В исследовании была использована моделирующая система линейного программирования. Эта система наряду с программой ЭВМ содержит большой набор данных относительно многих моделей нефтеперерабатывающих заводов, нефти и различных данных о физических свойствах каждого заводского потока. Модель каждого процесса является линейным выражением нефтеперерабатывающей установки.

Полная модель нефтеперерабатывающего завода была сделана по программе модульным способом.

Программа, составленная на основании информации, поступающей от потребителя и из других данных, определила систему линейных уравнений (модель), отражающих возможные поступления на нефтеперерабатывающий завод, выходы нефтепродуктов и последовательность операций по переработке нефти. Решение системы этих уравнений позволило определить максимальные выгоды.

Моделирование основного варианта. Модель нефтеперерабатывающего завода и производственные мощности его установок были приняты с параметрами, соответствующими заводам 1972 г, сведения о которых были опубликованы в журнале «Ойл энд Гес Дж » 2 апреля 1973 г. Состав поступающего на переработку сырья и выход продуктов переработки соответствуют данным Горного бюро [16]. Мощность принятого за основную модель нефтеперерабатывающего завода равна 15 900 м³ в календарные сутки (кал сут ) — типичная мощность для нефтеперерабатывающих заводов 1972 г.

Нефтеперерабатывающие установки на заводе и их производительность приводятся в табл 2.

Определение основного варианта модели нефтеперерабатывающего завода, который отражал бы всю нефтеперерабатывающую промышленность страны, было делом нелегким. При переработке на нефтеперерабатывающем заводе модели 1972 г. сырья среднего состава получаются нефтепродукты, приведенные в табл. 1. Предусматривается производство топлив различных сортов для транспортных машин с различными двигателями. Речь идет лишь о наземных машинах.

Варианты и результаты исследований. Для определения возможностей максимального производства транспортных топлив исследовано четыре варианта работы нефтеперерабатывающих заводов, в том числе:

1973 Производство топлив, соответствующих нормативам 1972 г.

1974 Производство неэтилированного бензина с октановым числом по исследовательскому методу 96.

1975 Производство дизельного топлива.

Производство топлив, выкипающих в пределах 38—344°С, без ограничения октановых и цетановых чисел.

Эксплуатационные условия для модели нефтеперерабатывающего завода имели определенную свободу и ограничения. Поступление сырья поддерживалось во всех случаях постоянным равным 15 900 м³/кал.сут. Допускалось увеличение мощности установок каталитического риформинга для производства неэтилированного бензина. Была также установлена необходимость поддержание производства и других требовавшихся нефтепродуктов. В связи с этим выходы нефтехимического сырья, специальной нефти, остаточного котельного топлива, авиационного реактивного топлива, смазочного масла, парафина поддерживались в каждом варианте на одинаковом уровне.

В табл. 3 обобщаются результаты для каждого исследовавшегося варианта и распределение выходов для основного и альтернативных нефтеперерабатывающих заводов с номинальной мощностью 15 900 м³/кал.сут (1972 г,), перерабатывающих нефть среднего качества.

Основной вариант (вариант А). Основной вариант завода производительностью 15 900 м³/кал. сут типичен для нефтеперерабатывающей промышленности США в 1972 г. В то время производились в основном этилированные бензины и дизельные топлива. Выход бензина составлял 8721 м³/кал. сут, а дизельного топлива — 1611 м³/кал. сут. Общее производство транспортных топлив составляло 10332 м³/кал. сут. Кроме того, производились также и другие нефтепродукты, приведенные в табл. 3, использовавшиеся в качестве топлив. Основной вариант будет применен для сравнения с выходами трех других процессов производства топлив различного типа.

Энергия, необходимая для эксплуатации нефтеперерабатывающего завода основного варианта, равна 12 650 млн.ккал/сут, или 795 700 ккал на I м³ нефти. Потребность же энергии для работы нефтеперерабатывающего завода в 1972 г. по данным Горного бюро была равна 1 077 500 ккал на 1 м³ нефти. Виды топлива, использовавшиеся для переработки на основном варианте нефтеперерабатывающего завода, показаны в табл. 3. В табл. 3 приводится также аналогичная информация для заводов других вариантов.

