Переработка Нефти

КОМПАУНДИРОВАНИЕ БЕНЗИНА

Все хорошие вещи в жизни приходят не поодиночке, а вместе с другими вещами

Чарльз Лэмб

Бензин — наиболее широко известная смесь углеводо­родов, но тем не менее, о его свойствах знают удиви­тельно мало. Это невежество объясняется, по-видимому, тем, что давление со стороны конкурентов заставляет производителей выпускать вполне пригодный для исполь­зования продукт. А если продукт вполне пригоден, поку­патели перестают интересоваться (или изначально не ин­тересуются) причинами его пригодности.

В этой главе мы рассмотрим несколько аспектов.

Две наиболее важные переменные, имеющие значе­ние при компаундировании бензина: давление насы­щенного пара и октановое число.

Влияние добавок тетраэтилсвинца на бензин.

Методика смешивания бензина.

4 Влияние потребностей в компаундированном бензине на процессы нефтепереработки.

Есть небольшая вероятность, что эта глава с самого начала окажется непонятной, если Вы не имеете пред­ставления о том, как работает автомобильный двигатель. Поэтому для начала будет представлена пара страниц и иллюстраций на эту тему.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Принципиаль­ными частями бензинового двигателя, по крайней мере, Принципиальными для этой книги, являются бензобак, бензонасос, карбюратор, цилиндр, поршень и свеча за­жигания. Двигатели без последней части из списка (свечи зажигания) будут обсуждаться в следующей главе, и на­зываются они дизельными.

Процесс в ДВС начинается с того, что Вы заполняете бензобак на бензоколонке. Затем Вы заводите мотор, и бензонасос высасывает топливо из бака и отправляет его в карбюратор. Карбюратор испаряет бензин, смешивает его с воздухом и отправляет в цилиндр. Дальше происхо­дит последовательность событий, изображенная на ри­сунке 12.1.

Смесь бензина с воздухом засасывается в цилиндр, когда поршень движется вниз, и объем цилиндра возрас­тает до максимального. Впускной клапан закрывается, и

Затем поршень движется вверх по цилиндру и сжимает топливо. Когда поршень достигает верхней точки своего хода, свеча зажигания дает мощную искру и воспламеня­ет бензин. Бензин моментально сгорает, что приводит к сильному расширению газов и давлению на поршень. Поэтому затем поршень вынужденно перемещается вниз по цилиндру, и энергия передается на коленчатый вал — это называется рабочий ход поршня. В нижней точке рабо­чего хода выпускной клапан, находящийся в верху ци­линдра, открывается, и во время движения поршня вверх сгоревшее топливо выбрасывается. В верхней точке хода впускной клапан снова открывается, и весь процесс по­вторяется. Обратите внимание на то, что в течение каж­дого цикла поршень по два раза перемещается вверх и вниз по цилиндру.

Давление насыщенных паров

Одной из принципиальных стадий цикла работы ДВС является воспламенение бензина. Когда двигатель разо­грет, с этим нет проблем: тепло обеспечивает поступле­ние 100% бензина в цилиндр в виде паров. Но когда двигатель только начинает работать на холоде, ситуация усложняется.

При запуске холодного двигателя фокус в том, чтобы бензин содержал достаточно летучих углеводородов для образования воспламеняющейся паровоздушной смеси. Мерой летучести является давление насыщенных паров, конкретнее, давление паров по Рейду (ДПР) — характе­ристика, названная по имени человека, который разра­ботал прибор для ее измерения.

Определение. Давление насыщенного пара — это мера поверхностного давления, которое необходимо, чтобы жидкость не испарялась. Для легкокипящего углеводоро­да типа пропана давление паров очень высоко, так как этот углеводород очень летуч. Более высококипящий уг­леводород, такой как газойль, характеризуется почти ну­левым давлением насыщенных паров, так как при ком­натной температуре он испаряется крайне медленно. Если Вы на минуту задумаетесь, Вам станет ясно, что давле­ние паров зависит от температуры. ДПР измеряют при 15°С (60°F).

