Способ преобразования смеси воды и углеводородного сырья и устройство для осуществления этого способа
Изобретение относится к химической технологии. Изобретение касается устройства для преобразования смеси воды и углеводородного сырья, представляющего собой корпус, в котором образована камера, в которой две противолежащие стенки выполнены в виде фрагментов поверхности второго порядка, инверсно расположенных относительно друг друга, а в других стенках выполнены отверстия для формирования канала подачи под давлением углеводородного сырья и канала подачи под давлением воды, при этом продольные оси отверстий каналов смещены относительно друг друга для направления потока углеводородного сырья в направлении одной стенки в виде фрагмента поверхности второго порядка и направления потока воды в направлении другой стенки в виде фрагмента поверхности второго порядка, при этом в корпусе выполнен цилиндрической формы канал, сообщенный с камерой и продольная ось которого перпендикулярна направлению продольных осей каналов подачи под давлением углеводородного сырья и воды, а в полости цилиндрической формы канала вдоль его продольной оси размещен один электрод разрядника, а второй электрод которого закреплен на внутренней стенке этого канала, причем электроды подключены к источнику питания, выполненному с возможностью регулирования величин напряжения и/или тока. Изобретение также касается способа преобразования смеси воды и углеводородного сырья электрическим воздействием, осуществляемым в заявленном устройстве. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.
Настоящее изобретение относится к химической технологии, в частности к технологии получения из таких источников сырья, как сырая нефть, высококипящие нефтяные фракции, нефтяные остатки, отработанные масла, бытовые и промышленные органические отходы различных сортов углеводородных топлив и исходных углеводородных продуктов для основного и нефтехимического синтеза.
Значительная часть мировых нефтяных запасов содержит битумы, которые иногда называются битуминозными песками, и сырые тяжелые нефти (совокупно "тяжелая нефть"). Тяжелая нефть является трудной для получения, а в случае получения является трудной для сбыта. Когда трубопроводы или танкеры используются в качестве транспортных средств, стоимость транспортирования тяжелой нефти значительно выше стоимости транспортирования легкой нефти. Поскольку тяжелая нефть разрабатывается с проведением очистки, более дорогостоящие способы требуются для получения продуктов, подходящих для коммерческого рынка. В результате экономическое значение тяжелой нефти ниже значения легкой нефти, и по этой причине значительный процент мировых запасов тяжелой нефти остается неиспользованным.
Способы обогащения тяжелой нефти иногда включают стадии предварительной обработки, предназначенные для повышения эффективности реакции обогащения тяжелой нефти. Например, патент США №4294686 рассматривает предварительную перегонку потока тяжелой нефти на фракцию легкой нефти и фракцию тяжелой нефти. Целью предварительной перегонки является избежание нежелательного крекинга и коксования фракции легкой нефти, что может иметь место, если данная фракция была включена во входящий поток в реактор обогащения. Получаемая фракция легкой нефти обычно находится в форме, подходящей либо для использования в производственном оборудовании в качестве топлива, либо для транспортирования на очистку. Однако предварительная перегонка увеличивает как стоимость, так и сложность общего способа обогащения и используется, только когда известно, что тяжелая нефть включает достаточный объем легких углеводородов.
Другие предложенные способы обогащения включают стадию предварительной обработки смешивания нефтяной присадки с тяжелой нефтью. Полученную смесь затем подают в обогащающий реактор. Например, патент США №6059957 рассматривает создание эмульсии от смешивания тяжелой нефти и воды. Указанное описание также предусматривает необязательное включение в эмульсию стабилизирующего поверхностно-активного вещества. Патент США №6004453 раскрывает получение суспензии от смешивания некаталитической присадки с тяжелой нефтью. Публикация Moll J.K. and Ng F.T.T., "A Novel Process for Upgrading Heavy Oil/Bitumen Emulsions Via n Situ Hydrogen", 16 th World Petroleum Congress, Calgary, Canada, June 2000 рассматривает использование эмульсии водорастворимого диспергированного катализатора. Однако каждый из указанных трех способов имеет два общих недостатка. Во-первых, стадия смешивания увеличивает как стоимость, так и сложность общего способа обогащения. Во-вторых, добавки вызывают создание отходов в процессе реакций обогащения, которые затем должны быть соответственно переработаны и удалены. Указанные переработка и удаление также увеличивают стоимость и сложность.