Неэтилированный бензин с октановым числом по исследовательскому методу 91 (вариант В). Неэтилированный бензин с октановым числом 91 по исследовательскому методу вырабатывался в максимально возможном количестве.

Для достижения этой цели необходимо было увеличить на 20,8% мощность каталитического риформинга по сравнению с мощностями, использовавшимися в основном варианте, что обеспечило бы производство бензина с октановым числом по исследовательскому методу 100, а также работу установки по гидроочистке. В связи с увеличением мощности каталитического риформинга потребовалось дополнительное сырье — прямогонный лигроин, выкипающий в пределах 63—93°С, а также гексаны и гептаны из газового конденсата. Была увеличена подача сырья на коксующую установку и на установку крекинга с флюидизированным катализатором. Для удовлетворения требований нормативов по сере перерабатываемые дистилляты подвергались гидроочистке.

В итоге получалось 8388 м³/кал. сут неэтилированного бензина с октановым числом 91 по исследовательскому методу, что на 333 м³/кал. сут меньше, чем при производстве бензина по основному варианту. Размеры производства дизельного топлива в обоих случаях были одинаковыми.

Из сравнения можно видеть недостатки, связанные с производством неэтилированного бензина. Кроме того, как было ранее отмечено, двигатель на бензине с меньшим октановым числом работает с меньшим к.п.д.

Энергия, требующаяся для обеспечения работы завода по получению неэтилированного бензина с октановым числом 91 (вариант В), составляла 14,5 млрд. ккал/сут, или 911 400 ккал на 1 м³ нефти.

Максимальное производство дизельного топлива (вариант С). Для производства максимального количества дизельного топлива средние дистилляты нефти направлялись непосредственно на смешение, а не на установку крекинга сфлюидизированньм катализатором для получения бензина. Объем переработки средних дистиллятов на установке каталитического крекинга с флюидизированным катализатором был уменьшен с 67,1 % в основном варианте до 58,7% в данном варианте.

Программа ЭВМ, составленная для исследования этого вопроса, основывалась на идеальном фракционировании, и, если бы не ограничения, с ее помощью можно было бы производить 50,8% средних дистиллятов.

Из табл. 3 можно видеть, что нельзя производить дизельное топливо, исключив производство бензина полностью. В данном варианте этилированный бензин получался по тем же нормативам, что и в основном варианте.

Ниже сопоставляется производство дизельного топлива и бензина нефтеперерабатывающими заводами двух вариантов.

В варианте С по сравнению с основным вариантом производство дизельного топлива значительно возросло. Если говорить об увеличении пробега транспорта, который может быть достигнут при работе на дизельных двигателях, то этот вариант обеспечит больший пробег транспорта, чем любой из бензиновых вариантов, рассмотренных ранее.

Кроме того, как видно из нижеследующего, меньше энергии требуется для эксплуатации нефтеперерабатывающего завода.

Максимальное производство топлива широкого фракционного состава, выкипающего в пределах 38—344°С (вариант D). Фракция, выкипающая в пределах 38—344°С, которая может быть использована в качестве топлива для двигателя с непосредственным впрыском и послойным распределением заряда топлива, не характеризуется октановым или цетановым числами. Загрузка сырьем обычных установок каталитического риформинга с целью максимального производства топлива этого типа была доведена до размеров, при которых образующийся водород обеспечивает работу установок гидроочистки и гидрокрекинга (соответственно 1 902 и 3 022 м³/кал. сут в основном варианте). Кроме того, требования к работе установки каталитического риформинга (жесткость) были снижены исходя из производства бензина с октановым числом по исследовательскому методу 86,2.

В будущем, возможно, будет нежелательно или неэкономично производить компоненты широкофракционного топлива с целью получения на установках каталитического риформинга водорода. Для производства водорода могут, быть использованы другие методы. В будущих исследованиях необходимо сравнить стоимостную характеристику производства водорода различными методами и выбрать наиболее экономичный процесс.

Для дальнейшего увеличения производства топлива широкого фракционного состава загрузка установки каталитического крекинга (флюид) была снижена с 5030 м³/кал. сут в основном варианте до 3903 м³/кал.сут. Снижение загрузки установки осуществлялось за счет направления потока дистиллята непосредственно на компаундирование топлива 38—344°С.

Ниже показано общее производство транспортного топлива в сравнении с основным вариантом.