Режим работы двигателя. Довольно определений — вернемся к проблеме карбюратора. Для ДПР бензина не­обходимо выполнение двух крайних условий. При холод­ном запуске должно испаряться достаточное количество бензина (что-нибудь около 10%), чтобы образовалась вос­пламеняемая смесь. Если воспламенение произошло, то оставшаяся часть бензина — та, что не испарилась — тоже наверняка сгорит. Другое крайнее условие относит­ся к режиму, когда работает полностью разогретый дви­гатель, или к еще более крайнему режиму, когда горя­чий двигатель нужно повторно запустить. В этом случае пары бензина не должны расширяться слишком сильно, иначе на пути в цилиндр бензин невозможно будет сме­шать с воздухом. Короче говоря, смесь и в этом случае должна быть воспламеняемой.

Нефтепереработчики обнаружили, что способность бензина удовлетворять этим условиям прямо связана с ДПР. Более того, оказалось, что идеальный показатель ДПР для бензина должен быть различным в разное время года. В разгар зимы где-нибудь в городке Бемиджи (Мин­несота) для холодного запуска требуется бензин с ДПР 13 psi (0,91 атм). В горячие августовские дни в Пресидио (Техас) машины не будут заводиться, если ДПР бензина окажется выше, чем 8,5 psi (0,60 атм).

Паровая пробка. Следует упомянуть еще одно явление, которое ограничивает допустимое давление насыщенных паров — это паровая пробка. Проблемы могут возникать при сочетании большой высоты над уровнем моря и вы­соких температур. На большой высоте атмосферное дав­ление ниже, и бензин с высоким ДПР может начать испаряться в любой части системы. Бензонасосу придется качать смесь жидкости и паров, в то время как его конст­рукция предполагает работу только с жидкостью. В ре­зультате поступление в карбюратор будет недостаточным, и двигатель остановится и не запустится снова, пока тем­пература бензина не понизится, а это может занять не­сколько часов.

Чтобы избежать паровых пробок, ДПР подбирают в соответствии с окружающими условиями в районе ис­пользования, включая сезонный перепад температур и атмосферное давление.

Компаундирование в соответствии с давлением паров. Хватит о машинах. Что делать со всем этим нефтеперера­ботчикам? Посмотрев в список компонентов для смеши­вания бензина, приведенный в таблице, Вы увидите, что ДПР всех компонентов, кроме двух, ниже упомянутых пределов. Ответ напрашивается сам собой: для увеличе­ния давления паров следует добавлять бутаны.

Если бы Вы попробовали разработать промышленную схему для смешивания компонентов бензина, Вам не пришло бы в голову, что имеющегося бутана окажется достаточно в качестве единственного компонента, регу­лирующего давление паров. Но, как это ни удивительно, дело именно так. Бутан получается как побочный

Продукт различных процессов на нефтеперерабатываю­щем заводе. Кроме того, его выделяют из природного газа. Каким-то образом эти два весьма негибких источни­ка обеспечивают производство бутана в количестве, не­обходимом для компаундирования бензина.

Теперь перейдем к практическим деталям. Чтобы оп­ределить количество бутана, которое требуется для дос­тижения необходимого давления насыщенных паров, нам потребуется произвести алгебраический расчет средне­взвешенных значений. Давление насыщенного пара не вполне пропорционально объемным долям компонентов, но для нашей цели такой расчет дает вполне достаточ­ную точность. Представьте себе, что требуемое значение ДПР равно 10 psi (0,7 атм) и имеется смесь из пяти компонентов. Мы должны рассчитать, сколько н-бутана следует добавить к этой смеси.

Чтобы получить величину ДПР, равную 10 psi (0,7 атм), следу­ет добавить:

10(19000 + х) = 60600 + 52х, 190000 + 10х = 60600 + 52х, —52х + 10х = -129400, х = 3081 баррелей н-бутана. Общее количество произведенного бензина составит 19000 + 3081 = 22081 баррель.

