Научная школа по математическому моделированию многокомпонентных каталитических процессов профессора А.В. Кравцова. Основные этапы создания и развития

Математическое моделирование каталитических процессов, как научное направление, создавалось в середине 60-70 гг. прошлого века и продолжает развиваться. Определяющую роль играет моделирование в развитии каталитических процессов.

Благодаря активным действиям Анатолия Васильевича Кравцова при поддержке Михаила Гавриловича Слинько в 1976 году при кафедре химической технологии топлива и химической кибернетики ТПИ была открыта исследовательская лаборатория кинетики и математического моделирования, основным объектом исследований которой стали многокомпонентные процессы нефтепереработки и нефтехимии.

Именно Слинько М.Г. создана иерархическая схема построения математической модели реактора (элементарный акт химического превращения – термодинамика – кинетика – зерно – слой – аппарат – химико-технологическая система). Сформулированы методологические аспекты построения математических моделей на основе сочетания натурного и вычислительного эксперимента. Однако теории математического моделирования многокомпонентных каталитических процессов, адекватной по своему научному потенциалу, до исследований, выполненных учениками профессора Кравцова А.В., не было представлено. Это объясняется высокой сложностью математического описания каталитических процессов.

В таблице представлены основные результаты внедренческих работ Анатолия Васильевича, которыми неизбежно должны были завершаться работы по математическому моделированию и которые получены в период, начиная с 70-х годов прошлого века, и продолжаются до сих пор его учениками.

Так, в конце 70х – начале 80-х гг. разработанное математическое обеспечение послужило основой для построения системы автоматического проектирования реакторного узла процесса каталитического риформинга бензинов, программно-реализованная на ЭВМ ЕС-1033.

Топологические особенности вычислительного комплекса, построенные на основе этого математического описания, были представлены информационным графом, узлы которого стандартизированный набор модулей.

Для максимальной автоматизации блоки объединялись в структуры в соответствии с целью расчета. Компоненты возможных структур составляли библиотеку модулей поверочно-проектных расчетов. Так был создан модуль САПР для проектирования установок каталитического риформинга бензинов.

Математическая модель процесса риформинга стала инструментом для выполнения значительного объема численных исследований, результатом которых стали в том числе рекомендации по реконструкции установок риформинга, в частности, по изменению конструкции внутренних устройств реакторов с радиальным вводом сырья в неподвижный зернистый слой катализатора. По результатам расчетов на установке Л-35-11/300 Саратовского НПЗ была проведена реконструкция реакторов риформинга. В ходе реконструкции реакторы были оборудованы новыми устройствами радиального ввода сырья с реализацией направления газо-сырьевого потока от центра к периферии реакторов. После переобвязки реакторов входная температура была снижена на 10 °С, удалось достичь увеличения концентрации водорода на 1-2 % об. и выхода стабильного катализата в среднем на 3 % мас.

Многолетняя работа профессора Кравцова А.В. и его учеников позволила в 2009 г. разработать и внедрить на предприятии «ООО ПО «Киришинефтеоргсинтез» систему контроля катализатора риформинга в  «Единую тематическую витрину данных» завода. Такой опыт в то время был поистине революционным, т.к. по сути являлся примером использования технологий RTO (Real Time Optimization), которые в настоящее время лишь набирают обороты в использовании различными компаниями.

Важнейшим направлением использования математических моделей процессов переработки углеводородного сырья стало решение задач предиктивной аналитики на производстве бензинов. Так, использование нестационарной модели процесса риформинга обеспечило прогнозирование длительности межрегенерационного цикла работы катализаторов в процессе эксплуатации.

В целом, стало возможным решение актуальной проблемы производства высокооктановых товарных бензинов путем управления процессом каталитического риформинга на основе сочетания внутризаводской базы данных и нестационарной кинетической модели, учитывающей физико-химические закономерности и технологические основы данного процесса. Научное направление, созданное профессором Кравцовым А.В. успешно развивается и сейчас его учениками. В стенах ТПУ разрабатываются и внедряются новые математические модели сложных процессов: каталитического крекинга, гидрокрекинга, гидроочистки тяжелых нефтяных фракций и других технологий. Уникальность моделей заключается в том, что они учитывают сложные физико-химические закономерности реакторных процессов. Осваиваются новые направления их применения: от отдельных модулей для моделирования работы промышленных установок до тренажерных комплексов. Усилия коллектива направлены на решение задач импортозамещения в области программного обеспечения для проектирования, моделирования и оптимизации процессов переработки углеводородного сырья в полезные нефтепродукты.