Определение параметров качества нефтепродуктов методом спектроскопии ближней инфракрасной области

Эффективное ведение процесса является важным фактором экономичного и стабильного производства. Себестоимость выпускаемого бензина и дизеля существенно зависит от эффективности производства, что обуславливает постоянно возрастающую потреб- ность в надежных средствах контроля производимого продукта на всех стадиях нефте-перерабатывающего производства.

Метод спектроскопии ближней инфракрасной области (БИК) имеет ряд преимуществ и успешно используется для контроля технологических процессов в режиме реального времени.

Нефть и продукты ее переработки представляют сложную смесь самых различных углеводородов. Спектры в ближней инфракрасной области определяются колебаниями в молекулах функциональных групп C-H, C=O, O-H, S-H. Cпектральная информация связана с химическим составом и физическими свойствами топливных продуктов, такими как вязкость, плотность, октановые числа и др. Современные спектрометры ближней инфракрасной области с применением методов многомерного математического анализа позволяют

определять одновременно качественные и количественные характеристики с необходимой точностью. 

На нефтеперерабатывающих заводах практический интерес представляет применение ближней инфракрасной спектроскопии для определения качества промежуточных и конечных продуктов переработки нефти и газового конденсата, таких как:

  • Риформат
  • Изомеризат
  • Бензины
  • Дизельное топливо
  • Керосин и др.

Одним из основных параметров в спецификации товарных бензинов являются октановые числа. Для определения октановых чисел применяются стандартные методы, ASTM, ISO и EN, которые достаточно трудоемки, требуют дополнительных реактивов, высокой квалификации оператора и существенных временных затрат.

Спектроскопия ближней инфракрасной области является неразрушающим, быстрым и надежным методом для стандартных анализов и on-line контроля.

Метод спектроскопии ближней инфракрасной области является эффективным решением для контроля качества на разных этапах переработки нефти. Символами обозначены возможные приложения технологии поточного анализа.

Безусловным преимуществом оптических анализаторов является возможность быстрого одновременного определения нескольких важных параметров, таких как октановые числа, содержание бензола, ПИОНА, ароматических соединений, содержание МТБЭ, ЭТБЭ, фракционного состава, давление насыщенных паров, плотность и др. (см. Схема 1.)

Технические решения и оборудование

Компания Bruker Optics предлагает специализированные промышленные системы серии MATRIX. Шестиканальный спектрометр MATRIX-F с подключением внешних мультиплексоров позволяет анализировать до 48 технологических потоков.

Bruker Optics предлагает различные виды проточных кювет и иммерсионных датчиков. Соединение датчика со спектрометром осуществляется с помощью оптоволокна. Современные оптоволоконные датчики способны выдерживать высокие температуры и давление, что позволяет использовать их для контроля различных процессов производства. Классические датчики на пропускание выполнены из коррозионно-стойкой стали или Хастеллой с сапфировыми окнами и удобны для использования в различных жидких средах.

Рис.1.Спектры бензинов различных марок в ближнем ИК диапазоне (АИ-80-синий, АИ-92-красный, АИ-95-зеленый)

MATRIX-F имеет модульный дизайн и может быть установлен в стандартные пыле- и влагозащитные шкафы с диагональю 19”.

Промышленное программное обеспечение OPUS/Process, предназначено для контроля технологических процессов и поддерживает различные протоколы, такие как Modbus, Profibus, промышленный Ethernet, OPC.

Рис. 2. График проверки модели количественного определения октанового числа и ароматики. R2 (коэффициент корреляции) и RMSECV/RMSEP (среднеквадратичная ошибка проверки модели) соответственно R2=94.85 RMSECV=0.466/R2=99.44 RMSEP=0.567

Применение метода спектроскопии ближней инфракрасной области для контроля качества топлив Классическим примером использования технологии БИК является определение исследовательского и моторного октановых чисел в бензинах различных

марок. Спектры бензинов различных марок регистрировались в диапазоне 12 500 – 4000 см-1. Регистрация одного спектра занимает несколько секунд. Метод спектроскопии ближней инфракрасной области применим для определения:

  • Октановых чисел MON, RON
  • Цетанового числа, цетанового индекса
  • Содержания общей ароматики, насыщенных и нена-сыщенных углеводородов
  • ПИОНА, отдельные компоненты
  • Бензола
  • Фракционного состава
  • Давления насыщенных паров
  • Температуры помутнения, температуры застывания
  • Плотности и вязкости
  • Содержания окислителей, MTБЭ, TAMЭ, метанолаи др.

Метод спектроскопии ближней инфракрасной области успешно используется на установках компаундирования, где важно вести постоянный контроль критических параметров качества: RON, MON, содержание ароматики, олефинов, парафинов, нафтенов, содержание бензола, давление паров по Рейду (RVP), MTБЭ, TAMЭ, Метанола, Этанола, и других. Особый интерес представляет контроль качества продуктов, предназначенных для смешивания, например, потоки алкилирующего продукта, MTБЭ, риформата, изомеризата и др.

Преимущества использования метода спектроскопии ближней инфракрасной области Применение оптической спектроскопии для контроля качества производимого продукта имеет ряд преимуществ:

  • Мониторинг процесса в режиме реального
  • времени (оn–line), одновременный контроль
  • нескольких параметров
  • Оптимизация технологических процессов
  • Повышение эффективности производства
  • Улучшение качества продукции и снижение её себестоимости
  • Уменьшение риска при производстве
  • Ресурсо-и энергосбережение
  • Быстрота анализа (10-20 сек), возможность перейтиот выборочного контроля на постоянный, отсутствие пробоподготовки

Преимущество поточного анализа по сравнению с выборочным контролем в лаборатории иллюстрируетрис.3

 

Рис. 3. Контроль в режиме on-line и выборочный анализ в лаборатории

Существенные преимущества имеет применение спектроскопии в режиме Оn–line. Результаты, оперативно получаемые с анализатора MATRIX-F, передаются на систему автоматического управления. Измерение свойств занимает всего несколько секунд, в то время

как традиционным анализаторам (газовая, жидкостная хроматография и др.) для этого требуется не менее 20 минут. Cпектрометр MATRIX-F анализирует несколько технологических потоков, контролируя в каждом потоке несколько физических и химических параметров, что позволяет заменить ряд традиционных анализаторов, каждый из которых определяет только один или два параметра. Период окупаемости анализатора определяется главным образом объемами производства и количеством измерений в единицу времени. Первоначальные инвестиции на приобретение поточного аналитического спектрометра MATRIX-F окупаются существенно быстрее прочих технологий поточного анализа.

Мониторинг процесса позволяет оперативно и своевременно реагировать на малейшие отклонения от нормы, предотвратить производство продукта, не соответствующего спецификации. Результатом применения спектроскопии ближней инфракрасной области

является общее снижение издержек на производство и обслуживание процесса, экономия средств за счет избежания выпуска бракованной продукции, сокращение простоев и расходов на энергию, на дорогостоящие расходные материалы. В целом метод позволяет использовать производственные мощности на 100% и формировать качество продукта в процессе его производства.

Компания Bruker Optics всегда славилась качеством своей продукции. Спектрометры Bruker гарантируют осуществление точных и надежных измерений. Обучение и техническую поддержку проводят специалисты компании, имеющие большой практический опыт.