(57)【要約】  本発明は石油加工の分野に属し、燃料電力工学の分野における、石油工業および石油化学工業において応用され得る。液体炭化水素原料の処理方法は、原料流の予備的前処理および分別によるさらなる処理を含む。前処理は、直線的管内層流の特性を有する一次流を形成し、次いで層流性を保ちながら渦軌道に沿って一定方向に進行する回転運動の中に原料流を送り込むことによりおこなわれ、この目的のために、一次流が移動する速度を、渦の軸領域の境界上での該速度の最大値が、液体の管内流に関する臨界レイノルズ数の値が達成される条件を満たすように制御しながら、原料流をらせん状管に送る。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料流の予備的前処理および分別によるさらなる処理を含む液体炭化水素原料の処理方法であって、前処理が、直線的管内層流の特性を有する一次流を形成し、次いで層流性を保ちながら一定方向に進行する回転運動の中に原料流を送り込むことによりおこなわれ、この目的のために、一次流が移動する速度を、渦の軸領域の境界上での該速度の最大値が、液体が管内らせん流となるための臨界レイノルズ数の値が達成される条件を満たすように制御しながら、原料流をらせん状管に送る点で異なる、前記方法。
【請求項２】
前記速度が原料一次流の制御された動圧により提供される、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
2以上の一次流が形成される、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
動圧体積がその自然変動の範囲に保たれる、請求項2に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は石油処理の分野に属し、燃料電力工学の分野における、石油工業および石油化学工業において応用され得る。
【背景技術】
【０００２】
精製所のための原油の処理（特に、複雑なレオロジー構造を有する原油）は、石油化学工業全体の収益性を決定する工程である。
【０００３】
処理（精製のための反応装置に供給する前の原油の前処理）が利用できると、それに続く油原料の処理に要する時間がはるかに短くなり、それにより工程の生産性が向上する。
【０００４】
原油の前処理は、次の目的：
- 脱塩および脱水、
- 油および石油製品の粘性の低下（レオロジー特性の改善）、
- 原油からの硫黄および硫黄化合物の除去
でおこなわれる。
【０００５】
上記の目的に加えて、最初期段階における軽質留分の収量を可能な限り増大させるために、炭化水素結合の構造中の部分的修飾に焦点を合わせたいくつかの原油の前処理法が開発された。
【０００６】
精製用カラムに供給する前の原油に、回転式脈動音響装置(rotary-pulsating acoustic apparatus)中で、ロータとステータとの間のギャップにおいて一定範囲の速度で流体力学および音響の複合処理を施す方法が存在する(RU 2158288, 27.10.2000)。分散した油の状態の変化の結果として、油蒸留留分の収量が増加する。この方法の欠点は、膨大なエネルギーおよび金属の消費である。
【０００７】
所定の頻度で衝撃を与えながら炭化水素を破砕装置に通すことにより炭化水素の機械的活性化をおこなう方法が存在する(US 4323448, 06.04.1982)。
【０００８】
液体の形態の炭化水素化合物を人工重力場の中に置き、機械素子を用いて液体に力学的エネルギーを供給する方法が存在する(RU 2122457, 27.11.1998)。これらの方法の欠点は膨大なエネルギーおよび金属の消費である。
【０００９】
炭化水素原料の処理の強化の目的を含む種々の液体の処理におけるキャビテーション効果の方法が存在する。
【００１０】
特許(KZ 14129,15.03.2004)の方法は、石油がキャビテーターを通過する際に、キャビテーション気泡の形成および成長およびそれに続くそれらの崩壊が起こり、それがパラフィンおよびアスファルト樹脂状物質を含む炭化水素の重分子の構造を破壊する衝撃波を伴うという事実を特徴とする。
【００１１】
この過程が非常に急速に起こるために、気泡の内容物と周囲の液体との間で熱交換を確立する時間がないので、崩壊の終了時点のキャビテーション気泡内部の気体温度は非常に高くなる。高温の気体が重分子と接触して、それらを原子間結合の強度が減少する温度まで加熱し、分子が崩壊してより単純な化合物になる。パラフィン分子の崩壊では、より単純な炭化水素である軽質留分が形成される（パラフィン含有量はその分子の崩壊のために減少する）。アスファルト樹脂状物質含有量は、それらが形成された軽質留分に溶解するために減少する。
【００１２】
しかしながら、種々の化学組成および留分組成、種々の粘性ならびに他の物理的および化学的特性の石油原料を使用するので、それらの一部に対してはキャビテーションメカニズムは実現不可能であり、この場合にはこれらの原料の機械的破壊をおこなうことができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】露国特許第2158288号
