Способ селективного и/или неселективного испарения и/или разложения, в частности, углеводородных соединений и устройство для осуществления такого способа

 

Изобретение может быть использовано для разделения различных веществ, смешанных друг с другом. Сущность изобретения: углеводородные соединения в жидкой форме помещают в искусственное гравитационное поле и обеспечивают подвод механической энергии к жидкости посредством механических элементов, причем жидкость и механические элементы перемещают друг относительно друга. Устройство содержит технологическую камеру, в которую подают жидкость. Технологическая камера установлена во вращающихся опорах для создания искусственного гравитационного поля для жидкости, находящейся в камере. Кроме того, в технологической камера предусмотрены механические средства для подвода механической энергии к жидкости, когда она помещена в искусственное гравитационное поле. Изобретение позволяет осуществлять процесс испарения и разложения соединений при снижении температуры испарения. 2 с.и 6 з.п. ф-лы, 2 табл.,6 ил.

Изобретение относится к способу селективного и/или неселективного испарения и/или разложения, в частности, углеводородных соединений в жидкой форме.

Изобретение также относится к устройству для осуществления селективного и/или неселективного испарения и/или разложения, в частности, углеводородных соединений в жидкой форме, содержащее технологическую камеру, в которую проводят жидкость и в которой предусмотрены средства для подвода энергии к жидкости.

В соответствии с изобретением предлагается помещать жидкость в искусственное гравитационное поле и предусмотреть подвод механической энергии к жидкости в искусственном гравитационном поле.

Применительно к новому устройству, в соответствии с изобретением предлагается устанавливать технологическую камеру с возможностью вращения, чтобы создать искусственное гравитационное поле для жидкости в камере, и предусмотреть внутри технологической камеры средство подвода механической энергии к жидкости, когда она помещена в гравитационное поле.

Следовательно, изобретение относится и к способу подвода механической энергии к жидкостям путем помещения их в искусственное гравитационное поле. Процесс можно интенсифицировать таким образом, что станет возможным достижение частичного испарения жидких соединений, таких, как, например, нефть и вода, и помимо этого, создание неизвестного прежде способа разложения молекулярных соединений, которое иным образом можно реализовать с помощью так называемых крекинг-установок при высоком давлении и температуре. Кроме того, способ позволяет достичь слияния некоторых молекул, таких, как молекулы углерода и кислорода в нефти, например, так, что нефть в результате этого будет состоять из более легких углеводородных соединений.

Обнаружено, что во всех известных способах разделения различных веществ, смешанных друг с другом, например - нефти и воды, используют различающиеся типичные характеристики этих веществ. В гравийном карьере разделение песка и камней осуществляется просто за счет использования разницы в размерах между ними.

Наиболее часто используемым, например, в различных типах центрифуг различием между веществами является разница их плотностей. Однако такое различие плотностей может быть очень малым. В случае нефти и воды, например, отношение плотностей составляет 0,9:1. Это делает разделение таких соединений потенциально очень трудными. В частности, при малых количествах диспергированной нефти зачастую исключительно трудно отделять нефть от воды посредством центрифуг.

Следовательно, для облегчения разделений, в частности, смесей нефти и воды, представляющих серьезную проблему загрязнения, было бы проще, если бы существовали физические свойства, которые отличались друг от друга более существенно, чем плотность.

Относительно воды, смешанной с другим жидким веществом, в частности с нефтью, можно сказать, что есть несколько физических параметров, различия между которыми более существенны, но их труднее использовать для решения задач разделения. К таким физическим свойствам относятся теплопроводность и электропроводность, теплотворная способность, удельная теплоемкость и не самый последний в ряду параметров - теплота испарения различных веществ.

Физические свойства веществ представлены в табл.1.

В этом ряду действительно значимым является различие в теплоте испарения и именно это различие мы собираемся использовать в настоящем изобретении. Если мы рассмотрим два равновеликих объема V воды и нефти и подведем к ним точно то же самое количество мощности P, то объем V нефти испарится первым, в соответствии со следующим результатом наблюдений, полученным при одной и той же начальной температуре t = 20^oC.

Количество энергии, необходимое для испарения воды, составляет: Q_V= 1000·V·[(100-20)·4,2+2257]=2,593·106 V кДж/м³.

В случае нефти, если считать, что средняя температура испарения составляет (150+500)/2=325^oC, это количество энергии составляет Q₂= 0,9·1000·V·[(325-20)·2,75+275]=1,003· 106V кДж/м³.

Этот результат показывает, что требуется в 2,593/1,003=2,59^* раза больше энергии на испарение равного количеству нефти количества воды, и следовательно, нефть будет испаряться в 2,59 раза быстрее воды.

