СПОСОБ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СМЕСЕЙ И ПРОТОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF PHYSICAL-CHEMICAL PROCESSING OF LIQUID HYDROCARBONS AND FLOW REACTOR TO THIS END

Предложенное изобретение может быть использовано в нефтедобывающей промышленности, в частности при выработке и сепарации синтетического газа, полученного из смеси воды и углеводородов из обводненных скважин. Кроме того, группа изобретений также относится к области специальных физических и химических технологий и может быть использовано в различных сферах человеческой деятельности, где требуется разложение жидкой среды на составляющие элементы.
Известна заявка на изобретение «Способ и устройство для нагрева жидкости», заявка RU 2002113434, опубл. 2003.11.20, МПК F24J 3/00, в котором предварительный подогрев жидкости осуществляют теплом, снимаемым с теплогенератора при воздействии на жидкость кавитации, однако изобретение не решает техническую задачу обеспечения возможности обработки жидких сред при проведении различных физико-химических процессов, экзотермических химических реакций, гомогенизации, эмульгирования, растворения и др.
Известно изобретение «Способ получения тепла и устройство для его осуществления»,патент RU 2242684, опубл. 2004.12.20, МПК F24J 3/00, использующее стартовый подогрев жидкого теплоносителя и последующий подъем его температуры до температуры его газожидкостного состояния путем разгона предварительно сформированного потока жидкого теплоносителя до направленного вихревого состояния с последующим отбором получаемой тепловой энергии. Однако изобретение не решает техническую задачу обеспечения возможности обработки жидких сред при проведении различных физико-химических процессов, экзотермических химических реакций, гомогенизации, эмульгирования, растворения и др.
Известно изобретение «Способ нагрева жидкости», патент RU 2171434, опубл. 2001.07.27, МПК F24D 3/02, в соответствии с которым осуществляют нагрев в замкнутых циркуляционных контурах путем создания вихревого или (и) кавитационного режима течения жидкости и последующего преобразования полученной энергии в тепловую, перед созданием в нем вихревого или (и) кавитационного режима течения принудительно изменяют структуру жидкости в сторону увеличения надмолекулярных структур, для чего воздействуют на эту жидкость магнитным полем с напряженностью. Способ применяют в отопительных системах зданий, при этом конструкция таких теплогенераторов предполагает дополнительные сложные узлы, размещенные перед входом в теплогенератор. Способ эффективен в замкнутых циркуляционных контурах отопления зданий, использует процессы протекания процессов нагрева воды, однако не решает техническую задачу обеспечения возможности обработки углеводородных жидких сред при проведении различных физико-химических процессов, экзотермических химических реакций, гомогенизации, эмульгирования, растворения и др.
Наиболее близким для способа физико-химической обработки жидких углеводородных смесей является изобретение «Способ выделения энергии посредством вращательно-поступательного движения жидкости и устройство для преобразования и выделения энергии в жидких средах», патент RU №2287118, опубл. 10.11.2006 г., F24J 3/00, F15D 1/00, F25B 29/00, включающий обеспечение поступательного движения первичного потока жидких углеводородов, формирование вращательно-поступательного движения потока во входном сопле и одновременно формирование кавитационного потока с резким торможением. Позволяет обеспечить съем тепла с теплогенератора, однако не использует смесь углеводородов с водой (в этом патенте мы не предполагали использовать смесь углеводородов, так как задача стояла только выработки тепла, но при проведении испытаний на стенде и в полевых условиях на скважине, добавив в воду нефть, получили синтетический газ, тем самым доказали работоспособность гидродинамического преобразователя в качестве проточного химического реактора). Также не позволяет интенсифицировать физико-химические реакции для повышения эффективности их протекания и не обеспечивает решение технической задачи по обеспечению возможности обработки жидких сред при проведении различных физико-химических процессов, экзотермических химических реакций, гомогенизации, эмульгирования, растворения и др.
