Технологии кавитационной обработки нефти и нефтепродуктов
Промтов М.А., д.т.н., профессор
Зав. каф. «Машины и аппараты химических производств»
Тамбовского государственного технического университета.
Россия, 392000, г. Тамбов, ул.
Советская, 106, Тамбовский государственный технический университет,
тел. (007-4752)-63-20-24, -63-27-28, ,
e-mail: promtov@tambov.ru
Решить проблему максимального (до 93%) отбора бензино-дизельных дистиллятов из мазутов с наибольшей эффективностью можно процессом легкого термоакустического висбрекинга, названного "висбрекинг-Термакат" [1]. Традиционный процесс висбрекинга, предназначенный для получения котельного топлива снижением вязкости сырья и являющийся одним из самых простых и недорогих процессов, усовершенствован для максимального получения светлых дистиллятов. Вместо контроля за снижением вязкости сырья проводится мягкий крекинг и контролируется массовая доля высокомолекулярных углеводородов. Управляя реакциями поликонденсации тяжелых углеводородов можно получить в остатке неокисленные битумы регулируемого качества, а выход дистиллятов при этом будет наибольшим. В новой технологии производства битумов исключаются окислительная и вакуумная колонны.
Нововведением в аппаратурное оформление висбрекинга явилось применение аппаратов-диспергаторов кавитационно-акустического воздействия, что позволило значительно снизить температуру крекинга (с 500 до 420 °С) и давление процесса (с 2,5 до 0,5 МПа). Пониженное в 5 раз давление позволяет более чем в 2 раза снизить металлоемкость оборудования. Низкие температура и давление позволяют проводить процесс при низких энергозатратах, а также подавить нежелательные процессы "закоксовывания" технологического оборудования, что является одним из препятствий широкому распространению традиционного висбрекинга.
Отработка процесса, проведенная на пилотной установке, показала, что в процессе получаются высоколиквидные бензиновые и дизельные дистиллятные фракции, аналогичные по своим свойствам, вырабатываемым на соответствующих заводах. В разработанной [1] технологии глубокой переработки остаточных нефтепродуктов использованы энергонасыщенные физико-химические и технологические методы, которые позволяют достигать максимального выхода дистиллятных фракций, – в остатке получать неокисленные битумы регулируемого качества.
В процессе крекинга с применением кавитационного воздействия достигается 93%-ная глубина переработки нефти, полностью перерабатывается мазут до моторных топлив и остаточного неокисленного битума.
Предлагаемый [1] вариант комбинирования процесса висбрекинга с аппаратами кавитационно-акустического воздействия позволяет перерабатывать разнообразное по свойствам и составу сырьё и получать в зависимости от сезонных потребностей различные товарные продукты: бензиновые фракции (н.к.-180 °С), дистиллятные дизельные фракции (180-360 °С), битум неокисленный дорожный, электродный пек для металлургической промышленности. Выход продуктов зависит от вида нефтяного сырья и требований к качеству продуктов. Как правило, из мазутов выход дистиллятных продуктов достигает 70-80%, в качестве остаточных продуктов получают битумы.
Технология позволяет на установке висбрекинга организовать производство неокисленных битумов даже из высокопарафинистых гудронов, полугудронов и мазутов, считающихся мало пригодными для традиционного битумного производства. Предварительные исследования показали что, неокисленные битумы, получаемые по данной технологии, соответствуют дорожным битумам марок БНН [1].
В основе многих процессов переработки нефти и нефтяных остатков лежат фазовые переходы, характерные для нефтяных дисперсных систем.
Воздействовать на кинетику фазовых переходов можно химическими веществами (поверхностно-активными веществами - ПАВ, присадками и т.д.) и физическими полями (тепловыми, кавитационными, электромагнитными и т.д.). В результате такого вмешательства изменяется радиус ядра и толщина адсорбционно-сольватной оболочки сложной структурной единицы, которая является элементом нефтяной дисперсной системы.
