексную задачу в России мало кто решает. В перспективе данная модель может использоваться для разработки новых конструкций аппаратов каталитического крекинга», — отмечает руководитель проекта, профессор отделения химической инженерии ТПУ Елена Ивашкина.

Также ученые разработали 3D-модель сопутствующего аппарата-регенератора, в котором проводят окислительную регенерацию закоксованного катализатора из лифт-реактора. Каталитический крекинг протекает с использованием катализаторов, представляющих собой микросферические пористые частицы. В процессе переработки тяжелого сырья они покрываются коксом, в результате чего блокируется активная поверхность катализатора и происходит его дезактивация.

Регенератор выжигает кокс с поверхности катализатора, тем самым продляя срок его службы. С использованием разработанной 3D-модели проведено моделирование гидродинамики внутри аппарата с учетом химической реакции окислительного выжига кокса. Еще одна задача, которую удалось выполнить ученым в рамках проекта — моделирование процесса на зерне катализатора, то есть в поре сферической микрочастицы.

«Катализ и химические превращения протекают с участием активных центров катализаторов. Используя математическую модель процесса, мы можем решать задачу выбора катализаторов и прогнозирование их работы. То есть определять, какой катализатор наиболее эффективен для переработки того или иного вида сырья на той или иной установке. Масштабность проекта заключается в том, что мы провели моделирование сложного процесса нефтепереработки от микроуровня — активных центров катализатора до макроуровня — работы аппарата и технологической схемы процесса», — поясняет Елена Ивашкина.

В планах ученых — проведение прикладных исследований по разработке технических решений, направленных на совершенствование технологий нефтепереработки.

Источник:

Naked Science