【特許文献２】米国特許第4323448号
【特許文献３】露国特許第2122457号
【特許文献４】カザフスタン国特許第14129号
【発明の概要】
【００１４】
本発明の方法は、主工程、すなわち軽質留分の形成および分別(fractionation)を伴う精留の前の原油および石油製品の前処理に関する。
【００１５】
本発明の目的は、高パラフィン原油および高含量の樹脂およびアスファルテンを有する油などの、軽質および重質原油の両方ならびに石油製品を処理するための高性能でエネルギー効率の高い技術を開発することである。
【００１６】
本発明が目的とする技術的結果は、処理された液体炭化水素原料の品質の改善、およびエネルギーコストを減少させながらその処理強度を増大させることにある。
【００１７】
前記技術的結果は、原料流の予備的前処理および分別によるさらなる処理を含む液体炭化水素原料の処理方法により達成される。この方法は、直線的管内層流(a straight tubular laminar flow)の特性を有する一次流を形成し、次いで層流性(laminarity)を保ちながら一定方向に進行する回転運動の中に原料流を送り込むことにより前処理がおこなわれ、この目的のために、一次流が移動する速度を、渦の軸領域(vortex axile zone)の境界上での該速度の最大値が、液体が管内らせん流となるための臨界レイノルズ数の値が達成される条件を満たすように制御しながら、原料流をらせん状管に送る点で異なっている。
【００１８】
前記速度は、原料一次流の制御された動圧により提供することができる。
【００１９】
大量の前処理油に対しては、2以上の一次流を形成することができる。
【００２０】
渦の軌道に沿った流れの一定方向の動きは、パイプラインの幾何学的形状を修正することにより提供することができる。
【００２１】
他の特定の事例において、渦の軌道に沿った流れの一定方向の動きは、まっすぐな流れ(straightforward flow)を渦領域の中に向けて接線方向に投入することにより提供することができる。
【００２２】
動圧体積はその自然変動の範囲に保たれる。
【００２３】
動圧値の正確さは、その自然変動の範囲内に維持される。
【００２４】
先に形成された一次流は、流体力学的に分離されたチャネルにより平行な流れに均等に分割される。
【００２５】
さらに、従属クレームに含まれる特徴は、方法の実施の特定の事例において使用されることに留意するべきである。
【００２６】
流体力学の法則、特に、炭化水素の流れを含む、粘性流体運動の状態(regimes)を説明する法則が本発明の方法の基礎となっている。
【００２７】
粘性流体運動は、粒子の混合を伴わない安定した層状の流体運動を特徴とする層流および流体粒子が進行運動に加えて回転運動を有する乱流の2つの状態でおこなわれ得ることが知られている。
【００２８】
状態は、熱伝達および物質移動過程の運動強度の相違により異なる。パイプライン運転が層流状態であることがエネルギーの観点から最も有利であると考えられている。乱流および層流における圧力差を比較すると（粘性液体に関するポアズイユの式に基づいて実施した）、乱流でパイプを通る流体のポンピング速度を増大させるには、層流と比較してはるかに大きい圧力差の増大が必要であることが示される。層流状態はより効果的に熱を伝達し、それに加えて、乱流の渦を形成する際に、パイプラインの長さに沿った圧力損失の理由である有効な流体力学的抵抗(hydraulic resistance)が増大する。これらの理由から、流れの層流性を保つ能力（層流状態の流体力学的安定性、乱流状態の形成に対する抵抗）は、炭化水素流を輸送および処理するシステムの重要な操作上の特徴（システム有効性尺度）である。
【００２９】
流体力学的流動状態は、無次元のレイノルズ数により特徴付けられる。レイノルズ数に直接または間接的に関連する変数は流動制御パラメータであり、状態はこれらの変数に依存して変化する。
【００３０】
Re = vLρ/η,                      (1)
[式中、
ρは液体密度であり、
vは流速であり、
Lは流動要素の特徴的長さ（流動パイプ半径）であり、
ηは分子粘性係数である]
層流から乱流への転移の状態は、臨界レイノルズ数の値により特徴付けられる。この数において渦の形成が開始するが、この数は、流速、直径および流体粘性の他に、液体分子間凝集力のポテンシャル障壁を乗り越えることに寄与するさらなる条件にも影響を受けて広く変化する。
【００３１】
式(1)における他の公知のパラメータに、公称値(nominal values)（上および下臨界速度）の範囲の流速間隔により特徴付けられる一時的状態の領域(transient regime zone)を割り当てることができる。
【００３２】
層流から乱流への転移は、相転移の法則に従って起こる自己組織化の過程または炭化水素の流れに代表される不安定な不均質系（異なる構造群組成の炭化水素および広い範囲の物理的および化学的特性を有するヘテロ誘導体の複合混合物）における相転移の連鎖と見なすことができる。