Известно изобретение «Звукохимический реактор», патент RU 88295, публ. 10.11.2009, МПК B06B 1/02, B06B 3/00 H01L 41, включающее резонатор на стоячих волнах и термоакустический пульсатор. Изобретение позволяет решить проблему создания крупнотоннажного звукохимического реактора с высоким КПД и равномерным воздействием звукового поля на каждую частицу проходящей через реактор жидкости. Однако не обеспечивает повышения эффективности процесса переработки обводненного углеводородного сырья, а также возможности обработки жидких сред при проведении различных физико-химических процессов с использованием вырабатываемого тепла в замкнутых пространствах в обводненных шахтах.
Известно изобретение «Устройство для переработки тяжелого углеводородного сырья», патент RU 2124550, публ. 10.01.1999, МПК C10G 15/08, B01F 11/02, содержащее рабочие камеры, входной патрубок, к нижнему торцу которого присоединена насадка с соплами, сопряженными с выходными диффузорами, выходной патрубок, завихритель, средства генерации акустического излучения, корпус с формированием зазоров. Устройство позволяет получить легкие фракции из тяжелого углеводородного сырья, а также повысить эффективность процесса переработки углеводородного сырья. Однако не обеспечивает возможности обработки жидких сред при проведении различных физико-химических процессов, экзотермических химических реакций, гомогенизации, эмульгирования, растворения и др. с использованием вырабатываемого тепла в нагнетательных скважинах.
Известно изобретение «Теплогенератор кавитационного типа», патент RU 2201561, публ. 27.03.2003, МПК F24J 3/00, включающий кавитационную вихревую форсунку с осевым выходным соплом, резонаторы со стенками, в которых установлены электроды, сообщенные с источником электрического напряжения. Изобретение позволяет его использовать в кавитационных смесителях, гомогенизаторах, диспергаторах и т.п. аппаратах, однако не позволяет повысить эффективность физико-химических процессов переработки углеводородного сырья совместно с водой в замкнутых системах, а также использовать тепло в этих системах.
Известно изобретение «Кавитационный теплогенератор», патент RU 2312277, опубл. 10.12.2007, МПК F24J 3/00, содержащий устройство закручивания, вихревую камеру, осевой выходной канал, резонатор, электродные вводы. Позволяет существенно повысить интенсивности кавитационных и связанных с ними физико-химических процессов в кавитаторах с вихревой камерой при одновременном получении возможности регулирования тепловыделения теплогенератора в широком диапазоне. Однако кавитационные процессы, возбуждающие молекулы жидкости-воды на молекулярном уровне, в данном устройстве протекают недостаточно активно, что ограничивает возможность интенсификации процесса тепловыделения в замкнутую систему с одновременной выработкой и сепарацией синтетического газа из жидкой смеси углеводородов и воды в нагнетательных скважинах.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является изобретение «Устройство для соноплазменной стимуляции физико-химических и технологических процессов в жидкой среде», патент RU 2393028, публ. 26.06.2010, МПК B06B 1/00, содержащее рабочую проточную камеру, предназначенную для создания в ней зоны кавитации, поток жидкости, в которую подается через сужающийся цилиндрический канал, при этом рабочая камера дополнительно снабжена источником электромагнитного излучения, и сопло, обеспечивающее режим потока, отличный от ламинарного. Изобретение позволяет интенсифицировать физико-химические и технологические процессы и стимулировать их путем соноплазменного воздействия на непрерывный поток жидкости. Однако при этом уровень кавитационного шума недостаточно высок, например, для разложения воды и получения из нее водорода или кислорода, а из нефтепродуктов - синтетического газа, по этой причине устройство не обеспечивает надежного разрушения высоковязких сред. Кроме того, не позволяет снять дополнительное тепло для использования в замкнутом цикле интенсификации физико-химических процессов в нагнетательных скважинах и одновременно использовать как источник принудительной циркуляции смеси в данном замкнутом контуре.
Назначение ультразвуковых химических реакторов - интенсификация существующих химических и технологических процессов, создание новых технологий и осуществление реакций, не реализуемых или трудно реализуемых в традиционных условиях. Эксплуатация ультразвуковых химических реакторов заключается в подаче взаимодействующих жидких веществ в технологический объем реактора и воздействие на них УЗ колебаниями высокой интенсивности.
