УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ К ПЕРЕРАБОТКЕ И СПОСОБ ЕЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
DEVICE FOR OIL PREPARATION FOR PROCESSING  AND ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей нефтехимической промышленности, в частности к физико-химическому изменению исходного продукта, а именно к переработке нефти и нефтепродуктов.
Известны традиционные способы подготовки сырья, такие как пропускание подготавливаемой нефти через гидродинамические стержневые преобразователи, состоящие из ротора и статора, каждый из которых содержит один или несколько коаксиально расположенных цилиндров с прорезями (щелями) или отверстиями. При вращении ротора происходит быстрое чередование совмещения и несовмещения прорезей (щелей) или отверстий ротора и статора, вследствие чего в обрабатываемой жидкости возникают пульсации давления, сопровождающиеся кавитацией. (Гершгал Д.А., Фридман В.М. «Ультразвуковая технологическая аппаратура». Издание третье, переработанное и дополненное. М., Энергия. 1976 г.) Недостатком известного устройства является громоздкость конструкций, а также низкий выход светлых нефтепродуктов из обработанной нефти.
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению являются установка и способ вихревого крекинга нефти и нефтепродуктов (патент RU №2305699 МПК C10G 9/00, B01F 11/00, опубл. 10.09.2007).
Установка вихревого крекинга нефти и нефтепродуктов включает емкость для нефти, ректификационную и реакционную камеры, емкости для выделенных продуктов. Емкость для нефти и нефтепродуктов соединена с ректификационной и реакционной камерами посредством двухпозиционного клапана и нефтяных насосов, причем ректификационная камера содержит последовательно расположенные входное устройство, завихритель, вихревую трубу, развихритель и выходное устройство.
В известном способе нефть нефтяным насосом подают в вихревую трубу ректификационной камеры, в которой осуществляют ее обработку, а после обработки продукт возвращают в емкость для нефти и нефтепродуктов, причем обработку в ректификационной камере осуществляют многократно. Недостатками известных устройства и способа являются громоздкость конструкций, а также недостаточно высокий выход светлых фракций при дальнейшей переработке.
Задачей предлагаемого изобретения является более качественная подготовка нефти для дальнейшей переработки, заключающаяся в разрыве длинных (тяжелых) углеводородных цепочек и превращения их в более легкие.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве, включающем емкость для нефти, соединенную посредством насоса и двухпозиционного клапана с вихревой трубой, содержащей входное и выходное устройства, согласно изобретению устройство дополнительно содержит резервуар с водой, соединенный посредством насоса и двухпозиционного клапана с входным устройством вихревой трубы, выходное устройство которой соединено с резервуаром для нефти через параллельно установленные первый и второй гидродинамические акустические преобразователи с двухпозиционными клапанами, при этом входное и выходное устройства выполнены в виде тангенциальных сопел.
В предлагаемом способе, включающем подачу нефтяным насосом нефти в вихревую трубу, многократную обработку и возвращение обработанной нефти в емкость для нефти, согласно изобретению перед подачей в вихревую трубу нефть смешивают с водой в количестве 7-15%, при этом в воду предварительно вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ), а обработку смеси в вихревой трубе и возвращение ее в емкость для нефти осуществляют в два цикла, в первом цикле возвращение обработанной смеси производят через первый гидродинамический акустический преобразователь, во втором цикле - через второй гидродинамический акустический преобразователь, после чего полученный продукт отстаивают в емкости для нефти в течение 8 часов, причем процесс ведут при атмосферном давлении 740-760 мм рт. ст. и при плюсовой температуре окружающей среды. Причем многократную обработку нефти осуществляют не менее 3 раз.
Результатом использования предлагаемых устройства и способа является интенсификация процесса без использования громоздких конструкций, упрощение устройства, а исходная (неподготовленная) нефть в процессе вышеописанной обработки подвергается многополевому воздействию (давление, кавитация, температура, ионизирующее излучение) и в процессе данных воздействий «разбивается», «измельчается», т.е. происходит разрыв длинных (тяжелых) углеводородных цепочек, «тяжелые» нефтяные фракции превращаются в более легкие, следовательно, при дальнейшей переработке подготовленной таким образом нефти увеличивается выход светлых фракций нефтепродуктов.
В предлагаемом устройстве указанный результат достигается тем, что дополнительно установлен резервуар с водой, соединенный посредством насоса и двухпозиционного клапана с входным устройством вихревой трубы, выходное устройство которой соединено с резервуаром для нефти через параллельно установленные первый и второй гидродинамические акустические преобразователи с двухпозиционными клапанами, при этом входное и выходное устройства выполнены в виде тангенциальных сопел.
В предлагаемом способе указанный результат достигается тем, что перед подачей в вихревую трубу нефть смешивают с водой в количестве 7-15%, при этом в воду предварительно вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ), а обработку смеси в вихревой трубе и возвращение в емкость для нефти осуществляют в два цикла, в первом цикле возвращение обработанной смеси производят через первый гидродинамический акустический преобразователь, во втором цикле - через второй гидродинамический акустический преобразователь, после чего полученный
продукт отстаивают в емкости для нефти в течение 8 часов, причем процесс ведут при атмосферном давлении 740-760 мм рт. ст. и при плюсовой температуре окружающей среды. Причем многократную обработку нефти осуществляют не менее 3 раз.