В варианте D получается 10 611 м³/кал. сут транспортных топлив, которые при использовании в двигателях с непосредственным впрыском и послойным распределением заряда топлива обеспечат максимальный пробег, считая на кубический метр нефти, что будет показано в следующем разделе настоящего доклада.

Для производства транспортного топлива 38—344°С требуется меньше энергетического топлива, поскольку процесс его производства проходит при меньшей загрузке и жесткости установок каталитического риформинга и каталитического крекинга. Ниже приводится достигаемая экономия энергии по сравнению с основным процессом:

Сохранение энергетических ресурсов. Автомобильное топливо 80х годов по всей вероятности также будет производиться из нефти. Сохранение ресурсов нефти поэтому имеет чрезвычайно важное значение. Доминирующее влияние на нефтяные ресурсы страны и сокращение импорта недостающей нефти оказывает выбор типа автомобильного двигателя, применяемого топлива и процессов его получения. В табл. 4 приводятся результаты расчётов для различных соотношений этих параметров. Из таблицы видно количество нефти (под нефтью понимается нефть и газовый конденсат), и которой получают топливо, необходимое для обеспечения определенного пробега автомобилей. Недостающее количество восполняется импортной нефтью, уменьшение дефицита указывает на сокращение зависимости от импортной нефти.

Вариант А в таблице — основной вариант, отражающий фактические данные, относящиеся к 1972 г, когда перерабатывалось 1,84 млн. м³ нефти в сутки [16] для получения этилированного бензина и дизельного топлива, которыми обеспечивались пробег транспорта в 6982 млн. км в сутки и экономия в среднем 5,34 км/л топлива [22] по отношению ко всему бензину, израсходованному в том же году. Порядок расчетов, относящихся к определению пробега автомобилей, приводится ниже.

В последующих вариантах эти 6982 млн. км/сут были приняты в качестве стандартного показателя, который использовался для сравнения экономии топлива при различной комбинации двигателей и топлив. Очевидно, что в зависимости от типа двигателей и топлив потребность в нефти значительно менялась.

Наибольшее количество нефти для обеспечения пробега автомобилей 6982 млн. км/сут требовалось в варианте с неэтилированным бензином (вариант С), когда его производство было максимально увеличено. Этого направления США придерживаются и в настоящее время. Автомобили, работа которых отвечает стандартам по предотвращению загрязнения окружающей среды, оборудуются каталитическими дожигателями, а на нефтеперерабатывающую промышленность возложена задача не повреждать катализатор и производить бензин с октановым числом 91 по исследовательскому методу. В результате этого, по сравнению с основным вариантом, был снижен пробег автомобилей с 3492 до 3198 км на 1 м3 перерабатываемой нефти. Кроме того, потребность в нефти возросла с 2000 до 2178 тыс. м3/сут.

В этом исследовании можно было исходить только из процессов переработки нефти, которые предусмотрены основным вариантом. Однако путем модификации существующих процессов можно добиться изменения выхода бензина. Этот вопрос также изучался, Один из вариантов касался изучения вопроса потенциальных возможностей производства бензина с октановым числом 94 по исследовательскому методу. Для этого был принят простой вариант, по которому увеличение пробега автомобиля, приходящееся на кубический метр нефти и достижимое за счет изменения двигателя, осуществлялось на бензине, полученном из прямогонных фракций, подвергнутых каталитическому риформингу в очень жестких условиях. Однако даже при использовании максимального количества сырья для установок каталитического риформинга с жестким режимом можно добиться лишь незначительного повышения качества неэтилированного бензина с октановым числом 91 по исследовательскому методу. Повышение же эффективности, которое достигалось за счет модификации конструкции двигателя, в значительной мере сводилось на нет изза увеличения потребности в топливе с более высоким октановым числом. Поэтому мы уверены, что путь, связанный с увеличением октанового числа неэтидированных бензинов, не сулит никаких потенциальных возможностей повышения транспортной эффективности. Таким образом, выводы, сделанные в данной работе относительно двигателей таких типов, как дизельные и с послойным распределением топливного заряда, остаются в силе.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ АВТОМОБИЛЬНЫЕ ТОПЛИВА
Перевод: А.П. Чочиа
Под редакцией: профессора Я.Б. Черткова
Москва, 1982