Третья система способов обогащения тяжелой нефти включает стадию использования реакционной добавки в обогащающем реакторе для облегчения или улучшения эффективности реакции обогащения. Для вышеозначенной области химической технологии известны различные способы переработки углеводородов, основанные на принципах гидрогенизации и дегидрогенизации перерабатываемых углеводородов.
Известен способ переработки углеводородов, включающий стадию перемешивания углеводородов с водородсодержащим газом, гидрогенизацию полученной смеси, ее сепарацию, выделение фракции, содержащей светлые нефтепродукты (RU 2241735, C10G 63/02, опубл. 12.10.2004).
Недостаток этого способа заключен в том, что он требует повышенного давления водородсодержащего газа, так как гидрогенизация идет за счет молекулярного водорода. Кроме того, многие углеводороды имеют плотную структуру, что практически исключает проникновение водорода в эту структуру для гидрогенизации.
Известен способ переработки углеводородов, включающий выбор или синтез донор-водородного растворителя, стадию перемешивания углеводородов с донор-водородным растворителем, гидрогенизацию полученной смеси, ее сепарацию, выделение фракции, содержащей светлые нефтепродукты (US 4329221, 208/214, опубл. 11.05.1982).
В известном способе решается техническая задача - проникновение водорода в структуру перерабатываемого углеводорода для его гидрогенизации. Однако в этом способе донор-водородный растворитель недостаточно эффективно передает водород акцептору водорода, поскольку донор водорода не активирован.
Этот недостаток устранен в известном способе, который является наиболее близким к настоящему изобретению, а именно способ переработки углеводородов, включающий выбор и/или синтез доноров водорода, стадию перемешивания углеводородов, доноров водорода и катализатора, гидрогенизацию полученной смеси, ее сепарацию, выделение легкой и тяжелой фракций (RU 2255959, C10G 47/02, опубл. 10.07.2005). Из этого же источника известна установка для модификации углеводородного сырья за счет его перемешивания с агентом, являющимся донором водорода.
Данный известный способ принят в качестве прототипа для обоих заявленных объектов.
Недостатком этого способа является то, что он не в полной мере обеспечивает глубокую переработку тяжелого высокомолекулярного сырья в светлые нефтепродукты и другие продукты нефтехимического синтеза в силу отсутствия оптимального соотношения между донором водорода и акцептором водорода при гидрогенизации, а также недостаточно высокой степени перемешивания таких углеводородов с катализатором перед гидрогенизацией.
В частности, применительно к модификации структуры отходов нефтяного производства, которые используются, например, в качестве мазутного топлива для котельных установок, можно рассмотреть ряд проблем, обусловленных необходимостью серьезного контроля за оптимальным соотношением в углеводородах между донором водорода и акцептором водорода.