Наличие гидродинамических акустических преобразователей (патент RU №134073, МПК B01F 11/02, патент RU №134074, МПК B01F 11/02) позволяет использовать ультразвуковые волны определенной частоты для воздействия на определенные нефтяные фракции, позволяет повысить эффективность дисперсии смеси и обеспечить высокую устойчивость и длительную нерасслаиваемость полученного продукта.
Смешение нефти с водой в количестве 7-15% на 100 объемных процентов нефти позволяет появившийся свободный водород Н+ при разложении воды под действием интенсивных физических полей присоединить к свободному радикалу, образовавшемуся при разрыве высокомолекулярной связи (С-С). Количество добавляемой воды зависит от качества исходной нефти (ее реологических свойств, вязкости, плотности, фракционного состава, начала кипения, содержания серы, содержания хлористых соединений, содержания парафинов и т.д.), чем легче нефть, тем меньше требуется воды. Для интенсификации процесса в воду предварительно вводят ПАВ, способствующие разложению воды на водород и гидроксильную группу.
Осуществление обработки смеси в вихревой трубе и возвращение ее в емкость для нефти в два цикла, путем подачи смеси в первом цикле через первый гидродинамический акустический преобразователь, а во втором - через второй гидродинамический акустический преобразователь, позволяет интенсифицировать процесс турбулизации и ионизации смеси, за счет чего высокомолекулярные углеводороды распадаются на продукты меньшей молекулярной массы. Количество циклов зависит от параметров исходного сырья и настроек гидродинамических акустических преобразователей, оптимально - не менее 3.
Отстаивание полученного продукта необходимо в течение 8 часов (в течение данного времени идут ионно-обменные процессы в заготовленной смеси) при плюсовой температуре, при атмосферном давлении 740-760 мм рт. ст.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежом, где изображена общая схема установки.
Устройство содержит емкость 1 для нефти, соединенную посредством насоса 2 и двухпозиционного клапана 3 через трубопровод 4 с входным тангенциальным соплом вихревой трубы 5. К трубопроводу 4 присоединен посредством двухпозиционного клапана 6 и насоса 7 резервуар 8 для воды. Выходное тангенциальное сопло вихревой трубы 5 соединено через параллельно установленные первый и второй гидроакустические преобразователи 9 и 10 соответственно с двухпозиционными клапанами 11 и 12 через трубопровод 13 с емкостью 1 для нефти.
Устройство работает следующим образом.
Нефть из емкости 1 при помощи насоса 2 через открытый клапан 3 и одновременно вода, в определенном технологией количестве, из резервуара 8 посредством насоса 7 через открытый клапан 6 подаются в трубопровод 4, где происходит смешение воды и нефти. Полученная смесь подается в вихревую трубу 5 через тангенциальное входное сопло. После добавления определенного количества воды, в которую предварительно добавляют ПАВ, выключается насос 7 и закрывается клапан 6. В вихревой трубе 5 создается вихрь за счет тангенциальной подачи смеси и закрученный по спирали выходит через тангенциальное выходное сопло снизу. Здесь поток нефти интенсивно турбулизуется, подвергаясь воздействию температуры, давления и ионизации, за счет чего высокомолекулярные углеводороды распадаются на продукты меньшей молекулярной массы. При разрыве высокомолекулярной связи (С-С) происходит превращение углеводородной цепочки в свободный радикал, и в этот момент происходит присоединение свободного водорода Н+ к данному радикалу, появившемуся при разложении воды под действием тех же интенсивных физических полей. Затем смесь поступает в гидродинамический акустический преобразователь 9, имеющий частотную характеристику от 0,5 до 3 кГц, при закрытом клапане 12, и далее возвращается в емкость 1 для нефти по трубопроводу 13. Весь цикл повторяется снова полностью неоднократно от 3 до 20 раз. После этого перекрывается клапан 11 и открывается клапан 12 и весь объем нефти проходит через вихревую трубу 5 и гидродинамический акустический преобразователь 10, имеющий частотную характеристику от 2 до 10 кГц, и далее возвращается в емкость 1 для нефти по трубопроводу 13. Цикл повторяется также от 3 до 20 раз. В гидродинамическом акустическом преобразователе происходит «накачка» тяжелых фракций нефти ультразвуком определенной частоты, электроны переходят на более высокие орбиты в атомах связи (С-С), и она (связь) более легко рвется. Далее «перемолотая», «измельченная» нефть направляется в емкость 1 для отстоя, при котором в течение 8 часов завершаются ионно-обменные реакции. Процесс ведут при плюсовой температуре окружающей среды, при атмосферном давлении 740-760 мм рт. ст.