В качестве параметра температуры испарения нефти в таблице приведен диапазон значений, характерных для неочищенной сырой нефти. Если нефть очищена, т. е. крекирована до получения более легких фракций нефти, испарение будет происходить проще. То же будет иметь место, если сконцентрировать подвод энергии в максимально возможной степени на нефти и в минимально возможной степени на воде.

В задачу изобретения входит использование всех этих физических свойств вместе с разложением нефти, чтобы добиться снижения температуры испарения. Это осуществляют путем помещения жидкой смеси - здесь внимание будет сконцентрировано на смеси нефти и воды - во вращающийся контейнер (барабан), в результате чего возникающее центробежное усилие будет отбрасывать жидкость к стенкам и обеспечивать ее подачу с усилием g, выражаемым формулой g = V²/r = m/s², где V - окружная скорость, а r - радиус контейнера. После ввода стержня вниз, во вращающееся кольцо жидкости, будет иметь место передача гидродинамической энергии. Если площадь сечения стержня, введенного в жидкость, равна A, а средняя плотность жидкости равна μ, передача мощности выражается как P = A·V·μ·V·V = AμV³ Bт. Это означает, что передача энергии возрастает пропорционально третьей степени окружной скорости. После перевода окружной скорости в обороты в минуту указанное выражение принимает вид P = Aμ(π2rn/60)³ Bт. Поскольку масса помещена во вращающуюся систему, которая подвергает эту массу воздействию тех же гравитационных сил, что имеют место и в центрифуге, разница в плотности между нефтью и водой будет также усиливаться ввиду того, что вода перемещается как можно дальше к стенке контейнера, а нефть перемещается к центру, т.е. образует внутреннюю поверхность жидкости. Это означает, что после введения стержня вниз в жидкость он будет касаться по существу только нефти, так что основная доля передачи энергии будет иметь место здесь, позволяя нефти испаряться первой.

Благодаря возможности создания сильного гравитационного поля в такой системе можно обеспечить исключительно высокий удельный подвод энергии в пересчете на единицу площади. Путем экспериментов показано, что в определенном диапазоне окружных скоростей происходит также, помимо испарения, разложение углеводородов на более легкие фракции при температуре, которая на величину до 50% ниже, чем при чисто термическом разложении. Это объясняется тем фактом, что помимо термического стимулирования, заставляющего молекулы совершать колебательное движение, генерируются также вибрации, вызываемые механической обработкой жидкости посредством воздействия введенного в нее стержня. Это явление, которое прежде было продемонстрировано, далее в тексте будет называться ''термомеханическим разложением''.

В других отношениях это явление делает изобретение полезным для разложения углеводородов в нефтепродуктах, а предлагаемый способ, следовательно, определяет путь прямой очистки и/или предварительной обработки нефти или остатков нефтепереработки, поступающих с нефтеперерабатывающих заводов. В то же время можно разлагать различные углеводородные соединения, имеющие общую формулу C_nH_n+2-z, на более легкие соединения, а также можно образовывать более легкие соединения из тех соединений углерода в нефти, которые в обычных условиях образуют коксовый остаток, путем подачи водорода в технологическую камеру таким образом, что он реагирует с углеродом и образует вышеупомянутые соединения.

На нефтеперерабатывающем заводе сырую нефть обычно нагревают до образования углеводородного газа, используя в качестве источника энергии газ, и перегоняют в ректификационной колонне, где из нефти удаляется большое количество легкой фракции. Более тяжелые фракции, составляющие около 25% сырой нефти, удаляются в нижнем конце ректификационной колонны. Если сырая нефть является легкой, содержащей малые количества азота, серы, тяжелых металлов и парафина, остаток после перегонки можно затем обработать в так называемой крекинг-установке. Это огромная установка, которая для обычного нефтеперерабатывающего завода с пропускной способностью 23848,05 м³ (23848050 л или 150000 нефтяных баррелей) в сутки, стоит около 4 биллионов норвежских крон. В крекинг-установке остаток вместе с различными катализаторами подвергают воздействию изменяющегося давления и температуры около 550^oC. После этого разложенный остаток испаряют, используя газ в качестве источника энергии, и подают в новую ректификационную колонну, где отдельные фракции удаляют таке, как и в первой ректификационной колонне.

Если сырая нефть тяжелая, т.е. содержит элементы вышеупомянутых загрязняющих примесей, остаток нужно предварительно обработать до подачи в крекинг-установку. Предварительная обработка включает помимо всего остального гидрогенизацию остатка путем добавления водорода, чтобы образовать более легкие соединения или добиться удаления, как можно большего количества загрязняющих примесей. Для этого же нефтеперерабатывающего завода такая установка обычно стоит 2 биллиона норвежских крон.

