Rys. 1. Istota blendingu benzyn bezołowiowych (według [7]) E – ekspedycja cysternami kolejowymi lub autocysternami, również rurociągami magistralnymi, 1-9: zbiorniki komponentów blendingu, 10: zbiornik bioetanolu, [X]: rafinaty.

Od kilkunastu lat instalacje komponowania paliw silnikowych (benzyn, olejów napędowych), zwłaszcza w dużych rafineriach uznawane są za szczególnie ważne. Modernizuje się je równolegle z wprowadzaniem zmian technologicznych następujących w schematach rafinerii i w samych procesach rafineryjnych.

Benzyny bez Pb
    Zmiany te przyniosły stopniowo praktycznie całkowite wyeliminowanie z benzyn silnikowych toksycznego ołowiu (tetraetyloołów) oraz rakotwórczego benzenu. W ich miejsce uzupełnienie bilansu oktanowego następowało poprzez wykorzystanie w coraz większym stopniu frakcji benzynowych z fluidalnego krakingu katalitycznego, alkilatów oraz izomeryzatów, a także półproduktów syntetycznych, np. eterów alkilowych. Instalacja komponowania (tzw. blendingu) benzyn silnikowych zasilana jest przez wiele strumieni komponentów napływających z różnych zintegrowanych z nią instalacji rafineryjnych. Aby uzyskać pożądaną jakość i potrzebne wydajności produkowanych gatunków benzyn silnikowych oraz na bieżąco dostosowywać się do różnych sytuacji eksploatacyjnych rafinerii, a także do zmieniających się oczekiwań rynku – trzeba dysponować precyzyjnymi programami komputerowego sterowania blendingiem. Obejmują one m.in. przetwarzanie danych z ciągłego analizowania składu poszczególnych strumieni komponentów. Trzeba podkreślić, że stosunkowo duże koszty wyposażenia i uruchomienia nowoczesnych instalacji blendingu muszą być jednak ponoszone równolegle do kosztów rozbudowy schematów czy modernizacji. Bez tego nie ma mowy o komponowaniu benzyn lub olejów napędowych (ON), których jakość spełnia wymagania określonych specyfikacji.
    Kompletny i wszechstronny model systemu blendingu jest korzystny dla dokładnego szacowania jakości benzyny silnikowej, realizacji optymalnego sterowania strumieniami oraz prowadzenia efektywnego nadzoru. Stosowane dotychczas modele wykorzystują zależności liniowe i ich nieliniowe modyfikacje.

Tab. 1.
Podstawowe informacje o kilku wybranych komponentach do blendingu benzyn bezołowiowych (patrz również rys. 3).

Tab. 2. Benzyna bezołowiowa – wymagania jakościowe i metody badań [7]

Modele stosowane w blendingu
    Poniżej przytoczono przykłady modeli stosowanych w blendingu benzyn silnikowych:

Model linearny dla liczby oktanowej, gdzie liczba oktanowa benzyny jest sumą iloczynów ułamków objętościowych poszczególnych komponentów i ich liczb blendingowych. Natężenia przepływów poszczególnych komponentów są dobierane tak, aby uzyskać pożądane właściwości oktanowe produktu.
Model Ethyla. Jest jednym z najstarszych modeli dostępnych w literaturze, wykorzystywanym obecnie jako metoda odniesienia dla opracowywanych nowszych modeli. W metodzie Ethyla liczba oktanowa jest modelowana wprost jako funkcja czułości (różnica liczby oktanowej badawczej i liczby oktanowej motorowej) komponentów, zawartości olefin i zawartości aromatów w poszczególnych komponentach.
Model binarnych współczynników interakcji. W metodzie tej proponuje się modelowanie nieliniowe liczby oktanowej oparte na równaniach empirycznych, wykorzystujących wyznaczone doświadczalnie binarne współczynniki interakcji pomiędzy poszczególnymi komponentami, które wchodzą w skład benzyny silnikowej.
Model nadwyżki liczby oktanowej. W metodzie tej właściwości oktanowe produktu modelowane są jako suma iloczynów ułamków objętościowych poszczególnych komponentów i ich liczb blendingowych, z uwzględnieniem nadwyżki liczb oktanowych poszczególnych komponentów w mieszaninach modelowych.
Model Zaheda. W tej metodzie liczba oktanowa jest modelowana z uwzględnieniem współczynników i stałych wprowadzonych do potęgowej funkcji zależności liczby oktanowej produktu od udziału w nim poszczególnych komponentów i ich liczb blendingowych.
Model linearny i binarnych współczynników interakcji stosowano także do modelowania prężności par benzyny silnikowej. Innym modelem dla kształtowania tego parametru był model indeksu blendingowego.

Rys. 2. Asortyment benzyn bezołowiowych w PKN ORLEN S.A. [3].