Таким образом, расчет весьма прост, но есть еще не­которые моменты, о которых следует упомянуть. Зимой требуемая величина ДПР обычно выше, чем летом, по­этому количество произведенного бензина также оказы­вается выше. Действительно, чем выше требуемая вели­чина ДПР, тем больше бутана можно добавить, и тем больше объем бензина, полученный в итоге. К сожале­нию, однако, на большинстве рынков сбыта, кроме не­которых районов типа Майами Бич, потребности в бен­зине зимой как раз ниже, чем летом. Тем не менее до­полнительные возможности по производству бензина обеспечивают некоторую гибкость в плане производства дизельного топлива.

Сравнение н-бутана и изобутана. Почему для повыше­ния давления паров бензина используется именно н-бу - тан, а не изобутан? Для этого есть несколько серьезных причин. Во-первых, величина ДПР н-бутана на 19 psi (1,33 атм) ниже, чем в случае изобутана, и, следователь­но, имеется возможность добавить большее количество бу­тана. Цена бутана обычно такова, что чем больше его можно добавить в бензин, тем лучше. Во-вторых, у изо - бутана есть другая область применения — алкилирова- ние, причем изобутана часто оказывается недостаточно, чтобы обеспечить потребности алкилирования, и поэто­му некоторое количество н-бутана приходится перераба­тывать в изобутан на установке изомеризации бутана (см. главу XVI). В-третьих, рыночная цена н-бутана обычно несколько ниже, чем цена изобутана.

В качестве интересного примечания можно добавить следующее: вспомните, как заполняется бензобак авто­мобиля. Обычно вокруг горловины бака можно наблю­дать волнообразный пар. Это — бутан, который улетает из бензина. Если Вы достаточно наблюдательны, то Вы также могли заметить, что зимой этого пара больше, чем летом. Это потому, что зимой выше необходимая величи­на ДПР бензина.

Октановое число

Каждый, кто покупает бензин, знает, что высокоок­тановый бензин лучше и дороже. Некоторые знают, по­чему он лучше, но вряд ли кто-нибудь знает, почему он Дороже. В данном разделе мы раскроем эту тайну.

Октановое число показывает, будет ли бензин дето­нировать в двигателе. Это неплохое определение, кото­рое, однако, требует пояснения, касающегося еще одно­го всем известного и мало понятного явления — детона­ции.

Детонация. Здесь будет полезно снова обратиться к ри­сунку 12.1, на котором изображен цикл работы двигателя. Когда смесь паров бензина и воздуха подается в цилиндр, поршень движется вверх и сжимает ее. При сжатии пары нагреваются. (Пощупайте низ велосипедного насоса после того, как Вы накачали шину. Он окажется горячим. Тот же эффект приводит и к нагреванию цилиндра двигателя.) Если смесь паров бензина и воздуха достаточно сильно сжать, то она сильно нагреется и может самовоспламе­ниться без участия свечи зажигания. Если это случится раньше, чем поршень достигнет верхней точки своего хода, то произойдет детонация, то есть двигатель будет препятствовать движению коленчатого вала, вместо того, чтобы ему способствовать. Детонация обычно восприни­мается как постукивание или гудение двигателя.

Очевидно, детонации следует избегать, так как она не только работает против движущей силы мотора, но также отрицательно сказывается на его механических ча­стях. На ранних стадиях разработки бензиновых двигате­лей было обнаружено, что различные компоненты бен­зина ведут себя по-разному. Ключевой характеристикой компонента является степень сжатия. На рисунке 12.2 степень сжатия — это просто отношение объема цилинд­ра в нижней точке хода поршня к объему в верхней точке. При измерении октанового числа бензина или ком­понента бензина имеет значение конкретная степень сжа­тия, а именно та, при которой самовоспламенение про­изойдет именно в верхней точке хода поршня. Для изме­рения степени сжатия, при которой данный компонент бензина детонирует, был разработан специальный ряд чисел. За бензин с октановым числом 100 был условно принят изооктан (2,2,4-триметилпентан) CgHlg. Нормаль­ный гептан который детонирует при значительно меньшей степени сжатия, был принят за бензин с окта­новым числом 0. Используя испытания на стендовом дви­гателе, каждому компоненту бензина можно поставить в соответствие смесь изооктана и н-гептана определенного состава. Октановым числом считается процентная доля изооктана в смеси, детонирующей при той же степени сжатия.

