Реактор для переработки углеводородного сырья

 

Изобретение относится к области переработки углеводородного сырья, а именно кубовых остатков, гудронов, битумов, мазутов. Реактор имеет сборный водоохлаждаемый корпус, включающий смесительную камеру, снабженную патрубками подвода горючего газа и окислителя и горелкой, реакционную камеру, закалочно-испарительный узел. Также реактор содержит узел подачи перерабатываемого сырья в реакционную камеру с трубками, установленными в реакционной камере параллельно оси корпуса и имеющими отверстия в боковых стенках, которые ориентированы в сторону боковой поверхности корпуса. Выход реактора выполнен в форме сопла. В зоне реакционной камеры корпус имеет дополнительную внутреннюю стенку с образованием кольцевой щели для прохода охлаждающей воды с открытым выходом в сопло. Кроме того, корпус снабжен проставкой, увеличивающей продольный разрез реакционной камеры. В реакционной камере установлена втулка из жаропрочного материала, снабженная радиальными ребрами, контактирующими с поверхностью внутренней стенки корпуса. Также корпус снабжен патрубком для подачи активирующего газа или модифицирующего агента. В данном реакторе возможно осуществлять переработку различного сырья, существенно отличающегося по физико-химическим характеристикам. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области переработки тяжелого углеводородного сырья, а именно к устройствам для переработки кубовых остатков, гудронов, битумов, мазутов и т.д.

Известен реактор для переработки вторичного тяжелого углеводородного сырья [патент РФ 2170754, МКИ С 10 G 7/00, опубл.20.07.2001]. Реактор имеет корпус, в котором размещены перфорированные перегородки, ориентированные перпендикулярно его оси. Реактор также снабжен узлом подачи тяжелого углеводородного сырья, узлом подачи активирующего агента, например пропан-бутан-водородной смеси, узлом ввода рециркулирующих остатков переработки и узлом вывода парогазовой смеси. При движении сырья и активирующего агента через отверстия перфорации происходит диспергация массового потока с образованием пузырьков и увеличением за счет этого поверхности контакта сырья и активирующего агента. В процессе движения этого диспергированного потока от первой перегородки к последней интенсифицируется не только процесс дистилляции светлых фракций, содержащихся в исходном сырье, но дополнительно осуществляется процесс химического взаимодействия перерабатываемого сырья с активирующим газом, с парами вновь образованных светлых фракций углеводородов и происходит процесс конверсии тяжелых углеводородов в светлые. При работе конвектора температура процесса в реакционной зоне достигает ≈300^oС. Выход светлых продуктов хотя и выше, чем в известных процессах замедленного коксования и вакуумной дистилляции, однако составляет порядка 53 мас.%.

Известны реакторы для переработки тяжелого углеводородного сырья, в которых применяются различные приемы для повышения выхода светлых продуктов. Так в реакторе [патент РФ 2087518,] применен электродинамический излучатель, установленный в нижней части корпуса. Патрубок подачи сырья и корпус реактора снабжены нагревателями, что позволяет поддерживать температуру газовой среды в реакторе 140-1000^oС. Испарение распыляемого через форсунку сырья происходит в нагретой газовой среде внутри корпуса аппарата. Присутствие водорода или соединений, разлагающихся с выделением водорода, увеличивает скорость разложения углеводородов на более летучие вещества. Возбужденные излучателем колебания газовой среды инициируют процесс кавитации и интенсифицируют процесс теплообмена между распыленным сырьем и газовой средой. Устройство позволяет осуществлять переработку высококипящих углеводородов при атмосферном давлении.

Известен гидродинамический кавитационный реактор [патент РФ 2124550, МКИ С 10 G 15/08, опубл. 10.01.99], в герметично закрытом корпусе которого, выполненном в виде вертикально ориентированного цилиндрического стакана, с помощью разделительных перегородок образованы рабочие камеры. Углеводородное сырье вместе с водой подается в реактор под высоким давлением (180-220 атм) и поступает в перфорированный завихритель. Далее турбулизированный диспергированный парожидкостный поток через сопла насадка, установленного на выходе завихрителя, попадает последовательно в рабочие камеры. Рабочие камеры сообщаются между собой посредством сопел. В рабочих камерах в области повышенного давления паровые пузырьки схлопываются и происходит резонансный кавитационный процесс, обусловливающий генерацию акустического излучения, воздействующего на сырье. Это приводит к деструкции молекул тяжелого углеводородного сырья, что обеспечивает получение высокого процента выхода светлых фракций.

Приведенные выше аналоги позволяют осуществлять переработку тяжелых углеводородов в светлые фракции за счет кавитационных физико-химических процессов, приводящих к деструкции молекул. Однако конструкция реакторов существенно отличается от конструкции предлагаемого устройства.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является реактор для производства ацетилена из углеводородов [патент РФ 2087185, МКИ B 01 J 7/02, опубл. 20.08.97], принятый за прототип.