Огромное количество котельных работают на мазутном топливе. При этом в топливе накапливается вода, количество которой в мазуте зимой может достигать 20-25%. Экономические расчеты показывают, что сжигание водомазутных эмульсий в 15-17 раз экономичнее обработки обводненного топлива и нефтесодержащих вод, а проведенные комплексные исследования позволяют сделать вывод, что сжигание водомазутных эмульсий с содержанием влаги 18-20% обеспечивает минимальные суммарные затраты на эксплуатацию и охрану окружающей среды. Кроме влажности топлива существенное влияние на КПД котельных установок оказывает и дисперсность воды в эмульсии. Оптимальные размеры капель воды в эмульсии с точки зрения улучшения горения топлива и стабильность эмульсии составляет 5-9 мкм. При этом эмульсия с влажностью 8-10% при сжигании увеличивает КПД котельных установок по сравнению с топливом кондиционной влажности 3% на 1-1,5 абс.%. При влажности 20% КПД остается без изменения и при дальнейшем увеличении влажности уменьшается. Получение водомазутных эмульсий обеспечивается путем гомогенезации и эмульгирования мазута. При этом процесс гомогенезации и эмульгирования мазута требует четкого контроля за соотношением процента водной составляющей в мазуте. Последнее обусловлено тем, что эффективность и долговечность топочного оборудования зависит напрямую от загрязнения поверхностей нагрева топки котла. Очистка топки происходит за счет эффекта микровзрыва водной фазы эмульсии. Эффект микровзрыва, возникающий при сжигании водомазутной эмульсии, повышает степень сгорания топлива, что наиболее актуально при сжигании тяжелых мазутов. Процесс микровзрыва, происходящий при сжигании водомазутной эмульсии, известен уже давно, как и в любых сложных системах, этот эффект наблюдается не всегда, а только при соблюдении и выдерживании строго определенных условий и параметров эмульсии. Одним из этих условий является дисперсность водной фазы водомазутной эмульсии. Оказывается, капли воды, находящиеся в составе мазута, должны быть строго определенного размера - ни больше ни меньше. Данный эффект подробно разработан д.т.н., профессором СПбГАСУ В.Корягиным. В любой приготовленной эмульсии согласно вероятностному распределению только незначительная часть водной фазы имеет размеры (дисперсность), являющиеся необходимым условием микровзрыва при мгновенном термическом нагревании. Вся остальная вода является балластом. Чтобы приготовить эмульсию строго определенной дисперсности, необходимо знать ее значение, что и представляет сложность в переработке мазута в мазутное топливо для котельных.
В силу вышеизложенного в настоящем изобретении решается техническая задача обеспечения оптимального соотношения в углеводородах между донором водорода и акцептором водорода.
Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении эффективности одностадийного процесса синтеза и преобразовании смеси воды и углеводородного сырья посредством изменения С-Н соотношения в молекулах конечного продукта при упрощении управления процессом изменения С-Н соотношения в молекулах конечного продукта.
Указанный технический результат в части устройства достигается тем, что устройство для преобразования смеси воды и углеводородного сырья представляет собой корпус, в котором образована камера, в которой две противолежащие стенки выполнены в виде фрагментов поверхности второго порядка, инверсно расположенных относительно друг друга, а в других стенках выполнены отверстия для формирования канала подачи под давлением углеводородного сырья и канала подачи под давлением воды, при этом продольные оси отверстий каналов смещены относительно друг друга для направления потока углеводородного сырья в направлении одной стенки в виде фрагмента поверхности второго порядка и направления потока воды в направлении другой стенки в виде фрагмента поверхности второго порядка, при этом в корпусе выполнен цилиндрической формы канал, сообщенный с камерой и продольная ось которого перпендикулярна направлению продольных осей каналов подачи под давлением углеводородного сырья и воды, а в полости цилиндрической формы канала вдоль его продольной оси размещен один электрод разрядника, а второй электрод которого закреплен на внутренней стенке этого канала, причем электроды подключены к источнику питания, выполненному с возможностью регулирования величин напряжения и/или тока.
Указанный технический результат в части способа достигается тем, что в способе преобразования смеси воды и углеводородного сырья, осуществляемом в заявленном устройстве, заключающемся в смешивании воды и углеводородного сырья до получения водно-углеводородной смеси, после смешивания водно-углеводородную смесь перемещают вдоль электродов электроразрядника и пропускают через эту смесь электрические разряды или постоянный ток.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - поперечный разрез устройства для электрофизического преобразования смеси воды и углеводородного сырья;
фиг.2 - разрез А-А по фиг.1.