Испытание на детонацию. Рассмотрение методики ис­пытаний может оказаться полезным. Для этого использу-

Ется стендовый двигатель с подвижной крышкой цилин­дра, которую можно поднимать или опускать, меняя та­ким образом степень сжатия. Бензин, который испыты­вают, подают в двигатель при крышке, сдвинутой вниз. В некоторой точке происходит детонация, что можно за­метить либо на слух, либо используя детонометр. Степень сжатия записывают, после чего крышку перемещают вверх. Приготовляют две смеси изооктана и н-гептана. При некотором опыте работы с прибором можно подо­брать смеси таким образом, чтобы одна из них детониро­вала при меньшей, а другая — при большей степени сжатия, чем компонент, который только что испытыва­ли. Октановые числа для этих смесей известны по опре­делению (это процентное содержание изооктана). Для каждой из смесей проводят те же измерения и записыва­ют критическую степень сжатия. Построив график по трем известным точкам, как показано на рисунке 12.3, можно определить октановое число компонента бензина.

Например, компонент бензина детонирует на стендо­вом двигателе при степени сжатия 8:1. Приготовляют две модельные смеси — одна содержит 88% изооктана

87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97

T

Октановое число исследуемого компонента

8,6 8,4 8,2 8,0 7,8 7,6 7,4 7,2 7,0

Ев

Н X и X О С 2 О X

О

L-

О 2 >4

Ч о ч о

К «

§ «

X

О л X о С о н U

Рис. 12.3. График для определения октанового числа.

(04 88), а другая — 96% (04 96). На стендовом двигателе они детонируют соответственно при степенях сжатия 7,2 : 1 и 8,4 : 1. По графику определяем, что неизвестное октановое число равно 93,3.

Требования к октановым числам. Теперь Вы знаете, что показывает октановое число. Почему это так важно? Кон­струкция двигателя обычно рассчитана на то или иное поведение топлива. Степень сжатия топлива в двигателе определяет мощность, которую тот способен развить. Чем больше степень сжатия, тем длиннее рабочий такт и тем более мощным является двигатель. Таким образом, на машины разного размера устанавливают двигатели раз­личной конструкции, которым требуется бензин с раз­ными октановыми числами. Короче говоря, чтобы изме­нить степень сжатия для Вашей машины, Вам не нужно передвигать крышку цилиндра вверх-вниз. Вместо этого

Вы должны покупать именно такой бензин, который под­ходит для Вашей машины.

Типы октановых чисел. Вам придется изучить еще два наименования, касающиеся октановых чисел, а именно, разные виды этих чисел и их применение. Во-первых, испытания по определению октановых чисел проводят при двух разных режимах. Измерение октанового числа по исследовательскому методу (ИОЧ) моделирует езду на машине в мягких условиях. Измерение октанового числа по моторному методу (МОЧ) проводят в более жестких условиях, которые моделируют движение на большой скорости или при значительной нагрузке. Сочетание ве­личин МОЧ и ИОЧ дает полное представление о работе в разных условиях.

В конце 60-х годов в США проходила дискуссия между Федеральной Торговой Комиссией (ФТК) и нефтепере­работчиками по поводу того, которое из октановых чи­сел следует указывать на бензоколонке. ФТК предлагала указывать ИОЧ, а нефтепереработчики возражали, что величина ИОЧ сообщает только часть информации. ФТК рассматривала вариант указания и того, и другого. «Будет путаница», — возражали нефтепереработчики. В результа­те стороны пришли к компромиссу, согласно которому на бензонасосах указывается следующая величина:

Эта величина не имеет никакого определенного смыс­ла, не считая того, что она положила конец дискуссии.