Проведенные исследования воздействия ультразвуковых колебаний при прохождении через ультразвуковой кавитатор тяжелой флегмы промышленной установки термокрекинга [2] показали, что озвучивание тяжелых нефтяных остатков ультразвуком при температуре 430°С и давлении 20 и 40 кг/см2 приводит к снижению выхода газа и бензина, выход соляровых фракций увеличивается почти на 20%.
При давлении 60 кг/см2 выход бензина увеличивается в 1,6 раза.
Озвучивание при температуре 450°С и давлении 40 кг/см приводит к увеличению выхода бензина, газа и фракций, выкипающих до 350°С. При давлении 60 кг/см2 выход газа увеличивается в 2,5 раза, бензина - в 2 раза, фракций, выкипающих до 350°С - в 2,8 раза.
Озвучивание при температуре 470°С и давлении 60 кг/см2 дает заметное увеличение выхода бензина; увеличение газа и соляровых фракций незначительное.
В ультразвуковом кавитационном поле уменьшается выход карбидов, а при увеличении выхода бензина уменьшается количество непредельных углеводородов в бензиновых фракциях.
Кавитационная обработка ускоряет диффузию нефти в полости парафина, интенсифицирует процесс его разрушения. Ускорение растворения парафина идет за счет интенсификации перемешивания нефти на границе нефть-парафин и действия импульсов давления, которые как бы разбрызгивают частицы парафина.
Нефть не обладает вязкостью, подчиняющейся законам Ньютона, Пуазейля, Стокса, так как длинные беспорядочно расположенные молекулы парафина и смол образуют некоторую гибкую решетку, в которой располагается раствор. Поэтому система оказывает значительное сопротивление силам сдвига. Кавитация разрывает непрерывную цепочку, разрушая связи между отдельными частями молекул. Связи эти сравнительно малы, поэтому необходимо незначительное воздействие акустических волн.
После прекращения облучения молекулы парафина и смол медленно восстанавливают первоначальную систему благодаря беспорядочному броуновскому движению [2].
Таким образом, кавитация влияет на изменение структурной вязкости, т.е. на временный разрыв Ван-дер-ваальсовых связей. Необратимое уменьшение вязкости нефти имеет место после облучения нефти ультразвуком интенсивностью 10 Вт/см2 и больше на протяжении нескольких часов.
Анализ исследований [2] показывает, что под воздействием кавитации большой интенсивности на протяжении длительного времени нарушаются С-С связи в молекулах парафина, вследствие чего происходят изменения физико-химического состава (уменьшение молекулярного веса, температуры кристаллизации и др.).
В процессе крекинга энергия, выделяющаяся при схлопывании кавитационных пузырьков, используется для разрыва химических связей между атомами больших молекул углеводородных соединений. Энергия разрыва связей изменяется в углеводородах в широких пределах, примерно от 40 до 400 кДж/моль. Прочность связи Свтор-Н меньше, чем С-Н, т.е. атом водорода легче оторвать в середине молекулы нормального парафина, чем с конца. Энергия разрыва С-С связей в молекулах нормальных парафинов также несколько уменьшается к середине углеродной цепи, т.е. длинные углеводородные молекулы автоматически разрываются в средней части [3].
Процесс крекинга протекает во всех нефтепродуктах. Поскольку кавитационные пузырьки можно генерировать с помощью интенсивного акустического излучения в любых жидкостях, то можно предположить, что разрыв химических связей, таким образом, можно осуществить в любом химическом соединении при интенсивности звука соответствующей прочности энергии связи.
В месте обрыва химической связи должен быть подсоединен какой-либо радикал. При недостатке свободных радикалов в реакционной среде молекулы с ненасыщенной связью могут свернуться в кольцо, образуя циклические или ароматические соединения.
Кроме процесса ароматизации в кавитационном активаторе можно осуществлять алкилирование, изомеризацию и другие процессы переработки нефти и нефтепродуктов. Данный способ позволяет осуществлять синтез легких нефтепродуктов из углеводородных газов. Это позволит вовлечь в процесс синтеза углеводородного топлива такие виды сырья, как газовый конденсат и природный газ [3].
Источники информации:
- //diaspro.com/~agat/index.htm
- //www.energy-saving-technology.com/page-ru/tech-offer-ru.html
- //www.roslo.narod.ru/index.htm