РЕАКТОР КОМПЛЕКСНОГО КАВИТАЦИОННОГО И ВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Полезная модель «Реактор комплексного кавитационного и волнового воздействия» относится к технологическому оборудованию, предназначенному для повышения качества нефтепродуктов путем комплексного воздействия физических методов на их структуру, и может быть использована на нефтеперерабатывающих предприятиях.
Повышение качества светлых дистиллятных фракций, используемых в производстве многих товарных нефтепродуктов, например, таких, как моторные, реактивные и дизельные топлива, остается одной из важных задач среди других существующих проблем в нефтепереработке.
К перспективным направлениям в создании нетрадиционных технологий и интенсификации существующих относится использование различных физических методов воздействия на продукты переработки нефти.
Чтобы повысить качество нефтепродуктов, необходимо получить свободные радикалы, образующие новые соединения, путем дробления длинных органических цепочек на короткие.
Наиболее эффективным оборудованием для получения качественных нефтепродуктов является оборудование, использующее устройства кавитационного и волнового воздействия на исходный продукт. С этой целью используются кавитационные генераторы различного типа, генерирующие колебания на частотах, отличающихся на порядок. Поскольку размер зародыша кавитации зависит от частоты (чем она выше, тем меньше зародыш), то при обработке жидкости она проходит через кавитатор, работающий на большей частоте.
Известен кавитатор дискового типа, основанный на возмущении потока жидкости при прохождении сквозь отверстия подвижного диска вдоль выпуклости неподвижного, что приводит к возникновению кавитации. (Викарчук А.А., Растегаева И.И., Чернохаева Е.Ю. Технология и оборудование для обработки нефти и переработки твердых нефтешламов и жидких нефтеотходов).
Основным недостатком этого кавитатора является частый выход из строя резонирующих пластин.
Известно устройство подготовки жидкого топлива (патент РФ №2143312), осуществляющее эмульгирование смеси мазута с водой, подогрев и введение в состав топлива в процессе эмульгирования пиролизной смолы. Эмульгирование осуществляют путем гидродинамической кавитационной обработки при заданных режимах.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции, т.к. оно содержит три гидродинамических кавитационных аппарата, подогреватели и другие элементы.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является установка крекинга нефти, описанная в патенте РФ 2078116, в которой нефтяное сырье подвергают ультразвуковой обработке, при давлении 0,2-5,0 МПа в зоне замкнутого циркуляционного контура, куда одновременно с исходным сырьем подают диспергирующее вещество, затем разделяют полученные таким образом продукты в разделительной камере. Вся установка выполнена в одном корпусе, где имеются совмещенные рабочие камеры, в каждой из которых установлено колесо центробежного насоса. Описанная установка применяется при переработке вакуумного газойля.
Она содержит конструктивно сообщенные между собой устройства для обработки продукта, являющиеся одновременно ультразвуковыми генераторами, камеру для разделения отработанного сырья и приспособление для конденсации парообразной фазы. Устройство для обработки сырья представляет собой корпус, в котором имеются конструктивно сообщенные между собой камеры, в каждой из которых установлен ротор, закрепленный на приводном валу, и статор. Обе камеры образуют замкнутый контур. За последней камерой размещена разделительная камера, имеющая канал для отвода образовавшейся парообразной фазы на конденсацию в холодильную камеру. В излучатель ультразвуковых частот входят механические узлы (ротор, статор, подшипники и др.).
Эта установка имеет следующие недостатки:
1. Сложность и ненадежность конструкции, вследствие наличия довольно сложной вращающейся механической системы, имеющей большое количество узлов трения.
2. Ротор, являющийся генератором кавитации, требует частой замены, так как подвергается постоянному кавитационному разрушению.
2
3. Использование механических узлов и деталей в качестве излучателей с интенсивностью более 100 кВт/м приводит к интенсивному их разрушению.
Задача, на решение которой направлено создание предлагаемой полезной модели в виде технического устройства, заключается в устранении вышеперечисленных недостатков, упрощении конструкции и изготовления, эффективном улучшении качества нефтепродуктов.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются созданием устройства, включающего взаимосвязанные между собой элементы: корпус цилиндрической формы с внутренней полостью разного диаметра по длине корпуса, две камеры: одна для ввода исходного продукта, другая - для ввода исходного продукта в смеси с водородоносителем (вода, перекись водорода и др.) и соответствующими расположенными под прямым углом друг к другу патрубками. На выходе устройства расположена камера, содержащая отбойник в виде круглой пластины, имеющей возможность передвигаться вдоль оси устройства с помощью регулировочных гаек, и выходной патрубок. Камера с патрубком ввода исходного продукта в смеси с водородоносителем и камера с патрубком выхода очищенного продукта соединяются с корпусом с помощью шпилек с гайками. Камера с патрубком ввода продукта с водородоносителем соединяется с камерой с патрубком ввода исходного продукта при помощи винтов.
Внутри корпуса расположены два полых конуса с хвостовиком и сквозными отверстиями, просверленными перпендикулярно оси конусов по спирали с регламентированным шагом, имеющих возможность передвигаться вдоль оси устройства с помощью регулировочных гаек для получения требуемой частоты колебаний.
