Установка и способ вихревого крекинга нефти и нефтепродуктов

Изобретение относится к нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической, нефтехимической промышленности, в частности к изменению исходного сырья, а именно к переработке нефти. Установка для вихревого крекинга нефти и нефтепродуктов содержит емкость для нефти и нефтепродуктов, ректификационную и реакционную камеры и емкость для выделенных продуктов. Емкость для нефти и нефтепродуктов соединена с ректификационной и реакционной камерами посредством двухпозиционного клапана и нефтяных насосов. Ректификационная камера выполнена в виде вихревой гидрокавитационной установки, содержащей последовательно расположенные входное устройство, завихритель, вихревую трубу, развихритель и выходное устройство. Реакционная камера выполнена в виде вихревой трубы с тангенциальным входным соплом, улиткой и дросселем, при этом вихревая труба соединена с емкостями для сбора выделенных фракций. Описан также способ вихревого крекинга нефти и нефтепродуктов, включающий разделение нефти и нефтепродуктов на фракции. Разделение нефти и нефтепродуктов осуществляют путем подачи их нефтяным насосом в вихревую гидрокавитационную установку. После обработки продукт возвращают в емкость для нефти и нефтепродуктов, из которой их с помощью двухпозиционного клапана и нефтяного насоса подают в вихревую трубу для разделения на фракции. Благодаря заявленной группе изобретений происходят упрощение и интенсификация процесса, увеличение светлых фракций без использования традиционно громоздких конструкций. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической, нефтехимической промышленности, в частности к физико-химическому изменению исходного сырья, а именно переработке нефти и нефтепродуктов.

Основное назначение крекинга - высокотемпературная переработка нефти и ее фракций с целью получения продуктов меньшей молекулярной массы.

Крекинг протекает с разрывом химических связей (С-С) и образованием свободных радикалов или карбонионов. Основные параметры термических процессов, влияющие на ассортимент, материальный баланс и качество получаемых продуктов, - качество сырья, давление, температура и продолжительность процесса термолиза.

Известны традиционные способы термического крекинга, включающие ввод нагретого сырья в ректификационную колонну, вывод через нижнюю часть колонны остатка, нагрев его в печи с последующим вводом в реакционную камеру и далее в испаритель высокого давления, ввод паров через верх испарителя в колонну с выделением в ней газа, бензина и газойлевых фракций (Смидович Е.В. "Крекинг нефтяного сырья и переработка углеводородных газов", М., Химия, 1980; Пат. США №4424117, кл. C10G 65/04; Пат. SU №1680760, кл. C10G 47/22; Пат. RU №2068441, кл. C10G 9/00).

Недостатком всех известных способов крекинга нефти является сложность и громоздкость технологического оборудования, а также большая энергоемкость термических процессов с выходом светлых фракций не более 30-35%.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ крекинга, включающий ввод и обработку сырья в ректификационной колонне и далее в реакционной камере, выделение газа, бензина: установка для осуществления крекинга содержит ректификационную и реакционную камеры с емкостями (патент РФ №2068441, опубл.27.10.1996).

Недостатками известного способа и устройства является низкая эффективность и сложность процесса, громоздкость конструкций, а также низкий выход светлых фракций.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение и интенсификация процесса, а также увеличение выхода светлых фракций путем обеспечения условий для физико-химических превращений жидкого сырья: нефти, нефтепродуктов, газоконденсата и др.

Результатом использования предлагаемого способа крекинга нефти являются упрощение и интенсификация процесса, увеличение доли светлых фракций без использования традиционно громоздких конструкций (теплообменники, нагревательные печи, сепаратор, отпарные колонны, вакуумная колонна и т.п.), но в то же время с одновременной интенсификацией и упорядочением процессов разрыва химических связей (С-С), образования свободных радикалов и получения продуктов крекинга при повышении антидетонационных свойств бензина, улучшением термической стабильности реактивного сырья, снижением содержания сырья и т.д.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой установке для вихревого крекинга нефти и нефтепродуктов, содержащей емкость для нефти и нефтепродуктов, ректификационную и реакционную камеры, емкость для выделенных продуктов, емкость для нефти и нефтепродуктов соединена с ректификационной и реакционной камерами посредством двухпозиционного клапана и нефтяных насосов, причем ректификационная камера выполнена в виде вихревой гидрокавитационной установки, содержащей последовательно расположенные входное устройство, завихритель, вихревую трубу, развихритель и выходное устройство, а реакционная камера выполнена в виде вихревой трубы с тангенциальным входным соплом, улиткой и дросселем, при этом вихревая труба соединена с емкостями для сбора выделенных фракций.

