Российские ученые научились вычислять температуру начала и конца кипения нефтепродуктов с точностью до 3°C

Знаете ли вы, что из одного барреля нефти — примерно 159 литров — можно получить не только бензин, но и керосин для самолетов, дизельное топливо для грузовиков, пластик, парафин, асфальт и даже помаду? Нефть — это настоящий природный конструктор, внутри которого скрыто огромное богатство. Но чтобы добраться до каждого нужного продукта, эту сложную смесь нужно разобрать на части — отделить легкое от тяжелого. А для этого — нагреть.

У каждого нефтяного компонента своя температура кипения. Самые легкие превращаются в газ уже при 30–180 °C — из них получается бензин. Те, что потяжелее, закипают при 150–250 °C — это керосин. А при 200–350 °C начинают испаряться вещества, из которых делают дизельное топливо.

На заводах нефть нагревают в гигантских колоннах высотой с 20-этажный дом: легкие пары поднимаются вверх, тяжелые остаются внизу. Кажется, что процесс идет сам собой, но на деле фракции могут смешиваться. Чтобы этого избежать, нужно точно знать, при какой температуре заканчивается испарение одних компонентов и начинается испарение других.

Эти параметры до сих пор определяют способом, который разработали еще в XIX веке. Суть метода в том, что нефтепродукт нагревают в лабораторной колбе, фиксируют температуру, при которой выкипает определенный объем жидкости — например, 10%, 50%, 90%. Но у этого подхода есть принципиальные ограничения. Температуру начала кипения измерить точно почти невозможно: первые пузырьки появляются нестабильно, и приборы часто ошибаются. А температуру конца кипения во многих случаях вообще нельзя определить напрямую: легкие фракции, такие как бензин, испаряются слишком быстро еще до начала измерения, а тяжелые — дизель, мазут — начинают коксоваться при перегреве, не успев полностью перейти в пар.

В итоге самые важные показатели, которые определяют границы между бензином, керосином и дизелем, оказываются либо неточными, либо неизвестными. А надежными остаются только данные из середины процесса разгонки.

Однако если границы между фракциями не знать точно, тяжелые компоненты неизбежно попадают в бензин, а легкие — теряются в дизеле или уходят в мазут. Для завода это потери ценного сырья: сотни тысяч тонн в год. Но страдают от этого и автомобилисты: если тяжелые компоненты попадают в бензин, топливо хуже испаряется — зимой двигатель не заводится, а летом такие примеси не сгорают полностью, оставляя нагар и увеличивая расход.

Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха совместно со специалистами ООО «Промышленная кибернетика» разработали новый математический метод, который позволяет с точностью до 3 °C рассчитывать температуру начала и конца кипения нефтепродуктов. Это дает возможность инженерам правильно настраивать технологический процесс и получать топливо более стабильного качества. Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология».

— На заводе всегда точно знают, например, при какой температуре выкипает 10%, 50% и 90% топлива. Это надежные точки. А мы разработали математическую формулу, которая по ним вычисляет температуру начала и конца кипения, — рассказал Сергей Кобелев, студент магистратуры кафедры «Автоматизация технологических процессов» ПНИПУ, специалист ООО «Промышленная кибернетика».

Применив новый метод к реальным образцам керосина и дизеля, ученые впервые смогли рассчитать, при какой температуре на самом деле начинают появляться первые пары: для керосина это 144,1 °C, для дизеля — 202,3 °C. Также они вычислили температуру конца кипения — когда топливо полностью выкипает. Например, для бензина конец испарения недостижим из-за слишком быстрого перехода в пар, а для дизеля — из-за риска коксования при перегреве. Теперь же, благодаря математическому расчету, эти данные стали доступны.

Лабораторное оборудование / © Пресс-служба ПНИПУ

— Кроме того, мы построили графики, которые показывают не просто объем выкипевшего топлива, а скорость этого процесса. Это позволило определить, насколько сильно керосин и дизель «перемешиваются» друг с другом в процессе перегонки. Чем больше их пересечение, тем больше примесей попадает из одной фракции в другую. Это значит, что колонна работает неэффективно, а качество топлива снижается, — добавила Асия Кобелева, доцент кафедры «Химические технологии» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Благодаря этим формулам инженеры могут самостоятельно рассчитывать температуру начала и конца кипения, используя только надежные данные из середины процесса, которые на заводе всегда известны точно. А построенные дифференциальные кривые наглядно показывают, насколько чисто колонна разделяет разные виды топлива.

Проведение эксперимента / © Пресс-служба ПНИПУ

Если традиционные приборы определяют эти параметры с погрешностью, которая может достигать 10–15 °C и более, то новый подход позволяет рассчитывать их с точностью до 3 °C. Для технологического процесса это колоссальная разница: ошибка в 10 °C на границе фракций может означать, что тысячи тонн бензина, керосина или дизеля ежегодно уходят не в тот продукт. Новый метод сводит такие потери к минимуму.

Следовательно, разработка ученых позволяет настраивать процессы нефтепереработки быстро, точно и с минимальными рисками получения брака. Это значит, что на нефтеперерабатывающих заводах специалисты смогут подбирать режим нагрева колонн, избегая потерь ценного сырья, когда легкие фракции ошибочно уходят в мазут. Для простых потребителей это означает более стабильное качество топлива на заправках: в бензин не будут попадать излишние тяжелые компоненты, ухудшающие запуск двигателя, а дизельное топливо сохранит нужные смазывающие свойства.

В долгосрочной перспективе предложенный метод может быть использован не только в нефтепереработке, но и в других отраслях промышленности, где требуется определение законов распределения, — от химической технологии до фармацевтики.