Полость камеры с патрубком ввода обрабатываемого продукта сообщается с межконусным пространством корпуса, полость камеры с патрубком водородоносителя сообщается с каналами конусов.
Основным преимуществом предлагаемой конструкции реактора перед существующими, является высокая эффективность очистки нефтепродуктов от вредных примесей, отсутствие вращающихся и трущихся пар, что обеспечивает надежность работы и увеличивает срок его службы.
Техническое решение предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, изображенным на фиг. 1 и фотографией на фиг. 2.
Техническим результатом является оптимизация выходных характеристик нефтепродуктов различного типа.
Устройство включает в себя следующие конструктивно связанные между собой элементы: корпус 1, камеру 2 с входным патрубком 3, камеру 4 с входным патрубком 5, камеру 6 с выходным патрубком 7 и вибрационной пластиной 8, четыре полых конуса 9 с хвостовиками и сквозными поперечными отверстиями, перпендикулярно оси конусов по спирали с регламентированным шагом. Камеры 4 и 6 притянуты к корпусу четырьмя шпильками 10 и гайками 11, гайки 12 регулируют положение конусов 9, две гайки 13 устанавливают в необходимом положении пластину 8, пять винтов 14 крепят камеру 2 к камере 4.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Исходный продукт насосом через патрубок 5 подается в камеру 4, затем через кольцевые зазоры между конусами 9 и корпусом 1 в конусообразной части корпуса, где соединяется с основной частью обрабатываемого продукта, разгоняется до заданной скорости и попадает в камеру 6, в которой при ударе в пластину 8 заставляет ее колебаться с определенной частотой, образуя эффект кавитации.
Часть исходного продукта с водородоносителем насосом через патрубок 3 подается в приемную камеру 2, затем через каналы в конусах 9 и отверстия в них попадает в кольцевое пространство между конусами 9 и корпусом 1, где смешивается с исходным продуктом. Очищенный продукт через патрубок 7 сливается в накопитель.
В зависимости от обрабатываемого продукта гайками 12 устанавливается зазор между конусами 9 и корпусом 1, гайками 13 устанавливается в требуемом положении пластина 8.
Реактор включает две разгонные части:
- первая, прямолинейная, позволяет разогнать продукт в межконусном пространстве до требуемой скорости;
- вторая, конусообразная, при дополнительном вводе продукта через отверстия в конусной части, обеспечивает возможность увеличения перепада давления между входом продукта в реактор и выходом его в расширенную зону. Отверстия в конусе позволяют усилить скорость потока, что создает в межконусном пространстве эффект волны, движущейся с определенной частотой. При обтекании потоком жидкости плохо обтекаемого тела (круглой пластины) создается кавитационный эффект. В растительной зоне за счет кавитационного эффекта и волнового воздействия вода диспергирует из продукта до субмикронного уровня.
2
Затем вода в смеси сырье-вода расщепляется по схеме HO=ОН+Н. Энергия разрыва связи НО-Н равна 465 кДж/моль, что несколько больше энергии разрыва для связи Н-Н, равной 435 кДж/моль. Гидроксильный радикал (ОН) окисляется преимущественно атомом серы с образованием молекулы сульфона и последующим элиминированием диоксида серы. Атом водорода принимает участие в процессе очистки, замыкая углеводородные остатки молекул сульфона.
Под действием высокого давления в области образования кавитационных пузырьков происходит распад соединения по связи C-S, поскольку энергия разрыва такой связи 138 кДж/моль меньше, чем энергия связи С-С и С-Н.
Кроме того, высокое давление способствует интенсификации процесса гидроочистки. Бензиновые фракции с содержанием общей серы 2000 ppm, пройдя процесс обессеривания, снижают показатель общей серы до 10-300 ppm, при этом меняется фракционный и химический состав бензинов. В частности, при температуре КК 245°С в продукте, после очистки, имеем КК 197.
Дизельные фракции при содержании общей серы в сырье 1200-1400 ppm после обработки снижают показатель общей серы до 10-300 ppm.
Отбойник, в виде круглой пластины, при воздействии на нее потока продукта, вибрирует с определенной частотой, а совпадения расстояний между волнами и расстоянием пластины от торца конусов создает усиливающий резонансный эффект.
При обработке прямогонного бензина в предлагаемом реакторе происходило изменение физических (удельный вес, фракционный состав) и химических (уменьшение серы, изменение группового состава) свойств.
Таким образом, улучшение качества нефтепродуктов обеспечивается тем, что в реакторе одновременно реализуется три физических процесса: кавитация, эффект гидроволны и ультразвуковое воздействие, которые обеспечивают возможность эффективно воздействовать на нефтепродукт с целью изменения его физических и химических свойств в лучшую сторону.
Испытания опытно-промышленного образца показали вышеуказанные результаты, которые свидетельствуют о том, что предлагаемая полезная модель «Реактор комплексного кавитационного и волнового воздействия» соответствует требованиям патентоспособности «новизна», а, учитывая простоту конструкции, технологичность изготовления и простоту обслуживания, требованию «промышленная применимость».