В предлагаемом способе вихревого крекинга нефти и нефтепродуктов, включающем разделение нефти и нефтепродуктов на фракции, разделение нефти и нефтепродуктов осуществляют путем подачи их нефтяным насосом в вихревую гидрокавитационную установку, после обработки в которой продукт возвращают в емкость для нефти и нефтепродуктов, из которой их с помощью двухпозиционного клапана и нефтяного насоса подают в вихревую трубу для разделения на фракции.

В предлагаемом способе вихревого крекинга обработку нефти и нефтепродуктов в вихревой гидрокавитационной установке осуществляют многократно.

В предлагаемом способе в процессе вихревого крекинга нефти и нефтепродуктов создается и используется ионизация нефти с регулируемой интенсивностью.

Для создания в движущейся жидкости дополнительных условий ионизации за счет локально высоких напряженностей физических полей внутренние поверхности рабочих зон установки модифицируются порошками активных минералов.

Возможность оперативной регулировки и настройки параметров воздействия на исходный продукт обеспечивает унификацию и универсальность применения предлагаемой установки вихревого крекинга нефти.

В предлагаемом способе за счет настроек и регулировки режимов работы установки обрабатывается как легкая нефть, так и тяжелая - насыщенная нефтеносными песками.

В способе вихревого крекинга, протекающим с разрывом химических связей (С-С) и образованием свободных радикалов или карбонионов, включающим обработку нефти при использовании технологии вихревой энергетики, сначала нефть подают в вихревую гидрокавитационную установку, где поток нефти интенсивно турбулизируется, подвергаясь воздействию температуры, давления и ионизации, за счет чего, высокомолекулярные углеводороды распадаются на продукты меньшей молекулярной массы, затем продукт возвращают в емкость и далее снова поток нефти или нефтепродуктов проходит через насос и гидрокавитационную установку, а количество циклов обработки нефти на этом этапе зависит от параметров исходного сырья, от настроек гидрокавитационной установки, а именно температуры, давления, уровня ионизации и длительности процесса, связанной также и с параметрами конечного продукта. Далее "перемолотую", "измельченную" нефть направляют в вихревую делящую трубу, где ее подвергают сепарации.

Предлагаемая установка для вихревого крекинга содержит наполняемую нефтью емкость, двухпозиционный клапан переключения, первый нефтяной насос, вихревую гидрокавитационную установку, второй нефтяной насос, вихревую делящую трубу, где происходит ее сепарация, и емкости для сбора легкой и тяжелой фракций нефти, при этом вихревая гидрокавитационная установка состоит из вихревой трубы, входного устройства, завихрителя, развихрителя, выходного устройства, гидронасоса с приводом. Вихревая делящая труба имеет тангенциальное сопло и дроссель с возможностью образования интенсивного кругового движения нефти с последующим образованием свободного вихря, который развивается до определенного радиуса и смещается вдоль оси трубы к дросселю.

Для осуществления предлагаемого вихревого способа крекинга нефти используются технологии вихревой энергетики (патент RU №2134381, кл. 6 F24D 3/02; Серебряков Р.А., Бирюк В.В. "Автономные экономичные и экологически чистые системы локального теплоснабжения", научные труды ВИЭСХ, т.86, 2000 г.; Серебряков Р.А., Бирюк В.В., Мартынов А.В. "Оценка эффективности систем децентрализованного теплоснабжения на базе вихревых гидравлических теплогенераторов", ж. "Строительные материалы, оборудование и технологии 21 века", 2003 г., №7).

Для создания в движущейся жидкости дополнительных условий ионизации за счет локально высоких напряженностей физических полей внутренние поверхности рабочих зон установки модифицируются порошками активных минералов.

Для унификации и универсальности установки вихревого крекинга обеспечивается возможность оперативной регулировки и настройки параметров воздействия на исходный продукт.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1-3.

На фиг.1 показана общая схема установки для осуществления вихревого крекинга.

На фиг.2 представлена общая схема гидрокавитационной установки.

На фиг.3 показана называемая "вихревая делящая труба".

Предлагаемая установка содержит наполняемую нефтью емкость 1, двухпозиционный клапан 4, через который нефть подводится к нефтяному насосу 2, и далее нефть подается в вихревую гидрокавитационную установку 3, где этот поток нефти интенсивно турбулизируется, после вихревой гидрокавитационной установки 3 продукт возвращается в емкость 1 и далее снова проходит через насос 2 и гидрокавитационную установку 3, далее "перемолотая", "измельченная" нефть или другое сырье (другие нефтепродукты) через второй нефтяной насос 5 поступает в вихревую делящую трубу 6, где происходит ее сепарация, т.е. здесь нефть разделяется на продукты легкой и тяжелой фракций, которые собираются в емкостях 7 и 8.

Основой вихревой гидрокавитационной установки 3 (фиг.2) является вихревая труба 9, входное устройство 10, завихритель 11, развихритель 12, выходное устройство 13, нефтяной насос 2 и привод насоса 14.