В предлагаемом способе можно использовать устройство, которое предназначено и для предварительной обработки остатка, и для применения в качестве установки прямого крекинга. Поскольку при реализации способа нефть фигурирует в виде разложенного нефтяного газа, поток газа можно подводить непосредственно в ректификационную колонну или в конденсатор, где газы конденсируются в жидкость. Таким образом, предлагаемый способ должен заменить вышеупомянутый, при реализации которого используют крекинг-установку и установку для предварительной обработки.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства для осуществления селективного и/или неселективного испарения и/или разложения, в частности, углеводородных соединений в жидкой форме, содержащего технологическую камеру для жидкости, установленную во вращающихся опорах с возможностью создания в ней искусственного гравитационного поля жидкости, и механические средства обеспечения подвода энергии к жидкости в камере, в котором согласно изобретению механические средства расположены в технологической камере, имеют форму и установлены с возможностью обеспечения непосредственного подвода механической энергии к жидкости, когда она помещена в искусственное гравитационное поле.

Предпочтительно, чтобы технологическая камера была установлена с возможностью вращения вокруг своей центральной оси.

Желательно, чтобы механические средства подвода энергии содержали элементы, имеющие форму стержня или планки. Целесообразно при этом, чтобы элементы были установлены на полом валу, расположенном по центру внутри технологической камеры и/или другом закрепленном теле, которое остается неподвижным относительно элемента, генерирующего искусственное гравитационное поле.

Предпочтительно также, чтобы технологическая камера была выполнена с концевой кромкой слива жидкости для сбора твердых частиц, накапливающихся в жидкости, причем кромка слива жидкости была бы выполнена связанной с неподвижным корпусом, соединенным с камерой, и в этот корпус выступал торец камеры посредством периферийных лопаток, расположенных в радиальном и осевом направлениях снаружи кромки слива жидкости.

Способ и устройство, согласно изобретению, описаны более подробно со ссылками на нижеследующие чертежи.

Фиг. 1 схематически иллюстрирует способ согласно изобретению.

На фиг. 1 технологическая камера 1 в данном случае вращающийся барабан 1, который, будучи установлен во вращающихся опорах - в данном примере в подшипниках 2, приводится в действие источником 3 энергии вращения. В барабане 1 расположен полый вал 4, неподвижно закрепленный на одном своем конце. На конце, выступающем внутрь барабана, расположены множество плеч 5, имеющих ширину b и заходящих на глубину h в жидкость 6 внутри барабана. У стенки 7 барабана расположена вращающаяся сальниковая камера 8, имеющая отверстие 9 для подсоединения газовой трубы 10. Полый вал 4 оснащен также второй трубой 11, которая проходит вниз в жидкость 6. На этом конце труба оснащена коленом 12 с изгибом под углом 90^o, причем конец этого колена обращен своим отверстием в направлении вращения барабана, гарантируя, что если уровень жидкости в барабане поднимается до колена, жидкость будет откачиваться из барабана под воздействием центробежной силы. Иными словами, труба работает как регулятор уровня и выпускная труба для жидкости, покидающей технологическую зону.

Подаваемую для обработки жидкость проводят в полый вал 4 из резервуара 13 с помощью насоса 14 по трубе 15. Газы, которые испаряются в технологической камере, подают по трубе 10 в конденсатор 15', который может быть также обычной ректификационной колонной для разделения разных фракций нефти. Конденсат выпускают по трубе 16. Тепло конденсации отводят из системы с помощью теплообменника 17, который охлаждают водой.

На фиг. 2 и 3 изображены частичный разрез на вертикальной проекции и вид сверху практического варианта осуществления способа. Оборудование установлено на опорной раме 18. Контейнер (барабан) 19 установлен на двух опорных блоках 20 с помощью вращающейся сальниковой коробки 21 на торце привода и сальниковой коробки 22 на другом торце барабана. Вращение привода барабана осуществляется посредством электродвигателя 23 с зубчатой передачей, компоновка которых может быть осуществлена в большом количестве вариантов. На центральном полом валу 25 расположен ряд плеч 26, выступающих вниз в жидкость 27. В полости центрального полого вала также предусмотрены трубка 28 регулятора уровня и отдельная подающая трубка 29, которая идет к торцевой плите 30 барабана. Прокачка подаваемой порции жидкости осуществляется насосом 31. При такой компоновке пары и газы проходят в центральный полый вал через выполненные в нем отверстия 32, а затем попадают в конденсатор 33. Конденсат выводят по трубе 34 с помощью циркуляционного насоса 35, а тепло конденсации отводят с помощью теплообменника 36, который охлаждают водой, подаваемой насосом 37. В ином случае прохождение технологического процесса регулируют с помощью соответствующего электронного оборудования, установленного в шкафу управления 38.