Второй момент, касающийся октановых чисел — это как они себя ведут. Когда два компонента бензина сме­шивают, величины ИОЧ и МОЧ не подчиняются прави­лу аддитивности. Другими словами, ИОЧ и МОЧ смеси не равны величинам, полученным усреднением с учетом объемных долей компонентов. К счастью, для каждого компонента существует такая величина, как октановое число смешения, которое уже подчиняется правилу адди­тивности. Октановое число смешения определенным об­разом связано с истинным октановым числом (которое находят по испытаниям на двигателе) и выясняется опыт­ным путем. Когда говорят об ИОЧ и МОЧ компонентов бензина, то могут иметь в виду как истинные октановые числа, так и числа смешения. С этого момента все окта­новые числа, которые будут упоминаться, будут означать именно октановые числа смешения.

Получение заданного октанового числа смеси. Рассмот­рим пример, который свяжет все вышесказанное воеди­но. Возьмем смесь из предыдущего примера по использо­ванию бутана для увеличения давления пара. Рассчитаем ИОЧ и МОЧ этой смеси.

Объем (баррели) МОЧ ИОЧ

Средние значения октановых чисел для 22081 барре­лей равны: МОЧ 78,1 и ИОЧ 87,4.

Теперь рассчитаем, сколько нужно добавить алкилата, чтобы получить требуемые МОЧ 80,0 и ИОЧ 89,0. Окта­новые числа алкилата составляют 95,9 (МОЧ) и 97,3 (ИОЧ).

Чтобы 22081 баррелей бензина соответствовали нор­мативу по МОЧ, нужно следующее количество алкилата:

22081 • 78,1 + 95,9 Y = 80,0 (22081 + Y),

Для норматива по ИОЧ проделывается аналогичный расчет:

22081 • 87,4 + 97,3 Y = 89,0 (22081 + Y),

Поскольку для соответствия нормативу по ИОЧ тре­буется больше алкилата, это и определяет действитель­ную потребность, так как оба заданных октановых числа являются минимально допустимыми.

Этот пример демонстрирует появление мелкой про­блемы. Действительно, если мы добавим 12241 баррель алкилата, полученный продукт перестанет соответство­вать условию по ДПР. Реально следует использовать сис­тему из двух уравнений с двумя неизвестными, чтобы узнать одновременно количество алкилата и количество бутана. Но в таком расчете уже слишком много алгебры и арифметики, чтобы приводить его здесь.

Этилированный бензин

Чтобы упростить задачу достижения необходимого ок­танового числа, в бензин добавляли соединения свинца — тетраэтилсвинец (ТЭС) или тетраметилсвинец (ТМС). Эти соединения увеличивают октановое число бензина, не влияя при этом на другие его свойства, в том числе на давление насыщенного пара.

ТЭС — очень ядовитое химическое соединение, даже небольшие концентрации его паров могут привести к заболеваниям или к смерти. Вследствие такой опасности, Уже в 60-х годах Главный врач (Surgeon General) Соеди­ненных Штатов (который тогда входил в исполнитель­ную ветвь власти) установил максимально допустимое Количество ТЭС в бензине на уровне 4,0 мл на галлон (1 галлон = 3,785 л). Агентство по защите окружающей среды (Environmental Protection Agency) поддержало по­зицию Главного врача. Поскольку беспокойство по пово - загрязнения воздуха возрастало, в 1974 г. Агентство объявило о постепенном снижении содержания свинца в бензине, которое должно было начаться с 1975 г. Однако пока наличие свинца в виде ТЭС или ТМС разрешено хотя бы для одной марки бензина, его добавление оста­нется важным, хотя и довольно грубым, экономическим рычагом.

Как это ни парадоксально, свинец добавляют в бен­' зин, чтобы подавить воспламенение. Вспомните: чем ниже октановое число, тем более вероятна детонация или са­мовоспламенение бензина. Свинец, таким образом, по­давляет самовоспламенение.