Необходимость передачи ультразвуковых колебаний на большой объем обрабатываемого материала и через стенки реактора приводит к снижению интенсивности ультразвукового воздействия, кроме того, проточные реакторы непригодны для реализации физико-химических процессов, протекающих в режиме развитой кавитации с выделением тепла, поскольку под воздействием только ультразвуковых колебаний в пузырьках жидкой среды такие реакции протекают достаточно медленно, что требует неоднократных повторных циклов протекания таких реакций, как выделение водорода или кислорода из воды или синтетического газа из смеси воды и жидких нефтепродуктов. Кроме того, выделенная теплота, образующаяся при протекании реакции и при торможении вихревого потока, в таких реакторах не находит своего полезного использования. Особенно это актуально в режиме дефицита энергии при добыче нефти из обводненных месторождений.
Предложенное техническое решение позволяет достичь следующего технического результата:
- повышение эффективности процесса переработки обводненного углеводородного сырья;
- обеспечение возможности обработки жидких сред при проведении различных физико-химических процессов, экзотермических химических реакций, гомогенизации, эмульгирования, растворения и др. с использованием вырабатываемого тепла в замкнутых пространствах нагнетательных скважин;
- в том числе:
- интенсификация физико-химических процессов в смеси углеводородов с водой для выработки синтетического газа;
- использование дополнительного тепла, используемого в замкнутом цикле интенсификации физико-химических процессов, в частности, в качестве источника принудительной циркуляции смеси в замкнутом контуре при добыче углеводородов.
Данный технический результат достигается за счет того, что применяют способ физико-химической обработки жидких углеводородных смесей и проточный электрохимический реактор для его реализации.
Способ физико-химической обработки жидких углеводородных смесей заключается в том, что в качестве проточного электрохимического реактора (ПЭХР) используют устройство для преобразования и выделения энергии в жидких средах - теплогенератор, который обеспечивает поступательное движение текучего рабочего тела - потока жидкой смеси углеводородов с водой, формирование вращательно-поступательного движения потока на переднем срезе во входное сопло и одновременное формирование вторичных кавитационных потоков путем сжатия потока во входном сопле до получения скорости, обеспечивающей образование кавитационного потока на выходе из выходного сопла, ускорения потока и накладывания ультразвуковых колебаний от стенок теплогенератора, преобразование кавитационных потоков в простой турбулентный поток с одновременным резким торможением и последующим расширением до получения давления, равного давлению первичного потока жидкой углеводородной смеси, при этом дополнительно одновременно с ультразвуковыми колебаниями осуществляют импульсное воздействие на поток в рабочем канале вихревой трубы высоковольтным напряжением промышленной частоты. Так, в частности, в качестве промышленной частоты используют частоту электрических сетей РФ, равную 50 Гц.
Для реализации данного способа в качестве ПЭХР используют теплогенератор со следующими конструктивными особенностями. Проточный электрохимический реактор (ПЭХР), включающий рабочую проточную камеру, предназначенную для создания в ней зоны кавитации, которая дополнительно снабжена источником электромагнитного излучения, входное сопло, обеспечивающее режим потока, отличный от ламинарного, который работает по принципу теплогенератора. ПЭХР отличается тем, что на входе рабочей проточной камеры размещен гидродинамический преобразователь в виде входного сопла конусной формы, обеспечивающий сжатие потока до требуемой скорости в рабочей камере и внутри которого у входного среза конуса размещен формирователь потока в виде S-образной винтовой пластины, рабочая камера выполнена в виде вихревой трубы из упругого слоистого материала и снабжена наружным кожухом, обеспечивающим гидродинамическую кавитацию потока, на кожухе снаружи размещена индукционная катушка, являющаяся источником электромагнитного излучения, на которую подается прямоугольный импульс тока, воздействующий импульсно-электромагнитным полем на кавитационный вихревой поток, на выходе рабочей проточной камеры размещен второй гидродинамический преобразователь в виде рассекателя потока, размещенного перед выходным конусом. При этом, в частности, вихревая труба выполнена из упругой слоистой пластмассы и снабжена наружным металлическим кожухом,
На Фиг.1 изображено продольное сечение устройства - проточного электрохимического реактора (ПЭХР).