【００３３】
炭化水素流の一部分において、式：
En= 2mc2 (1 + m/M),                  (2)
[式中、
mは電子質量であり、
cは真空中の光の速度であり、
Mは作動流体（炭化水素流）における分子質量である]
の通りの単位体積あたりのエネルギー密度の生成に必要な条件を満たす速度を達成することができる場合、臨界状態下での相転移は、第5（陽電子）中間状態(the fifth (positron) medium state)への転移であり、系の内部エネルギー供給源(domestic energy resource)となる、著しいエネルギーの放出を伴って起こる (A.I. Akhiezer, V.V. Berestetsky "Quantum electrodynamics", Moscow, Nauka, 1969)。
【００３４】
この論述の基礎は、研究論文P.A.M. Dirac, The Principles of Quantum Mechanics, 1930に含まれるディラックの陽電子中間状態の理解である。上述の作動流体に対する衝撃は、ディラックの中間第5状態(the fifth state of Dirac medium)を有する量子力学的共鳴状態を生み出し、その状態において電子-陽電子対の生成と類似の分極過程が発動される。この過程は第1のタイプの相転移の特別な事例であり、それを支配するすべての法則に従う。
【００３５】
一方、渦運動は、作動物体の内部エネルギーおよび一般に作動媒体の回転流動運動による付加的動圧を完全に使用することを特徴とする。渦（動的非線形構造としての）の中で、エネルギーおよび運動量伝達は、数桁の幅で急激に増大する。
【００３６】
流体力学モデルの研究により、渦軸領域における強いエネルギー増加の開始が、層流における不安定性の境界の形成とほぼ一致することが示されている。
【００３７】
前記に基づいて、出願人は、炭化水素の管内らせん流が渦様であると見なすことができるという仮説を立てた（後に実験的に確証された）。流れを渦軸領域の縁に至るまで臨界流動状態に相当する状態に保ち、管流（管内流）における作動流体の層流から乱流状態への転移をこの境界の達成まで防止する条件が与えられると、著しいエネルギー消費なしで、作動媒体を構成する微小体積の物質(substance matter)が、軸領域において著しいエネルギー放出を伴う中間第5状態への相転移の条件を提供することが可能になる。実験による研究によれば、前述の相転移の事実が、付随する短波の放射により確認された。
【００３８】
この文脈において、微小体積は、液体の体積と比較して物理的に小さい体積であるが、分子距離と比較すると大きい体積である。
【００３９】
上記の相転移への穏やかなアプローチが系の一時的安定性を保証するので、流れの動的構造安定性をその直線モードから渦モードへの転移に保つためには、流動制御パラメータの保存精度が基本的重要性を有する。第1のタイプの相転移に向けられたいくつかの研究により、熱または量子力学的効果により引き起こされる、熱力学系パラメータのうちの1つの自発的変動により転移が開始されることが示されている。動圧による流速の維持は制御されたパラメータであるので、その値の変動について述べることが可能である。そこでは、必要な圧力を生成するポンピングシステムは、パラメータに決定される変動範囲の平均値維持に対する厳密な要求を満たさなくてはならない。この維持は、例えば、制御されるパラメータに対するフィードバックによりおこなうことができる。
【００４０】
炭化水素流におけるエネルギー放出はキャビテーション効果の結果として起こるものと類似の過程を伴うが、それとは異なり、原油の化学組成および留分組成、粘性ならびに他の化学的-物理的特性に依存しない。作動物体の微小物質の一部分の第5中間状態への相転移過程において放出されるエネルギーは、原子間結合強度の低下を引き起こし、その結果として、パラフィンおよびアスファルト樹脂状物質を含む炭化水素重分子構造が崩壊する。複数の要因の複合的相互作用の結果として、油の品質が向上し、この段階で既に部分的な軽質流分の分離が起こり、これは処理強度が増大したことを示すものである。同時に、流れの温度の上昇が油と水の密度の差異の増大に寄与し、液体の分別過程が促進される。水は、その中に含まれる塩を均等に溶解して流れの中に分布し、蒸気-流体混合物の一部として重い残渣から抽出される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】液体炭化水素原料の処理のための装置の操作図である。
【図２】原油および本発明の方法を使用して1回処理された油に関するデータである。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明の方法の実践的な実行の例を図1に示し、図1は液体炭化水素原料の処理のための装置の操作図を示す。また、本発明の方法の有効性を図2に示し、図2は原油および本発明の方法を使用して1回処理された油に関するデータを示す。
【００４３】