Согласно настоящему изобретению рассматривается способ преобразования смеси воды и углеводородного сырья, который относится к категории одностадийных процессов и заключается в смешивании воды и углеводородного сырья до получения водно-углеводородной смеси, после чего водно-углеводородную смесь перемещают вдоль электродов электроразрядника и пропускают через эту смесь электрические разряды или постоянный ток, изменением параметров которого регулируют изменения С-Н соотношения в молекулах конечного продукта.
Настоящий способ опробован на промышленной установке и позволяет обеспечить улучшение качества нефти и нефтепродуктов, утилизацию мазута-100, гудрона, парафина и нефтешлаков, увеличение объема готовой продукции и уменьшение вредных выбросов в окружающую среду предприятиями энергетики и нефтехимии.
Установка представляет собой корпус 1 (фиг.1), выполненный внутри со сферообразной камерой 2 или с камерой, в которой две противолежащие стенки 3 выполнены в виде фрагментов поверхности второго порядка (фиг.2), инверсно расположенных относительно друг друга. С противоположных сторон этой камеры к корпусу подведены два канала 4 и 5 для подвода под давлением соответственно углеводородного компонента (нефть, нефтепродукты, мазут) и воды. При этом продольные оси каналов смещены относительно друг друга так, что поток углеводородного компонента из канала под давлением попадает на одну сферообразную стенку 3 камеры 2, а поток воды - на другую сферообразную стенку 3 камеры 2. Так как эти стенки 3 выполнены в виде фрагментов поверхности второго порядка, то при взаимодействии с этими стенками поток закругляется, и оба потока смешиваются, направляясь в цилиндрической формы канал 6, по которому смесь углеводородного компонента и воды направляется к выходному каналу 7. При этом продольная ось канала 6 перпендикулярна направлению осей каналов 4 и 5. При таком расположении каналов происходит изменение направления перетекания смеси, что усиливает ее смешивание.
В канале 6 размещен электроразрядник, представляющий собой центрально по продольной оси канала 7 (вдоль его продольной оси) расположенный первый электрод 8 (металл) и второй электрод 9 (метал), который смонтирован на внутренней стенке канала 7. Этот электрод 9 может быть выполнен в виде кольца или кольцевой втулки, охватывающей первый электрод, или в виде нескольких соединенных между собой пластин, закрепленных на внутренней стенке канала 7. Оба электрода подключены к источнику питания (не показан), выполненному с возможностью регулирования величин напряжения и/или тока. Во время синтеза между электродами возникает разряд (импульсный или серия импульсов или постоянно действующий) или протекает постоянный ток, который пропускается через движущуюся по каналу 7 смесь воды и углеводородного компонента.
При пропускании электрического разряда через смесь в последней происходит изменение С-Н соотношения в молекулах смеси, приводящее к образованию нового продукта, отличного от исходного углеводородного сырья.
Ниже приводятся результаты промышленного опробирования настоящего способа. В качестве исходного сырья использовался мазут М 100 ШНОС следующего компонентного состава (таблица 1):
| Таблица 1 | ||
| Наименование | Температурные пределы, °С | Объем, % |
| Бензин | н.к. - 200°С | 0.00 |
| Дизель | 200°-360°С | 8.00 |
| Дизель РОС | 200°-380°С | 10.00 |
| Мазут | 360°-500°С | 55.00 |
| Гудрон | 500° и выше | 37.00 |
В качестве воды использовалась вода артезианская. В установке выходная мощность задающих приборов 200 Вт, пропускная способность линии 170 м3/час при давлении 10 кг/см2.
После пропускания мазута М 100 ШНОС через установку с электрическим разрядом было получено новое соединение, в котором гудрон уменьшился на 2/3, появились тяжелые светлые фракции, около 8%, а мазутное составляющее выросло по объему на 25%. Таблица сравнения исходного сырья и полученного продукта приведена в таблице 2.
| Таблица 2 | |||
| Наименование | Исходное сырье | Полученный продукт | Δ, % |
| Бензин | 0.00 | 0.10 | +0.10 |
| Дизель | 8.00 | 8.15 | +0.15 |
| Дизель РФС | 10.00 | 17.69 | +7.69 |
| Мазут | 55.00 | 79.78 | +24.78 |
| Гудрон | 37.00 | 11.97 | -25.03 |
При повторном преобразовании количество легких фракций увеличилось до 14.2%, а гудрон полностью преобразовался в мазут. Таким образом, в результате переработки мазута на нефть (согласно настоящему способу) гудрон практически исчез, появились ~60% светлых фракций, что соответствует нефти категории I.