ПЭХР устроен следующим образом. Во входное сопло (1), обеспечивающее режим потока, отличный от ламинарного, подают с определенной скоростью поток жидкой смеси нефтепродуктов с водой в соотношении, которое либо является расчетным, либо получается естественным путем в нагнетательных скважинах. На переднем срезе входного сопла (1) установлен первый гидродинамический преобразователь в виде S-образной винтовой пластины (2). Устройство обеспечивает поступательное движение текучего рабочего тела - потока жидкой углеводородной смеси с водой, формирование вращательно-поступательного движения потока на переднем срезе во входное сопло (1) и одновременное формирование вторичных кавитационных потоков путем сжатия потока во входном сопле до получения скорости, обеспечивающей образование кавитационного потока на выходе из выходного сопла. Выходной срез входного сопла (1) соединен с рабочей проточной камерой, выполненной как вихревая труба (3), в которой происходит дальнейшее ускорение потока и накладывание ультразвуковых колебаний от внутренних упругих слоистых стенок (4), снабженных металлическим или иным прочным корпусом (5), обеспечивающим гидродинамическую кавитацию потока. На корпусе (5) снаружи размещена индукционная катушка (6), являющаяся источником электромагнитного излучения, на которую подается прямоугольный импульс тока, воздействующий импульсно-электромагнитным полем на кавитационный вихревой поток внутри вихревой трубы (3). Импульсное воздействие на поток в винтовом канале высоковольтным напряжением с промышленной частотой осуществляют одновременно с ультразвуковыми колебаниями. На выходе вихревой трубы (3) размещен второй гидродинамический преобразователь (7) в виде рассекателя потока, размещенного перед выходным конусом (8). В выходном конусе (8), на срезе которого установлен второй гидродинамический преобразователь (7), происходит преобразование кавитационных потоков в простой турбулентный поток с одновременным резким торможением и последующим расширением до получения давления, равного давлению первичного потока жидкой углеводородной смеси. На заднем срезе выходного конуса (8) размещена труба (9), которая отводит выработанный синтетический газ вместе с фракциями нефтепродуктов. Причем внутренняя поверхность входного сопла (1) и цилиндрическая часть “L” вихревой трубы (3) могут быть выполнены гладкими или с винтовыми каналами. S-образная винтовая пластина (2) размещена изнутри входного конуса входного сопла (1) на его входном срезе для создания вихревого потока жидкости при входе в конус S-образной винтовой пластины (2).
Таким образом, внесенные изменения и доработки в конструкцию гидродинамического преобразователя, функционально являющегося теплогенератором, определяют его новое функциональное назначение и работу в качестве проточного электрохимического реактора из-за следующих особенностей.
В обычных звукохимических реакторах степень разложения тяжелых нефтей, особенно в смеси с водой, по выходу светлых нефтепродуктов недостаточно высока и зависит от напряженности электромагнитного поля.
При использовании теплогенератора с произведенными доработками изменяются физико-химические реакции в кавитационных вихревых потоках, т.к. воздействие импульсного магнитного поля на вихревой поток жидкости, протекающей через цилиндрическую часть “L” вихревой трубы (3), усиливает звукохимические реакции, проходящие в объемном резонаторе, которым является рабочая проточная камера, в том числе определяет более высокий КПД выделения внутренней энергии из потока жидкости внутрь кавитационных пузырьков, делая возможным интенсификацию внутри них звукоэлектрохимических реакций, достаточных для выработки синтетического газа внутри каждого кавитационного пузырька. При соответствующем подборе величин прямоугольного импульсного тока обеспечивается возможность обработки жидких сред при проведении различных физико-химических процессов, экзотермических химических реакций, гомогенизации, эмульгирования, растворения и др. с использованием вырабатываемого тепла в замкнутых пространствах в нагнетательных скважинах; в том числе интенсификация физико-химических процессов в смеси углеводородов с водой для выработки синтетического газа.