Установка преобразует энергию движущегося в ней рабочего тела в тепловую энергию и локально высокие напряженности физических полей за счет трения рабочего тела на внутренних поверхностях рабочих зон установки, и высокую напряженность физических полей в локальных внутренних поверхностях рабочих зон установки. В роли рабочего тела используют нефть и другие нефтепродукты. В известных способах крекинга нефть находится при атмосферном давлении, в предлагаемом способе - при давлении около 70-400 атм. Особенностью гидрокавитационной установки является наличие в процессе обработки ионизации, градиентов температуры и давления. Температура нагрева может достигать более 200°С, давление до 400 атм, уровень ионизации до 100 мв.

Основную роль в подогреве нефти и ее ионизации играет процесс кавитации, возникающий в вихревой трубе 9, т.е. рабочее тело (нефть и другие жидкости) в вихревой гидрокавитационной установке испытывает сильное энергетическое воздействие, происходят непрерывные кавитационные процессы, меняющие физико-химические свойства нефти (Эйнштейн Л.А. "Возникновение и развитие кавитации", Труды ЦАГИ, 1948 г.; Зельдович Я.Б. "Теория разрыва жидкости", ЖЭТФ, 1942 г., т.12; Френкель Я.И. ЖФХ, 1940 г., т.14; Федоткин И.М. "Использование кавитации в технологических процессах", Киев, ВШ, 1984 г.; Пирсол И. «Кавитация», М., Мир, 1975 г.).

Все вышеуказанные воздействия на нефть в гидрокавитационной установке 3, а именно высокие градиенты температуры, давления, ионизации, при интенсивно турбулизированном потоке являются, тем не менее, управляемым процессом, что говорит об универсальности предлагаемого способа и возможности приспосабливаться к различным изменяемым входным условиям (например, изменение вязкости нефти) и, самое главное, о возможности регулировать процесс разрыва связей С-С.

Вторым основополагающим элементом, принимающим участие в вихревом крекинге нефти (фиг.3), является так называемая "вихревая делящая труба" 6, содержащая вихревую трубу 15, тангенциальное входные сопло 16, улитку 17 и дроссель 18 (А.С. №151315, Кл. 12о, 1/01; А.С. №248642, Кл. 12е, 2/01; А.С. №257519, Кл. МПК F25b, 9/02; А.С. №450058, Кл. МПК F25b, 9/02; Меркулов А.П. "Вихревой эффект и его применение в технике", М., Машиностроение, 1969 г.).

Нефть под давлением подается в тангенциальное сопло 16 и образует в трубе 15 интенсивное круговое движение.

После истечения из тангенциального сопла 16 поток нефти образует внешний вихрь, который развивается до определенного радиуса и смещается вдоль оси тру бы 15 к дросселю 18.

Внешний вихрь устойчив к силам внутреннего трения и не разрушается ими. Вихрь может разрушаться только на своих радиальных границах за счет трения о стенки и взаимодействия с приосевыми элементами. Интенсивность его закрутки при этом падает из-за снижения окружных скоростей при движении вихря вдоль трубы 15 к дросселю 18, уменьшается радиальный градиент статического давления в вихревом потоке нефти, а вихрь распространяется все ближе к оси.

Уменьшение радиального градиента, в свою очередь, вызывает градиент статического давления, который вынуждает попавший в приосевую область фрагмент нефти изменить свое первоначальное направление осевого движения на противоположное и двигаться к сопловому сечению. В процессе перехода в приосевую область элементы нефти интенсивно турбулизируются. Высокая турбулентная вязкость вынуждает приосевой поток нефти вращаться по закону твердого тела.

Обратный приосевой поток по мере продвижения к развихрителю 12 закручивается более интенсивным внешним вихрем. Кроме передачи кинетической энергии вращения от внешнего к вынужденному вихрю между ними происходит интенсивный турбулентный теплообмен при высоком градиенте статического давления, нормального к средней скорости движения потока нефти. Радиальное перемещение турбулентного элемента нефти происходит за счет радиальной турбулентной пульсационной скорости. Попадая при этом в зону более высокого или низкого давления, элемент нефти будет адиабатно сжиматься или расширяться. Т.е. роль "вихревой делящей трубы" 6 - сепарировать нефть, перемолотую и расщепленную до нее в вихревой гидрокавитационной установке.

Предлагаемый вихревой способ крекинга нефти осуществляют следующим образом.

Емкость 1 заполняют исходным продуктом, например нефтью, и через двухпозиционный клапан 4 подводят к первому нефтяному насосу 2, который подает нефть в вихревую гидрокавитационную установку 3, где поток нефти интенсивно турбулизируется, подвергаясь воздействию температуры до 150°С, давлению более 70 атм и ионизации, за счет чего высокомолекулярные углеводороды распадаются на продукты меньшей молекулярной массы. После вихревой гидрокавитационной установки 3 продукт возвращается в емкость 1 и далее снова проходит через первый насос 2 и гидрокавитационную установку 3. Количество циклов обработки нефти на этом этапе зависит от параметров исходного сырья, от вязкости нефти (если нефть с песком, то до 10 циклов), от настроек гидрокавитационной установки (температура, давление, уровень ионизации и длительность процесса), связанной также и с заданными параметрами конечного продукта.

