In Raffinerien sind hochoktanige Produkte erwünscht, da sie zur Herstellung von Superbenzin verwendet werden. Die Produktion erfordert die strikte Einhaltung Sicherheitsstandards innerhalb der Anlage (IECEx / ATEX) und eine ständige Überwachung wichtiger Prozessparameter wie der Oktanzahl (OZ). Durch die zeitnahe Bereitstellung zuverlässiger Prozessdaten können nachgeschaltete Prozessanlagen (katalytischer Reformer) schnell optimiert werden, sodass hochwertigere Produkte entstehen und sich Gewinne steigern sowie Betriebskosten senken lassen.
Diese Process Application Note präsentiert eine Methode zur genauen Überwachung der Oktanzahl in Kraftstoffen in «Echtzeit» mittels Nahinfrarotspektroskopie (NIRS). Die Analysenmethode lässt sich gut mit den internationalen ASTM-Normen (American Society for Testing Materials) vereinbaren.
Die Oktanzahl (OZ) ist ein Schlüsselparameter im katalytischen Reformingprozess und die Qualität bzw. Performance kommerzieller Kraftstoffe (z. B. Benzin und Flugzeugkraftstoffe) angibt. Sie bestimmt die Neigung des Kraftstoffs, sich bei der Verbrennung im Motor nicht selbst zu entzünden (Klopffestigkeit).
Die Oktanzahl wird auf der Grundlage der Klopffestigkeit von zwei Referenzkraftstoffen gemessen: Iso-Oktan (C8H18) und n-Heptan (C7H16). Iso-Oktan weist eine hohe Klopffestigkeit unter extremen Bedingungen auf und wird daher mit einer OZ von 100 bewertet. Umgekehrt hat n-Heptan eine geringe Neigung zur Selbstentzündung und erhält daher eine OZ von 0.
Es gibt zwei Hauptkategorien von Oktanzahlen, da die Klopffestigkeit je nach Betriebsbedingungen variiert: die Forschungsoktanzahl (ROZ) und Motoroktanzahl (MOZ). Die ROZ wird bei niedrigeren Temperaturen und Geschwindigkeiten gemessen, die MON bei hohen Temperaturen und Geschwindigkeiten.
In Raffinerien werden Produkte mit hoher Oktanzahl angestrebt, um „Premium-Benzine“ (Superbenzin) herzustellen. Für Superbenzin werden hochoktanige Bestandteile benötigt, die im katalytischen Reforming hergestellt werden (Abbildung 1).
Beim katalytischen Reforming wird schweres Naphtha (ein Paraffingemisch mit niedriger Oktanzahl) in ein flüssiges Produkt mit hoher Oktanzahl umgewandelt, das als «Reformat» bezeichnet wird (eine Mischung aus Aromaten und Isoparaffinen C7 bis C10). Dieser aufwendige katalytische Reforming-Prozess hat einen erheblichen Einfluss auf die Rentabilität einer Raffinerie.
Die Oktanzahl des erzeugten Reformats muss ständig überwacht werden, um einen hohen Durchsatz in der Raffinerie zu gewährleisten. Traditionell können die ROZ-Werte durch zwei verschiedene Methoden gemessen werden: durch inferierte Oktanmodelle (IOM) und im Labor-Oktanmotor. Diese Methoden liefern keine Ergebnisse in «Echtzeit» und erfordern ständige Wartung und menschliches Eingreifen, um sich an die aktuellen Betriebsbedingungen anzupassen.
Darüber hinaus erfordert die Kalibrierung des Oktanmotors für RON > 100 (ein gängiger Wert für Reformate) spezifische Mischungen. Diese Kalibrierungen sind nicht immer verfügbar. Diese Kalibrierungen sind nicht immer verfügbar. Tatsächlich werden in Raffinerien Oktanmotoren hauptsächlich dazu verwendet, diejenigen Endprodukte (Benzin) zu analysieren und zu qualifizieren, deren RON-Werte zwischen 92 und 98 liegen.