Фиг. 4, 5 и 6 показаны сверху и два вида сбоку (показанные схематически) другого практического варианта осуществления установки для обработки жидкости, содержащей твердые частицы, которые не удаляются при испарении. Такие твердые частицы могут быть остатками катализаторов или других минеральных загрязняющих примесей. Здесь технологическая камера - барабан 39 установлен на конце привода в подшипниках 40 и приводится во вращение электродвигателем 41 через посредство шкивов 42 и 43 клиноременной передачи 44. Центральный полый вал 45 со своими плечами 46 сообщен с бункером 47, в котором находится жидкость, подлежащая прокачиванию. Эту жидкость подают в барабан 39 с помощью шнекового механизма, перемещаемого в центральном полом валу 45 электродвигателем 48 посредством звездочки 49. Со стороны выпускного отверстия барабана 39 предусмотрен ряд лопаток 50, выступающих внутрь корпуса 51, который посредством барботирующего колпака 52 прикреплен к центральному полому валу 45. Кроме того, на корпусе 51 предусмотрена газонепроницаемая камера 53. Пары и газы выходят из барабана 39 через отверстия 54 и подаются в конденсатор 55 по трубе 56. Конденсат выводят с помощью циркуляционного насоса 57 по трубе 58. Тепло конденсации отводят с помощью теплообменника 59, который охлаждают водой, подаваемой насосом 60. Накапливающиеся в жидкости в барабане 39 твердые частицы передаются на кромку 61 в результате непрерывного пополнения жидкости и отбрасывания к корпусу 51 лопатками 50 с последующим выводом наружу через поворотный затвор 62, приводимый в действие электродвигателем 62. Все составные части конструкции установлены на опорной раме 64 машины вместе со шкафом управления, который не показан.

Чтобы испытать способ, была изготовлена малая экспериментальная установка мощностью около 50 кВт. Испытания проводили, используя вещество остатка, полученного с разработок горючих сланцев в Эстонии, называемое на русском языке "фуши". Вещество состоит из неочищенного сланцевого масла и мелкодисперсных минералов вместе с водой, фенолами и другими загрязняющими примесями. Несмотря на то, что нефть имеет температуру выкипания около 650^oC, оказалось возможным добиться очистки нефти при температуре 250^oC при одновременном снижении температуры выкипания до примерно 500^oC.

Аналитические данные по результатам приведены в табл.2.

Приведенное выше описание изобретения относится к устройству,где технологическая камера приводится во вращение вокруг своей центральной оси,чтобы соэдать искусственное гравитационное поле.

Этим вариантом конструкции изобретение не ограничивается. Существенным признаком является то, что возможно создание искусственного гравитационного поля, в котором осуществляется подвод механической энергии к жидкости. В этом отношении уместными альтернативными вариантами могли бы быть отбрасывающие устройства (hurling devices).

Формула изобретения

1. Способ селективного и/или неселективного испарения и/или разложения, в частности, углеводородных соединений в жидкой форме, при котором жидкость помещают в искусственное гравитационное поле и подводят к ней энергию, полученную механическими средствами, отличающийся тем, что подвод механической энергии к жидкости осуществляется механическими элементами (5), приводимыми в непосредственный контакт с жидкостью (6), находящейся под воздействием искусственного гравитационного поля, при этом жидкость и механические элементы перемещают друг относительно друга.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при проведении технологического процесса в технологическое оборудование подают водород или другой реагирующий газ для осуществления взаимодействия - при существующих условиях давления и температуры - с другими молекулами в процессе переработки и для образования новых химических соединений.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют элементы (5), имеющие форму стержня или планки или иную геометрическую форму.

4. Устройство для осуществления селективного и/или неселективного испарения и/или разложения, в частности, углеводородных соединений в жидкой форме, содержащее технологическую камеру (1), для жидкости (6), причем технологическая камера (1) установлена во вращающихся опорах (2) с возможностью создания в ней искусственного гравитационного поля жидкости (6), а устройство дополнительно содержит механические средства обеспечения подвода энергии к жидкости в камере, отличающееся тем, что механические средства (5) расположены в технологической камере (1), имеют форму и установлены с возможностью обеспечения непосредственного подвода механической энергии к жидкости (6), когда она помещена в искусственное гравитационное поле.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что технологическая камера (1) установлена с возможностью вращения вокруг своей центральной оси.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что механические средства подвода энергии содержат элементы (5), имеющие форму стержня или планки.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что элементы (5) установлены на полом валу (4), расположенном по центру внутри технологической камеры (1) и/или другом закрепленном теле, которое остается неподвижным относительно элемента, генерирующего искусственное гравитационное поле.

8. Устройство по одному из пп.4-7, отличающееся тем, что технологическая камера (39) выполнена с концевой кромкой (61) слива жидкости для сбора твердых частиц, накапливающихся в жидкости, причем кромка слива жидкости выполнена связанной с неподвижным корпусом (51), соединенным с камерой, и в этот корпус выступает торец камеры посредством периферийных лопаток (50), расположенных в радиальном и осевом направлениях снаружи кромки слива жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7