Некоторая сложность возникает из-за того, что чем больше концентрация свинцовой присадки, тем менее эффективна ее последняя порция, то есть октановое чис­ло нелинейно зависит от концентрации присадки.

Как видно из таблицы и рисунка 12.4, влияние ТЭС на различные компоненты бензина неодинаково. Некото­рые компоненты смеси более чувствительны к повыше­нию октанового числа, а некоторые — менее чувствитель­ны. Более того, смесь, полученная из этих компонентов, своей собственной кривой повышения

Количество свинца (в г, в виде ТЭС)

Рис. 12.4. Влияние ТЭС на октановое число бензина.

Октанового числа, которую можно приблизительно по­строить на основании соответствующих кривых для ком­понентов.

Обычно методика расчета включает выбор трех точек на каждой кривой — это точки, соответствующие окта­новым числам без добавления ТЭС (неэтилированный бензин), с добавлением 1,59 г ТЭС на галлон и 3,17 г ТЭС на галлон (две последние довольно-таки странные величины — это массы, соответствующие 1,5 и 3 мл ТЭС). Рассчитывают среднемассовое октановое число смеси для каждой концентрации ТЭС. По полученным трем точкам Можно построить кривую повышения октанового числа смеси, а затем эта кривая позволяет определить количе­ство тетраэтилсвинца, необходимое для достижения лю­бого заданного октанового числа.

Чтобы упростить последнюю стадию, производители ТЭС и ТМС разработали диаграмму, которую можно ис­пользовать для определения октанового числа по любым двум точкам, обычно это точки 0 и 3,17 г. Пример диаг­раммы повышения октанового числа показан на рисунке 12.5.

Теперь вернемся к примеру получения бензина, где для достижения заданного октанового числа добавляли алкилат. Предположим, что вместо алкилата мы будем добавлять ТЭС.

По каждой паре октановых чисел смеси строится гра­фик на диаграмме увеличения октанового числа (рис. 12 6). Точки МОЧ—0,0 и МОЧ—3,17, а также точки ИОЧ—0,0 и соединяются прямыми линиями Эти пря­

Мые показывают, что для достижения заданного МОЧ, равного 80, требуется 0,25 г присадки, а для достижения ИОЧ 90, нужно добавить 0,35 г Последняя величина и определяет количество ТЭС, а МОЧ оказывается выше.

Спирты и кислородсодержащие добавки

В конце 70-х годов, когда Агентство по защите окружа­ющей среды потребовало снижения количества свинца в бензине, нефтепереработчики стали искать другие спосо­бы повышения октанового числа В настоящее время неф­техимическая промышленность предоставляет для этого несколько продуктов метанол, этанол, ТБС и МТБЭ

Содержание антидетонатора, г металлического свинца на галлон

CR 105А

Рис. 12.5. Пример диаграммы повышения октанового числа

Метанол. Метанол СН3ОН — одно из наиболее давно Известных химических веществ. Он широко известен как Древесный спирт, так как раньше его добывали действи-

S-480

Содержание антидетонатора, г металлического свинца на галлон

CR 105А

Рис. 12.6. Графики для октановых чисел

Ем химических реагентов на свежепиленные бревна с твердой древесиной В 1923 г был разаботан более эффек­тивный процесс, в котором в качестве исходных веществ используются метан или бензиновые фракции. Источни­ком метана является природный газ, который в основ­ном состоит из метана.

Промежуточная стадия процесса — получение син - тезгаза — смеси монооксида углерода (СО) и водорода

(Н2):

Простота этих формул обманчива. На самом деле тех­нологический процесс и необходимое оборудование сложны и дороги, требуются катализаторы, ре­

Акторы и трубопроводы, а также температуры (500-800°F) и давления 4000-5000 psi (280-350 атм).