В верхней части реактора имеется смеситель с патрубками для подвода перерабатываемого горючего газа (метана) и кислорода, примыкающая к смесителю горелка и реакционная камера, в которой происходит процесс окислительного пиролиза метана при температуре 1450^oС. Продукты пиролиза поступают в закалочно-испарительную камеру. В нижней части корпуса имеется патрубок для отвода реакционных газов. Реактор позволяет осуществлять пиролиз газообразных углеводородов с высоким процентом выхода ацетилена за счет использования тепла реакционных газов. Однако конструкция не позволяет осуществлять переработку тяжелого углеводородного сырья.

В основу изобретения поставлена задача расширения арсенала технических средств, позволяющих осуществлять переработку тяжелого углеводородного сырья с высоким процентом выхода светлых нефтепродуктов - бензины, дизельное топливо и т.д. Дополнительная задача - расширение технологических возможностей, а именно обеспечение возможности переработки различного сырья, существенно отличающегося друг от друга по физико-химическим характеристикам, а также обеспечение возможности модификации вырабатываемых углеводородов для получения химического сырья.

Поставленная задача решается тем, что в реакторе для переработки углеводородного сырья, имеющем сборный водоохлаждаемый корпус, включающий смесительную камеру, снабженную патрубками подвода горючего газа и окислителя и горелкой, реакционную камеру, закалочно-испарительный узел, новым, согласно изобретению, является то, что реактор содержит узел подачи перерабатываемого сырья в реакционную камеру, снабженный трубками, установленными в реакционной камере параллельно оси корпуса, и имеющими отверстия в боковых стенках, ориентированные в сторону боковой поверхности корпуса, выход реактора выполнен в форме сопла, в зоне реакционной камеры корпус имеет дополнительную внутреннюю стенку с образованием кольцевой щели для прохода охлаждающей воды с открытым выходом в сопло.

Дополнительная задача решается тем, что корпус снабжен проставкой, увеличивающей продольный размер реакционной камеры и/или в реакционной камере установлена втулка из жаропрочного материала, снабженная радиальными ребрами, контактирующими с поверхностью внутренней стенки корпуса.

Корпус также может быть снабжен патрубком для подачи активирующего газа или модифицирующего агента.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез реактора.

Реактор имеет цилиндрический вертикально ориентированный корпус. В нижней части реактора имеется смесительная камера 1 с патрубком 2 подвода горючего газа (например, метана, природного газа) и патрубком 3 подвода окислителя (воздуха, кислорода). В смесительной камере 1 установлена горелка 4, снабженная узлом 5 поджига горючей смеси. Корпус реактора имеет наружную стенку 6 и внутреннюю стенку 7. Между стенками имеется кольцевая щель 8. Корпус снабжен патрубком 9 для подачи воды в кольцевую щель 8. Стенка 7 с ограничивает реакционную камеру 10 (является ее боковой поверхностью). Узел подачи перерабатываемого сырья имеет камеру 11, расположенную между смесительной камерой 1 и реакционной камерой 10, отделенную от них поперечными перегородками. Патрубок 12 служит для подачи перерабатываемого сырья в камеру 11. Узел подачи сырья снабжен трубками 13, установленными в реакционной камере (закреплены на поперечной перегородке) параллельно оси корпуса. Через трубки 13 камера 11 сообщается с реакционной камерой 10. Каждая из трубок 13 в боковых стенках имеет отверстия, ориентированные в сторону боковой поверхности корпуса, точнее - в сторону близлежащего участка стенки корпуса реактора (предпочтительно радиально по отношению к оси корпуса). В верхней части корпус имеет форму сопла 14, расширяющегося к выходу реактора. Кольцевая щель 8 имеет открытый выход в зоне сопла 14.

Корпус реактора может иметь патрубок 15 для подачи в реакционную камеру активирующего газа (например, водорода) или модифицирующего агента.

В реакционной камере может быть установлена втулка 16 из жаропрочного материала (керамики), снабженная "распорками" - радиальными ребрами, контактирующими с поверхностью внутренней стенки 7 корпуса.

Корпус может иметь проставку 17, увеличивающую продольный размер реакционной камеры. Патрубки 18 предназначены для подсоединения контролирующих приборов - термопар, манометров. Устройство также может быть снабжено патрубками 19, установленными в верхней части корпуса, и обеспечивающими дополнительно подачу воды в кольцевую щель 8 и/или непосредственно в верхнюю часть реакционной камеры (вблизи перехода реакционной камеры в сопло).

Реактор работает следующим образом.

Вначале через патрубок 3 подается воздух, после чего на узел поджига горелки 4 подается напряжение для образования искры. Затем через патрубок 2 подается природный газ (или другой энергоноситель). Происходит поджигание топливовоздушной смеси и образование "рабочего тела" с температурой 1500-2000^oС в реакционной камере 10. Одновременно или с небольшой задержкой через патрубки 9 и 12 подаются вода и предварительно подогретое углеводородное сырье. Из камеры 11 сырье через отверстия в трубках 13 под давлением распыляется на охлаждаемые водой стенки 7. Вода, попадающая из щели 8 в сопло 14, превращается в пар, который стабилизирует процесс.

Высокая температура, давление, определенная организация потоков компонентов, вводимых в реакционную камеру, а также строго регламентированное время нахождения углеводородов в реакционной камере приводит к деструкции молекул тяжелых углеводородов. Начальная температура реакции составляет 1500-2000^oС, а конечная 700-750^oС.