    Współczesne nowe technologie informatyczne pozwalają na zastosowanie do komponowania benzyny silnikowej modelu on-line, posiadającego zdolność do przetwarzania parametrycznego niepewności występujących podczas blendingu i współpracującego z systemem DCS. W modelu tym wykorzystano inteligentny hybrydowy algorytm oparty na sieci neuronowej i algorytmie genetycznym. Działanie zaprojektowanego modelu optymalizacyjnego zilustrowano z wykorzystaniem badań symulacji blendera w oparciu o informacje z rafinerii Daqing w Chinach w artykule [2].

Realizowane procesy w rafineriach
    W rafinerii w Płocku od 1996 roku zbudowano i uruchomiono kilka instalacji realizujących: 1. procesy wodorowe: hydroodsiarczania benzyny krakingowej (OBK), hydroodsiarczania oleju napędowego (HON), hydrokrakingu (HK), hydroodsiarczania gudronu (HOG); 2. izomeryzacji n-pentanu i n-heksanu, 3. alkilowania izobutanu propylenem; 4. eteryfikacji izobutylenu etanolem. Z instalacji tych odbierane są ważne komponenty do blendingu benzyn bezołowiowych. Dane literaturowe podają [3], że w produkcji rafineryjnej wytwarzanych jest kilkadziesiąt strumieni, które po hydrorafinacji mogą stanowić komponent benzyny silnikowej. Liczba strumieni, które charakteryzują się zakresem wrzenia, umożliwiającym zastosowanie ich do blendingu benzyny silnikowej, zależy od stopnia kompleksowości rafinerii i rośnie wraz z rozbudową rafineryjnego schematu przerobu ropy naftowej. Najważniejsze ze strumieni blendingowych pochodzą z procesów wtórnej przeróbki ropy naftowej.
    Obecnie ze względu na realizację Narodowych Celów Wskaźnikowych [5], związanych z polityką zastępowania energii pochodzącej z ropy naftowej energią ze źródeł odnawialnych, do blendingu benzyny silnikowej kierowany jest także bioetanol.

Aspekt ekonomiczny
    W ocenach ekonomicznych bardzo ważny jest wybór optymalnej kombinacji komponentów do produkcji finalnej benzyny silnikowej. Blending jest znacznie bardziej skomplikowany niż proste zmieszanie komponentów [6]. Do blendingu benzyn silnikowych typowa rafineria stosuje z reguły od kilku do kilkunastu komponentów – strumieni frakcji węglowodorowych (np. takich, jak wymienione w lewej części rys. 1 lub w innym „zestawie” zależnie od schematu technologicznego rafinerii). Mogą one wnosić do benzyn silnikowych węglowodory od butanu (gazy rafineryjne C4) do cięższych frakcji benzynowych (reformaty, frakcje aromatyczne). Nowoczesna benzyna silnikowa jest komponowana z wielu strumieni (w tym strumieni ETBE i etanolu), charakteryzujących się różnymi parametrami jakościowymi, takimi jak: prężność par, zakres destylacji, zawartość siarki, olefin i węglowodorów aromatycznych oraz wartość liczb oktanowych.
Każdy poszczególny komponent wnosi jednoznaczny wkład w każdy z obszarów jakości i charakteryzuje się innym kosztem produkcji [6]. Właściwa alokacja komponentu ma istotne znaczenie w optymalizacji decyzji. W rozwiązywaniu tego problemu większość rafinerii stosuje programowanie liniowe oparte na matematycznych technikach, które pozwalają na szybki wybór optymalnego rozwiązania spośród wielu alternatywnych możliwości.
Każdy komponent kierowany do blendingu charakteryzuje się specyficznymi właściwościami (przykłady w tab. 1). Dzięki niemu możliwe jest optymalne wykorzystanie poszczególnych komponentów i jednoczesne osiąganie maksymalizacji zysku rafinerii [7].

Tab. 3.
Wymagania odnośnie prężności par (DVPE) oraz E70 i VLI w uzależnieniu od pory roku [7] (w powiązaniu z tab. 1). VLI (wskaźnik lotności) 1150-1250 (dla benzyn klasy D1-F1).