Этанол. Этанол или этиловый спирт — это спирт, наиболее знакомый каждому, так как это основной ком­понент водки. Так же как метанол, этанол ранее получа­ли из природных источников: брожение сахара, содер­жащегося в винограде (вино), в картофеле (водка) или в ячмене и кукурузе (виски) под действием ферментов. Химический процесс, который в настоящее время ис­пользуется для промышленного получения этанола, был разработан в 1919 г. Он основан на прямой гидратации этилена (гидратацией называется присоединение воды):

В США синтетический этанол запрещено использо­вать в производстве алкогольных напитков.

ТБС. трет-Бутиловый спирт (ТБС) образуется в не­скольких процессах. Например, он является побочным продуктом в одном из процессов производства пропилен - оксида. Его также можно получить реакцией н-бутилена изобутилена с водой, а также исходя из пропилена и Изобутана. Формула трет-бутилового спирта (СНз)зСОН.

Использование метанола как компонента компаунди­рованного бензина вызвало дополнительный интерес к ТБС. Если бензиновая смесь содержит метанол, при по­падании небольших количеств воды возможно расслое­ние смеси, то есть ее компоненты могут отделиться друг от друга. Когда к метанолу добавляют более тяжелые спир­ты, например, ТБС, допустимое содержание воды — ко­личество воды, которое можно добавить прежде, чем про­изойдет расслоение — увеличивается. ТБС действует как сорастворитель, помогая метанолу оставаться в раство­ренном состоянии в присутствии

МТБЭ. Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) (неуди­вительно, что его название сокращают!) является кисло­родсодержащей добавкой. Он отличается от метанола, эта­нола и ТБС, которые относятся к классу спиртов (их молекулы содержат группу ОН), но, тем не менее, МТБЭ все же содержит кислород. Его формула (СН3)3СОСН3.

МТБЭ получают реакцией изобутилена с метанолом над катализатором. Сырьем для производства МТБЭ яв­ляется смесь С4 (бутаны, н-бутилены и изобутилены). При этом почти весь изобутилен вступает в реакцию и таким образом удаляется из смеси. В некоторых случаях это мо­жет оказаться полезным (например, если для продажи требуется смесь углеводородных газов, не содержащая компонентов изостроения).

Эксплуатация. Проблема попадания в бензин воды уже упоминалась, и она весьма серьезна. Представьте себе два стакана, в одном из которых 50 мл водки (то есть, в основном, смесь этанола с водой), а в другом столько же бензина. Теперь представьте, что в оба стакана добавили по 100 мл воды и перемешали. Естественно, вода и масло разделятся, как только перемешивание будет прекраще­но, а водка отлично смешается с водой.

А теперь содержимое обоих стаканов слили вместе в третий стакан и встряхнули (какие расходы ради науки!). Жидкости снова расслоились, но водка осталась в воде и не перешла в бензин. В США бензин в основном транс­портируют по трубопроводам. При этом невозможно пол­ностью избежать контакта с водой. В результате бензин, содержащий спирты, может расслоиться в трубопроводе. Поэтому его приходится транспортировать как-нибудь иначе. МТБЭ, имеющий другое химическое строение, практически нерастворим в воде, поэтому его примене­ние не столь ограничено, как применение спиртов.

Компаундирование. Интерес к спиртам обусловлен со­отношением между их себестоимостью и их полезными свойствами в качестве компонентов бензина, конкрет­нее, их способностью повышать октановое число. Но их влияние не столь прямолинейно, как, например, влия­ние алкилата или риформата. Добавление спиртов и кис­лородсодержащих веществ действует немонотонно. На­пример, небольшие добавки (до 2—3%) спирта резко поднимают ДПР смеси. При дальнейшем прибавлении (до 5, 10 или 15% по объему) изменений не происходит. В этом интервале концентраций метанол увеличивает ДПР на постоянную величину, равную приблизительно 3 единицам, этанол примерно на 0,7, а ТБС — на 2 единицы ДПР.

Влияние добавления свинцовой присадки также нере­гулярно и зависит от других компонентов бензина. В не­которых случаях эффект свинцового антидетонатора ока­зывается отрицательным. Коль скоро рассматривается воз­можность применения спиртов и кислородсодержащих добавок для получения неэтилированного бензина, неус­тойчивость действия ТЭС не имеет особого значения.