この装置は、炭化水素原料の前処理のためのリザーバー1、チャンバー中に原料動圧を生成するためのポンプ2、熱搬送剤の供給のためのポンプ3、軽油留分の分離のための蒸発器4、混合機5、および分別反応器6からなる。さらに、装置は原料貯蔵および生産された製品の収集のための別の設備を有する（図示しない）。
【００４４】
前処理のためのリザーバー1は、その中で任意の流動状態を維持することができる流体力学的に分離されたチャネル（管状ユニット、パイプライン）のシステムを有する。それぞれの管状ユニットは、原料貯蔵部の壁と可能な限り滑らかに連結するまっすぐな初期部分を有する。これは、管と貯蔵部の大きさの差のために起こる液圧抵抗を最大限減少させ、この領域における渦（乱流）を防止する目的で作られた。
【００４５】
パイプラインのまっすぐな部分は滑らかにらせん形に変化する。この部分の形態は、特に、その垂直軸と直交する平面への投影が、例えば、アルキメデスらせん、対数らせん、または双曲らせんである3次元曲線により決定することができる。調節された計算による渦流の形態により、式(2)が成立する軸領域における意味のある流れの回転速度の達成が保証される。
【００４６】
パイプの滑らかな曲線は、乱流の危険領域が存在しないために、圧力損失の観点から最も好適であると考えられる。しかしながら、パイプ曲線の最大半径は、起こり得る渦による層流性の妨害に対抗して、この部分に入る流れの流体力学的安定性を達成できるような、軸領域境界上の流速臨界値が達成される条件に基づいて選択されるべきである。そのような円周速度値において、回転軸からの距離に依存する規則的分布を考慮に入れなければならない。
【００４７】
1つの分離したチャネル（またはパイプライン）のために実行される過程安定性維持のために開発された条件の複合体は、自動的にチャネルシステム（またはパイプライン）全体のために実行される。
【００４８】
装置の他の要素は、従来の技術水準において知られるものとの差異はない。
【００４９】
この方法は次の方式で実施される。
【００５０】
炭化水素原料（油）をポンプ2により貯蔵部から前処理用タンク1の中に供給する。ポンプ2は、一次流の層流性の維持に必要な流速間隔を提供するための流体力学的圧力を生じさせる。式(1)に従った上述の速度間隔の決定において、供給原料の粘性およびパイプラインの幾何学的形状パラメータを考慮に入れるべきである。さらに、一次流は、計算された層流性（取入れ口支流パイプにおける原料の一定の流体力学的圧力により維持される）を保ちながららせん軌道に沿って曲がり、一方では渦流を生じさせるために回転運動の発生源となる力を完全に使用することを可能にし、他方では軸の渦領域境界（一般に、それは渦流半径の半分までを形成する）まで永続的流動特性を維持することを可能にする。渦における速度分布は、渦の軸領域において速度が最大値まで増大し、圧力が最小値まで減少する軸対照特性を有し、そこでは、渦形成の瞬間から運動量保存の法則が作用し始める。動的自己組織化構造としての渦の特徴は、軸領域における速度が臨界値に達し、炭化水素の留分へのさらなる分離過程の強化に寄与する著しいエネルギーの放出を伴う作動流体の微小体積の相転移に必要な条件が存在するというものである。炭化水素流がリザーバー1の排出区域から蒸発器4に入り、そこで、脱水した重質成分から、気体-蒸気混合物の形態での軽質炭化水素の部分的分離が起こる。さらに、重質炭化水素が混合機5においてポンプ3により供給される冷却剤と混合されて、反応器6に入ってさらに精製される。
【００５１】
図2は、軽質および重質原油残渣ならびに本発明の方法により精製された油の分離の結果の比較を、全質量に対する軽質炭化水素留分のパーセンテージで表す。高い樹脂およびアスファルテン含有量を有する高粘性物質を処理した。
【００５２】
Degtiarev V.N. <Oil Quality Bank>, Oil Industry, 1997, No 3, p.62-63 [3]の研究に記載された方法により上記のデータに基づいて計算されたパイプライン油品質(K)の統合指標によりおこなわれた精製油の品質評価により、油の品質が数倍増大することが示されている。初期油指標がKin = 2.92であったのに対して、精製油の品質の統合指標はNref = 0.455であった。品質統合指標(Quality integrated indicator)の単位偏差(unit deviation)の下方への偏りは処理コストの低下につながる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の方法は、軽質および重質原油の両方および石油製品を処理するために使用することができ、炭化水素流の前処理により、完成した製品の品質ならびに精留過程の強度およびエネルギー効率の実質的な改善が可能になる。
【図１】
2015505873.tif 000002
【図２】
2015505873.tif 000003
【国際調査報告】
2015505873.tif 000004
2015505873.tif 000005
2015505873.tif 000006