Синтез углеводородного сырья и воды в условиях электрохимической обработки сопровождается преобразованием тяжелых фракций в легкие, происходит химическое изменение молекулярного состава, возрастает удельное содержание водорода, а изменение режима обработки смеси и насыщение ее водой сопровождается углублением преобразования тяжелых фракций в легкие.
Изменение физико-химических свойств исходного углеводородного сырья обусловлено воздействием электрических импульсов или постоянного тока, обеспечивающих возбуждение молекул либо на резонансных частотах этих связей, либо на нижнем энергетическом уровне и диссоциацию в результате последующей эволюции колебательных состояний молекул как воды, так и самого сырья, а также в результате столкновений эффективное воздействие на связи между комплексами атомов, что приводит к разрыву этих связей, высвобождению атомов водорода как в углеводородном компоненте, так и в воде, и образованию на выходе из разрядника новых образований. Разрушение межмолекулярных связей, например гидратных оболочек коллоидных частиц водного раствора, с образованием химически активных частиц позволяет изменять свойства нефти.
Особенностью настоящего способа и устройства является то, что такое устройство может устанавливаться на выходе скважины, что позволит в процессе добычи нефти осуществлять изменение ее состава. Обработка независимо от места размещения установки возможна как при постоянном напряжении, так и при импульсном воздействии на смесь, в том числе на резонансных частотах. В обоих случаях значения тока и напряжения выбираются в зависимости от качества исходного сырья и от требований к искомому продукту.
Настоящее изобретение промышленно применимо и позволяет:
1. Производить переработку добываемой нефти и тяжелых видов углеводородного сырья в легкие фракции, обладающие повышенными теплоэнергетическими, теплотехническими и экологическими показателями качества по сравнению с существующими видами моторных и котельных топлив.
2. Преобразование тяжелых сортов нефти и мазута в экспортно-товарную нефть марки «Brent».
3. Утилизировать накопленные мазут-100, гудрон, парафины и нефтешлаки в энергетическое топливо для промышленных и бытовых целей.
4. Снизить негативное воздействие на природу предприятий топливно-энергетического комплекса и нефтехимии.
1. Устройство для преобразования смеси воды и углеводородного сырья, представляющее собой корпус, в котором образована камера, в которой две противолежащие стенки выполнены в виде фрагментов поверхности второго порядка, инверсно расположенных относительно друг друга, а в других стенках выполнены отверстия для формирования канала подачи под давлением углеводородного сырья и канала подачи под давлением воды, при этом продольные оси отверстий каналов смещены относительно друг друга для направления потока углеводородного сырья в направлении одной стенки в виде фрагмента поверхности второго порядка и направления потока воды в направлении другой стенки в виде фрагмента поверхности второго порядка, при этом в корпусе выполнен цилиндрической формы канал, сообщенный с камерой, и продольная ось которого перпендикулярна направлению продольных осей каналов подачи под давлением углеводородного сырья и воды, а в полости цилиндрической формы канала вдоль его продольной оси размещен один электрод разрядника, а второй электрод которого закреплен на внутренней стенке этого канала, причем электроды подключены к источнику питания, выполненному с возможностью регулирования величин напряжения и/или тока.
2. Способ преобразования смеси воды и углеводородного сырья электрическим воздействием, осуществляемый в устройстве по п.1, заключающийся в смешивании воды и углеводородного сырья до получения водно-углеводородной смеси, отличающийся тем, что после смешивания водно-углеводородную смесь перемещают вдоль электродов электроразрядника и пропускают через эту смесь электрические разряды.
