Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Математическое моделирование и оптимизация каталитических реакторов и процессов

Для промышленных каталитических систем разработаны новые IT-технологии на физико-химической основе, обеспечивающие эксплуатацию катализаторов в оптимальном режиме. Принципиально важным является учет в моделях реакционной способности углеводородов нефтяного сырья и кинетики дезактивации катализаторов, что позволяет осуществлять непрерывный мониторинг и прогноз работы промышленных установок: риформинга бензинов со стационарным и движущимся слоем, изомеризации пентан-гексановой фракции, дегидрирования парафинов, алкилирования бензола олефинами.

На основании квантово-химических расчетов электронных структур молекул углеводородов С₉–С₁₄ и термодинамического анализа предложен формализованный механизм протекания процесса дегидрирования на платиновых катализаторах.

Проведены экспериментальные исследования с последующим математическим описанием структуры коксогенных соединений, отлагающихся в процессе дегидрирования на Pt-катализаторе.

Предложен и внедрен на промышленной установке дегидрирования парафинов С₉–С₁₄ новый способ увеличения селективности катализатора подачей воды в реакционную зону и термодинамически обосновано ее участие в реакции пароводяной конверсии коксогенных структур. Программная реализация этого способа выполнена в интегрированной среде Delphi. Компьютерная программа внедрена в общезаводскую тематическую витрину данных в ООО «КИНЕФ».

Разработана методика определения оптимальной подачи воды в реактор дегидрирования. Это позволяет определять количество воды, необходимое для компенсации снижения конверсии реакции гидрирования аморфного кокса, являющегося предшественником графитообразного кокса, полностью дезактивирующего активные центры катализатора. При увеличении подачи воды достигается снижение количества образующегося на катализаторе кокса за счет более полного гидрирования промежуточных продуктов уплотнения. С использованием разработанной методики выданы рекомендации по динамике подачи воды в ходе реакционного цикла катализатора дегидрирования, позволяющие продлить срок его службы катализатора на 20%.

Разработан способ оценки эффективности работы реакторного узла процесса риформинга бензинов с неподвижным зернистым слоем катализатора по отклонению от равновесия реакций коксообразования, учитывающий многокомпонентность сырья и многообразие реакций, а также степень использования внутренней поверхности зерна катализатора.

На основе предложенного способа оптимизации реактора создана моделирующая система для анализа, контроля и прогнозирования эффективности работы реактора, имеющая многофункциональное применение: обоснование решения о подборе и замене катализатора, корректировка технологических режимов реактора, оптимизация конструкции реакторного блока.

Теоретически обоснован и подтвержден на практике единый технологический критерий эффективности работы реакторов риформинга — отклонение от оптимальной активности. Показано, что длительность межрегенерационного цикла напрямую зависит от величины отклонения. Выполнена сравнительная оценка применимости катализаторов по предложенному единому критерию эффективности работы реактора, который отражает отклонение текущей активности от оптимальной.

На основе данных промышленной эксплуатации катализаторов созданы, программно реализованы и внедрены кинетические модели каталитического риформинга бензинов, дегидрирования высших парафинов, изомеризации пентан-гексановой фракции углеводородов, позволяющие проводить исследования в стационарных и нестационарных условиях ведения процесса:

• 2010616262. Программа расчета оптимального соотношения при смешении продуктов риформинга и сырья изомеризации. Горда Е.О., Чеканцев Н.В., Иванчина Э.Д., Долганов И.М., 2010 г.
• 2010616263. Компьютерная моделирующая система мониторинга четырехреакторной схемы процесса каталитического риформинга бензинов. Чеканцев Н.В., Долганов И.М., Шарова Е.С., Кравцов А.В., Иванчина Э.Д., 2010 г.
• 2010616253. Программа расчета процесса алкилирования бензола олефинами с учетом детализации схемы превращения углеводородов многокомпонентной смеси. Шнидорова И.О., Шнидорова Н.О., Долганов И.М., Иванчина Э.Д., 2010 г.
• 2010616252. Программа расчета процесса алкилирования бензола олефинами с учетом покомпонентного состава сырья. Шнидорова И.О., Шнидорова Н.О., Фетисова В.А., Иванчина Э.Д., 2010 г.
• 2010616250. Программа расчета технологических параметров производства линейных алкилбензолов с выбором типа катализатора. Долганов И.М., Францина Е.В., Романовский Р.В., Иванчина Э.Д., Максимова Е.А., 2010 г.

проф., д.т.н., Засл. деятель науки РФ Кравцов А.В., проф., д.т.н. Иванчина Э.Д.,
к.т.н. Ивашкина Е.Н., к.т.н. Юрьев Е.М., Шарова Е.С., к.т.н. Чеканцев Н.В. и др.