Далее "перемолотая", "измельченная" нефть или другое сырье через второй нефтяной насос 5 направляют в вихревую делящую трубу 6, где происходит ее сепарация, затем продукты легкой и тяжелой фракций нефти собирают в емкостях 7 и 8.

Предлагаемые способ и установка для вихревого крекинга позволяют получить до 70% легкой фракции нефти, а также появляется возможность переработки «битумных озер».

Преимущества предлагаемого способа заключаются в следующем:

- конструктивная простота,

- значительно меньшая металлоемкость и энергоемкость,

- создание в объеме нефти локально высоких значений температуры и давления (за счет кавитационных процессов), недостижимых стандартными способами термического крекинга,

- в отличие от традиционных воздействий на нефть при воздействии турбулизации и кавитации на сырье происходит его ионизация,

- большая эксплуатационная гибкость: возможность перерабатывать практически любые нефтяные фракции и высокомолекулярные продукты одной и той же установкой за счет простой регулировки работы параметров установки.

Конкретные примеры осуществления вихревого способа крекинга нефти.

Пример 1.

Сырье - легкая нефть, с низкой степенью вязкости. Из заполненной емкости нефть первым нефтяным насосом подают в вихревую гидрокавитационную установку, где поток нефти с расходом 100 л/час интенсивно турбулизируется, подвергаясь воздействию температуры до 150°С, давлению более 70 атм, при этом высокомолекулярные углеводороды распадаются на продукты меньшей молекулярной массы.

Далее "перемолотую", "измельченную" нефть направляют в вихревую делящую трубу, где происходит ее сепарация, затем продукты легкой и тяжелой фракций нефти собирают в емкостях.

После обработки из нефти получают до 70% легкой фракции.

Пример 2.

Сырье - тяжелая нефть (нефть с песком) с высокой степенью вязкости. Из заполненной емкости нефть первым нефтяным насосом подают в вихревую гидрокавитационную установку 3, где поток нефти с расходом 100 л/час интенсивно турбулизируется, подвергаясь воздействию температуры до 150°С и давлению более 70 атм, при этом высокомолекулярные углеводороды распадаются на продукты меньшей молекулярной массы. В зависимости от вязкости нефти проводят до 10 циклов ее обработки в гидрокавитационной установке.

Далее "перемолотую", "измельченную" нефть направляют в вихревую делящую трубу, где происходит ее сепарация, затем продукты легкой и тяжелой фракций нефти собирают в емкостях.

После обработки из нефти получают до 65% легкой фракции.

Пример 3.

Нефть подают в вихревую гидрокавитационную установку с расходом 100 л/час и интенсивно турбулизируют, при комнатной температуре, и атмосферном давлении 760 мм рт.ст.

Далее "перемолотую", "измельченную" нефть направляют в вихревую делящую трубу, где происходит ее сепарация, и получают продукты легкой и тяжелой фракций нефти.

А для создания в движущейся жидкости дополнительных условий ионизации за счет локально высоких напряженностей физических полей, внутренние поверхности рабочих зон установки модифицируют порошками активных минералов, например серпентенитами.

1. Установка для вихревого крекинга нефти и нефтепродуктов, содержащая емкость для нефти и нефтепродуктов, ректификационную и реакционную камеры, емкость для выделенных продуктов, отличающаяся тем, что емкость для нефти и нефтепродуктов соединена с ректификационной и реакционной камерами посредством двухпозиционного клапана и нефтяных насосов, причем ректификационная камера выполнена в виде вихревой гидрокавитационной установки, содержащей последовательно расположенные входное устройство, завихритель, вихревую трубу, развихритель и выходное устройство, а реакционная камера выполнена в виде вихревой трубы с тангенциальным входным соплом, улиткой и дросселем, при этом вихревая труба соединена с емкостями для сбора выделенных фракций.

2. Способ вихревого крекинга нефти и нефтепродуктов, включающий разделение нефти и нефтепродуктов на фракции, отличающийся тем, что разделение нефти и нефтепродуктов осуществляют путем подачи их нефтяным насосом в вихревую гидрокавитационную установку, после обработки в которой продукт возвращают в емкость для нефти и нефтепродуктов, из которой их с помощью двухпозиционного клапана и нефтяного насоса подают в вихревую трубу для разделения на фракции.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что обработку нефти и нефтепродуктов в вихревой гидрокавитационной установке осуществляют многократно.