Компаундирование бензина и его влияние на технологические операции

Никто не обещал, что оптимизация состава бензина окажется простой задачей. Это действительно очень слож­ная проблема, особенно теперь, когда в некоторые мар­ки бензина нельзя добавлять ТЭС. Давайте посмотрим, как проблема постепенно усложняется: а. При потребности в бензине трех марок и наличии всех компонентов требуется смешать их так, чтобы не было остатков.

Б. Теперь учтем изменение режимов работы некоторых установок, например, изменение режима риформин - га, для достижения определенного соотношения вы­хода и октанового числа продукта, повышение темпе­ратуры на установке каталитического крекинга для увеличения выхода олефинов и, в конечном итоге,

И т. д.

В. Наконец, нужно учесть разветвление входящих и вы­ходящих потоков. Например, легкий крекинг-газойль можно направить на компаундирование котельного топлива, а не на гидрокрекинг, бутилен можно не­посредственно использовать как компонент автомо­бильного бензина, а не отправлять на

А также можно отделить тяжелую часть от прямогон - ной нафты (которая является сырьем риформинга) для получения большего объема керосина (топлива для газовых турбин).

Самый эффективный способ справиться со всеми эти­ми переменными параметрами — это моделирование про­цессов нефтепереработки с помощью линейного програм­мирования на большом компьютере. Входные и выход­ные потоки, мощность и себестоимость всех операций по переработке нефти от перегонки до компаундирования могут быть описаны с помощью нескольких уравнений и численных значений. Подробно учитываются доступность и стоимость сырой нефти, а также потребности в про­дуктах и их цены. Методика линейного программирова­ния позволяет найти наиболее экономически эффектив­ное решение уравнений (которых обычно много).

Компьютер при этом необходим, так как оптималь­ное решение требует проведения тысяч расчетов. Но даже в этом случае решение будет приблизительным и вот почему:

А. Данные, на которых основано построение модели, являются лишь приблизительными оценками выходов продуктов в процессах. В зависимости от неопределен­ного числа факторов (время, прошедшее после оста­новки реактора, активность катализатора, температу - pa воздуха, температура охлаждающей воды и т. д.), выходы могут меняться.

Б. Может меняться состав сырой нефти.

В. Могут изменяться потребности и цены.

Наконец, неизбежные незапланированные остановки в разных частях завода нарушают регулярное течение про­цессов. Тем не менее, линейное программирование как аналитический метод является неоценимым инструмен­том для разработки модели или плана.

Резюме. При обсуждении проблемы компаундирования бензина приходится обращать внимание на значитель­ную часть основных операций нефтеперерабатывающего завода. Устаревший способ получения нужного октаново - го числа достаточно прост, но действительная оптимиза­ция компаундирования бензина требует оптимизации ра­боты всего нефтеперерабатывающего завода.

УПРАЖНЕНИЯ

Дайте определение следующих терминов:

Давление насыщенных паров ДПР

Рабочий ход паровая пробка компонент, увеличивающий

Давление насыщенного пара детонация степень сжатия ИОЧ и МОЧ этилированный бензин повышение октанового числа

Рассчитайте количество н-бутана, которое требуется для получения ДПР 12,5 psi в смеси 2730 баррелей прямогонного бензина, 2490 баррелей риформата с ИОЧ 94, 6100 баррелей тяжелого продукта гидрокре­кинга и 3600 баррелей крекинг-бензина. Сколько нуж­но добавить ТЭС, чтобы ИОЧ бензина было 97,0?

Какая проблема возникнет, если добавить столько ТЭС? Какие три вещи произойдут с бензиновым резер­вуаром, если тяжелый продукт гидрокрекинга сначала направить на риформинг и только потом использовать как компонент бензина? Выход риформата считайте рав­ным 85%, а соответствующие октановые числа и давле­ния насыщенных паров возьмите из таблиц, приведен­ных в этой главе.