Informatyczne techniki
    Wszystkie benzyny silnikowe produkowane w PKN ORLEN S.A. spełniają wymagania odnośnie do benzyn silnikowych dopuszczonych do obrotu na terenie kraju (rys. 2), które zostały określone w Dz. U. Nr 221, poz. 1441 oraz w Polskiej Normie PN-EN 228 (tab. 2 i 3) [7].
    Produkcja benzyn silnikowych w instalacji blendingu w PKN ORLEN S.A. w Płocku prowadzona jest w trybie szarżowym. Szarża zestawiana jest w programie Advanced Blend Control (ABC) pozwalającym obsłudze instalacji komponowania benzyn utworzyć i zoptymalizować skład komponentowy benzyny. Szarże zestawiane są w tym programie w oparciu o aktualny plan produkcyjny oraz z wykorzystaniem bieżących danych z analizy właściwości komponentów biorących udział w komponowaniu. W tym zakresie program ABC współpracuje z analizatorem FTNIR (spektofotometr bliskiej podczerwieni) [7].
    Na rys. 1 przedstawiono w uproszczony sposób, jak strumienie frakcji węglowodorowych (także ETBE i bioetanolu) napływają z instalacji rafineryjnych do zbiorników komponentów blendingu. Zbiorniki te nie są właściwie typowymi zbiornikami magazynowymi. Ich funkcja jest bowiem wręcz „technologiczna”. Zasila się z nich główny kolektor blendingowy - blender strumieniem objętości stosownym do udziału określonego komponentu w optymalnej recepturze realizowanej szarży.
Zasilanie kolektora ze zbiorników następuje przez tzw. linie blendingowe (pogrubione strzałki na rys. 1) wyposażone w pompy i liczniki turbinkowe. Zbiorniki objęte są zdalnym systemem pomiarowym. Dla każdego z nich dostępna jest baza danych w DCS (nazwa komponentu lub produktu, poziom, stopień napełniania, objętość, gęstość, temperatura oraz masa).
    Na każdy z wymienionych na rys. 1 komponentów przewidywany jest odrębny zbiornik połączony odrębną linią blendingową z głównym kolektorem blendingu. 
    Dopiero w tym kolektorze komponenty węglowodorowe i eter etylowo- tert-butylowy (ETBE) mieszają się, tworząc benzyny silnikowe SP98 i ES95, których jakość spełnia wymagania podane w tab. 2. i tab. 3. Jak ideowo zaznaczono na rys. 1, wprowadza się do nich dodatek detergentowy (o działaniu myjącym) i inne dodatki.
    Wytworzone benzyny silnikowe kierowane są do zbiorników magazynowych, z których kieruje się je do ekspedycji.
    Zaznaczono również ideowo na rys. 1 dozowanie bioetanolu do benzyny ES95 z wytworzeniem benzyny bezołowiowej etanolowej ES95A (rys. 3). Trzeba przytoczyć za [8], że etanol łatwo i bez ograniczeń łączy się z wodą, może więc być dodawany tylko w ostatniej fazie ciągu dystrybucyjnego [8], czyli po kolektorze.
Natomiast ETBE (eter etylowo-tert-butylowy), jeśli zostanie wybrany przy optymalizacji receptury komponowanej benzyny silnikowej, jest ze strumieniem objętości odpowiednio dobranym przez program ABC wprowadzany do kolektora głównego ze „swojego” zbiornika. Jednocześnie napływają do tego kolektora w zoptymalizowanej proporcji strumienie komponentów węglowodorowych.
    Informacje z zakresu szeroko rozumianej problematyki blendingu zawierają m.in. publikacje [8], [9], [10], [11], [12].

Rys. 3.
Średni skład benzyny bezołowiowej Euro-Super 95A [7]

Literatura
[1] W. Yu, A. Morales; International Journal of Modelling and Simulation, Vol. 24, No. 3, 2004 151.
[2] W. Wang, Z. Li, Q. Zhang, Y.Li; Institute of Automation/Chinese Academy of Sciences, Beijing, RPC; 15th Mediterraneam Conference on Control&Automation, July 27-29,2007, Athens, Greece.
[3] Gasolines, Products dossier no 92/103; CONCAWE, Brussels, July 1992].
[4] J. Surygała i in.: Vademecum rafinera, 447-457, WNT, Warszawa 2006.
[5] Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 15 czerwca 2007 r. w sprawie Narodowych Celów Wskaźnikowych na lata 2008-2013; Dz. U. 2007 Nr 110, poz. 757.
[6]http://www.britannica.com/EBchecked/topic/454440/petroleum-refining/8181 /Gasoline-blending.
[7] Informacja: Produkcja benzyn w zakładzie PKN ORLEN S.A. w Płocku.
[8] P. Giżyński, M. Betlejewski, J. Tomaszewski: Biuletyn ITN, 2005, 166-173.
[9] A. Kaczmarczyk, D. Rogowska: Biuletyn ITN, XII, 278-285.
[10] J. Lubowicz, M. Pałuchowska: Nafta-Gaz, LXIV, 2008, 11, 841-855.
[11] I. Skręt, Z, Stępień, A. Kaczmarczyk, M. Pałuchowska; „Wiadomości naftowe i gazownicze”, Nr 9/2005, 6-10.
[12] J. Molenda; „Przemysł Chemiczny”, 2002, 81,10, 644-650.

Autor: Jacek Molenda, Martynika Pałuchowska, Instytut Nafty i Gazu

Artykuł został opublikowany w magazynie "Chemia Przemysłowa" nr 3/2012

Źródło fot.: www.photogenica.pl