Разделение исходящей из сопла 14 парогазовой смеси осуществляется традиционными способами. Сконденсированные углеводороды не менее чем на 90% состоят из светлых фракций. Охлажденная вода может снова подаваться на патрубок 9, а горючие газы - на патрубок 2.

Конструкция реактора позволяет осуществлять переработку тяжелых углеводородов с различными физико-химическими характеристиками. Степень деструкции, а соответственно, процент выхода светлых фракций, зависит, в частности, от времени пребывания сырья в реакционной камере, и может определяться ее объемом и протяженностью. Изменять объем камеры можно путем увеличения длины корпуса за счет введения проставки 17. Противоположный результат можно достигнуть введением втулки 16.

Как отмечалось выше, скорость разложения углеводородов увеличивается в присутствии водорода или соединений, разлагающихся с выделением водорода. Конструкция предусматривает возможность такого механизма регулирования процесса переработки. При необходимости ведение водорода (или иного газа, разлагающегося с выделением молекул водорода) в реакционную камеру осуществляется через патрубок 15. Через этот же патрубок может вводиться иной газ, участвующий в реакции с перерабатываемыми углеводородами. Введение модифицирующего агента позволяет получать новые продукты, с программируемыми свойствами, которые могут использоваться в качестве сырья химической промышленности.

Работа реактора проверена на различном исходном сырье. Ниже приведены примеры испытаний.

Пример 1. Заявляемый реактор был применен для переработки кубового остатка газоконденсатного завода Сургутского ЗСК, плотность сырья при 20^oС - 870,9 кг/м³. В процессе работы реактора в реакционную камеру никакой активирующий газ или модифицирующий агент не подавался. В результате были получены следующие продукты, мас.%: 8 - легкие углеводороды (C₁-C₄), 4 - легкие углеводороды (C₅-C₆), 84 - фракции для получения светлых фракций нефтепродуктов на НПЗ, 2-4 - твердые частицы.

Пример 2. То же сырье, что в Примере 1 было подвергнуто переработке в реакторе в условиях подачи водорода в реакционную камеру. В результате были получены следующие продукты, мас.%: 2,3 - легкие углеводороды (C₁-C₆), 97,7 - фракции для получения светлых фракций нефтепродуктов на НПЗ, 2-4 - твердые частицы.

Пример 3. Реактор был применен для переработки природного нефтебитума, плотность при 20^oС - 930 кг/м³. В процессе работы реактора в реакционную камеру подавали воду. В результате были получены следующие продукты, мас.%.: 7,2 - легкие углеводороды (синтез-газ), 87,3 - фракции для получения светлых фракций нефтепродуктов на НПЗ, 5 - твердые частицы.

Пример 4. В реакторе был подвергнут переработке топочный мазут М-100, вязкость при 20^oС - 16 мм/с, также при подаче в реакционную камеру воды. В результате были получены следующие продукты, мас.%: 17 - легкие углеводороды (C₁-С₆), 76 - фракции для получения светлых фракций нефтепродуктов на НПЗ, 6 - твердые частицы.

Пример 5. Тот же топочный мазут, что и в Примере 4, был подвергнут переработке в присутствии водорода в реакционной камере. На выходе было получено, мас.%: 7 -легкие углеводороды (C₁-С₆), 87 - фракции для получения светлых фракций нефтепродуктов на НПЗ, 6 - твердые частицы.

Приведенные выше и другие многочисленные испытания опытного образца показали, что реактор позволяет перерабатывать мазуты и битумы с выходом светлых углеводородов 75-95%, кубовые остатки - до 98%.

Реактор может использовать в качестве горючего попутные газы, метан, бутан и т. д., в том числе использовать газы, получаемые в процессе работы реактора. Выделяемая в процессе работы теплота может использоваться для предварительного подогрева перерабатываемого сырья, или иначе утилизироваться.

Формула изобретения

1. Реактор для переработки углеводородного сырья, имеющий сборный водоохлаждаемый корпус, включающий смесительную камеру, снабженную патрубками подвода горючего газа и окислителя и горелкой, реакционную камеру, закалочно-испарительный узел, отличающийся тем, что содержит узел подачи перерабатываемого сырья в реакционную камеру, снабженный трубками, установленными в реакционной камере параллельно оси корпуса и имеющими отверстия в боковых стенках, ориентированные в сторону боковой поверхности корпуса, выход реактора выполнен в форме сопла, в зоне реакционной камеры корпус имеет дополнительную внутреннюю стенку с образованием кольцевой щели для прохода охлаждающей воды с открытым выходом в сопло.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что корпус снабжен проставкой, увеличивающей продольный размер реакционной камеры.

3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в реакционной камере установлена втулка из жаропрочного материала, снабженная радиальными ребрами, контактирующими с поверхностью внутренней стенки корпуса.

4. Реактор по п.1, отличающийся тем, что корпус снабжен патрубком для подачи активирующего газа или модифицирующего агента.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 08.02.2009

Дата публикации: 10.07.2011

---