Die Analyse der OZ in Kraftstoffen erfolgt über online und nahezu in «Echtzeit» durch Verwendung der Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) im Prozess. Diese Methode harmonisiert mit den internationalen Normen (z. B. ASTM) (Abbildung 2).
Enthält der Reforming-Prozess feste Partikel, die eine Messung stören könnten, werden entsprechende Proben-Panels verwendet. Die Probenvorbereitung filtert beispielsweise Partikel heraus und beinhaltet weitere Möglichkeiten, wie z.B. die Temperierung der Probe. Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer automatisierten Probenvorbereitung ist die Möglichkeit einfache Probenahmesysteme für Validierungsmessungen bereitzustellen.
Der 2060 The NIR-Ex Analyzer (Abbildung 3) ermöglicht den Vergleich von «Echtzeit»-Spektraldaten aus dem Reforming-Prozess mit einer primären Methode (z. B. Cooperative Fuel Research «CFR»-Tests), um ein einfaches, aber unverzichtbares Kalibriermodell für die OZ-Überwachung zu erstellen.
Jeder Metrohm Process Analytics 2060 The NIR-Ex Analyzer ist für Anwendungen in ATEX-Zonen ausgerüstet. Mit einem einzigen Prozessanalysator lassen sich dank der Multiplexer-Option bis zu 5 Messstellen pro NIR-Kabinett überwachen. Eine Erweiterung ist auf bis zu 10 Messstellen mit einer einzigen Auswerteeinheit möglich.
Nachdem die Proben vorkonditioniert wurden, werden die NIR-Messungen in einer Durchflusszelle durchgeführt. Die in Raffinerien verwendeten Prozessanalysatoren sind IECEx, ATEX- oder Class 1 Div 1/2-zertifiziert.
Wird der Prozessanalysator direkt in die ATEX-Umgebung installiert, werden sie mit einer entsprechenden Überdruckkapselung ausgestattet. Die Entfernung zwischen den Messstellen und dem Prozessanalysator kann mehr als hundert Meter betragen.
Die Ergebnisse der ROZ und MOZ werden alle 10-30 Sekunden an eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder das dezentrale Kontrollsystem (DCS) übertragen, wodurch unterschiedliche Kommunikationsschnittstellen zur Verfügung stehen.
Tabelle 1. Qualitätsparameter und Bereiche für die ROZ- und MOZ-Analyse.
| RON | MON | |
|---|---|---|
| SECV (Genauigkeit) | 0.27 | 0.15 |
| Präzision | 0.01 | 0.01 |
| Typischer Messbereich | 90–107 | 80–100 |
| Referenz ASTM | D2699 | D2700 |
| ASTM Genauigkeit | ± 0.9 (RON 103) | ± 1.2 (MON 96) |
Sowohl die Überwachung als auch die Kontrolle von ROZ und MOZ in Raffinerien spielen eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von qualitativ hochwertigen, hochoktanigen Produkten wie Premium-Benzin.
Der Einsatz der NIRS-Technologie bietet eine zuverlässige und effiziente Methode für die Echtzeit-Analyse der Oktanzahl in Kraftstoffen, die gleichzeitig mit internationalen Standards harmonisiert. Dadurch können Raffinerien ihren katalytischen Reforming-Prozess schnell optimieren, was zu einer höheren Rentabilität und Ersparnis der Betriebskosten führt.
Durch die Implementierung 2060 The NIR-Ex Analyzer können Raffinerien eine bessere Kontrolle über ihre Produktion erreichen und die Qualität ihrer Endprodukte optimieren.
Andere zugehörige Dokumente
AN-NIR-113 Bestimmung der Research-Oktanzahl (ROZ) im Isomerat
AN-NIR-114 Bestimmung von RON, Aromaten, Benzol und mehr mit NIRS
AN-NIR-022 Qualitätskontrolle in Ottokraftstoff
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