В предлагаемом способе за счет настроек и регулировки режимов работы установки обрабатывается как легкая нефть, так и тяжелая нефтебитумная. В способе вихревого крекинга (т.е. расщепления длинных углеводородных цепочек на более короткие), протекающем с разрывом химических связей (С-С) и образованием свободных радикалов или карбонионов. 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. Особенностью вихревой трубы является наличие в процессе обработки ионизации, градиентов температуры и давления. Температура нагрева может достигать более 200°С, уровень ионизации до 100 мв.
Основную роль в подогреве нефти и ее ионизации играет процесс кавитации, возникающий в вихревой трубе, т.е. рабочее тело (нефть и другие жидкости) испытывают 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, Федоткин И.М. «Использование кавитации технологических процессах», Киев, ВШ, 1984 г., Пирсол И. «Кавитация», М., Мир, 1975 г.).
Все вышеуказанные воздействия на нефть, 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.
Конкретные примеры осуществления способа.
3
Пример 1: Используемое сырье - относительно легкая нефть, плотность (820-840 кг/м), с низкой степенью вязкости. Нефть из емкости 1 при помощи насоса 2 через открытый клапан 3 и одновременно вода в количестве 7%, с предварительно добавленным ПАВ, из резервуара 8 посредством насоса 7 через открытый клапан 6 подаются в трубопровод 4, где происходит смешение воды и нефти. После добавления необходимого количества воды, клапан 6 закрывается. Полученная смесь насосом 2 (производительность 1000 л/час) подается в вихревую трубу 5, где интенсивно турбулизуется, подвергаясь воздействию температуры до 120°С, давлению, ионизации), затем при открытом положении клапана 11 (клапан 12 закрыт) попадает в первый гидродинамический акустический преобразователь 9, имеющий частотную характеристику 2 кГц, после чего
по трубопроводу 13 возвращается в резервуар 1 для нефти. Данный обрабатываемый объем нефти пропускается через гидродинамический акустический преобразователь 9 пять раз, после чего посредством клапана 12 (клапан 11 закрывается) происходит переключение на второй гидродинамический акустический преобразователь 10, имеющий частотную характеристику 5 кГц. Затем по трубопроводу 13 возвращается в емкость 1 для нефти, и весь обрабатываемый объем нефти также пропускается через гидродинамический акустический преобразователь 10 пять раз, при этом выход легких «светлых» фракций составляет 85%. В результате произведенных действий в подготовленном продукте при дальнейшей нефтепереработке «тяжелые» высокомолекулярные углеводороды распадаются на продукты меньшей молекулярной массы. Обработанная нефть по данной схеме дает 85-90% выхода легких фракций, а необработанная нефть при дальнейшей нефтепереработке имеет выход легких «светлых» фракций 62-65 объемных процента.
3
Пример 2: Используемое сырье - тяжелая нефть, плотность (860-890 кг/м), с высокой степенью вязкости. Нефть из емкости 1 при помощи насоса 2 через открытый клапан 3 и одновременно вода, в количестве 10%, с предварительно добавленным ПАВ, из резервуара 8 с водой посредством насоса 7 через открытый клапан 6 подаются в трубопровод 4, где происходит смешение воды и нефти. После добавления необходимого количества воды, клапан 6 закрывается. Полученная смесь насосом 2 (производительность 1000 л/час) подается в вихревую трубу 5, где интенсивно турбулизуется, подвергаясь воздействию температуры до 120°С, давлению, ионизации, затем попадает в первый гидродинамический акустический преобразователь 9 имеющий частотную характеристику 1,5 кГц, после чего по трубопроводу 13 возвращается в резервуар 1 для нефти. Данный обрабатываемый объем нефти пропускается через гидродинамический акустический преобразователь 9 двадцать раз, после чего посредством клапана 12 (клапан 11 закрывается) происходит
переключение на второй гидродинамический акустический преобразователь 10, имеющий частотную характеристику 15 кГц. Затем по трубопроводу 13 возвращается в емкость 1 для нефти, и весь обрабатываемый объем нефти также пропускается через гидродинамический акустический преобразователь 10 двадцать раз, при этом выход легких «светлых» фракций составляет 72%. В результате произведенных действий, при дальнейшей нефтепереработке «тяжелые» высокомолекулярные углеводороды распадаются на продукты меньшей молекулярной массы. Необработанная нефть (по данной схеме) при дальнейшей нефтепереработке имеет выход легких «светлых» фракций 55% объемных процента, обработанная нефть (по данной схеме) дает 72-75% легких фракций.
Возможность оперативной регулировки и настройки параметров воздействия (интенсивность турбулизации, ультразвуковая частотная характеристика, количество раз обработки, процент добавления воды) на исходную нефть и нефтепродукты обеспечивает унификацию и универсальность применения предлагаемых установки и способа предварительной подготовки нефти для дальнейшей переработки. Подготовленная таким образом нефть может быть далее переработана на нефтеперерабатывающей колонне с целью увеличения получения светлых нефтепродуктов для легкой нефти 85-90%, а для тяжелой нефти - 72-75%.