В рассматриваемом случае при работе на электропроводящей жидкости через нее будет проходить электрический ток из-за возникновения относительно малого и различного по радиусу перепада потенциалов между поверхностями внутри кавитационного пузырька, что при наличии вихревого движения в рабочей проточной камере и корпуса, на который подается прямоугольный импульс тока, оказывает интенсивное физико-химическое воздействие на протекающую жидкость. Это ускоряет процессы ионизации, протекание химических реакций в жидкости на микроуровне, в кавитационных пузырька и, в зависимости от свойств жидкости, способствует процессам энерговыделения и энергообмена.
За счет подбора акустических и электрических параметров ПЭХР позволяет в значительной степени интенсифицировать кавитационные процессы, а комбинированием видов и количеств источников упругих колебаний и электромагнитного воздействия достигается внутри пузырька процесс образования плазменного разряда, что в свою очередь позволяет стимулировать физико-химические и технологические процессы в жидких средах. Генерация упругих колебаний с помощью ультразвукового источника, в предложенном случае - от колебательных процессов стенок вихревой камеры, излучающим звеном которого являются упругие пластмассовые стенки вихревой камеры, расположенные в полости рабочей камеры, позволяет обеспечить равномерную плотность кавитационных пузырьков по сечению потока углеводородной жидкости. В этом случае осуществляют выработку и сепарацию синтетического газа из смеси воды и углеводородов при высоких качественных характеристиках конечных продуктов и существенном увеличении выхода объемов синтетического газа. Однако только ультразвуковое воздействие требует либо нескольких циклов, либо достаточно большого времени, от 5 до 20 минут, обработки единицы объема жидкой углеводородной среды в замкнутом цикле, в то время как дополнительное импульсное воздействие на поток в вихревом канале ПЭХР высоковольтным напряжением с промышленной частотой, а также использование выделенного тепла, преодолевает этот недостаток, существенно повышает эффективность процесса выработки и сепарации синтетического газа.
Данный эффект подтверждается тем, что в пространстве упругих волн кавитация возникает в виде так называемых стационарных кавитационных областей, состоящих из отдельных кавитационных пузырьков и располагающихся в узлах колебаний. Каким бы ни было искажение профиля возмущения давления, распространяющегося от каждого из кавитационных пузырьков, связанное с изменением величины модуля и направления вектора скорости его пульсации, средняя за период гармонической волны скорость распространения этого возмущения в среднем по кавитационной области должна быть равна скорости звука в жидкости. В противном случае будет нарушен закон сохранения импульса давления. Поэтому можно считать, что возмущения давления от кавитационных пузырьков за период гармонической волны в среднем будут проходить в жидкости расстояние, равное длине этой волны в этой жидкости. Фазы этих возмущений давления от распределенных в пространстве кавитационных областей пузырьков в любой точке пространства не будут совпадать по той же причине, т.е. существование константы скорости распространения упругих возмущений в жидкости. Этот факт приводит к известному явлению взаимного гашения возмущений давления вследствие их интерференции и не позволяет усиливать эти возмущения давления, распространяющиеся от отдельных пузырьков путем наложения друг на друга отдельных разрежений или сжатий в произвольной точке внутри кавитирующей жидкости без управления фазами пульсаций каждого отдельного пузырька. С целью управления данными фазами применяют наложение импульсных возмущений (воздействия) на поток в винтовом канале высоковольтным напряжением, например, с промышленной частотой. Применение промышленной частоты существенно упрощает применение этого способа и самого устройства - ПЭХР.
При этом физико-химические реакции идут с существенным выделением тепла, которое по замкнутому циклу отводится в системы перекачки как жидкой улеводородной среды, так и в системы перекачки полученных конечных продуктов, не требуя повышенных затрат энергии и заменяя внешние источники энергии на внутренние источники энергии, полученные в качестве сопутствующего этим процессам продуктом. Таким образом, существенно снижается энергопотребление при добыче углеводородов, появляется возможность за счет дополнительных интенсивных физико-химических процессов в углеводородах получать легкие фракции нефти с выработкой ценного синтетического газа за счет внутренних ресурсов самого процесса перекачки жидких углеводородов. Кроме того, поскольку в России добыча углеводородов усложнена обводненностью нефтяных месторождений, то предлагаемый способ обеспечивает повышение нефтегазоотдачи месторождений за счет выработки и закачки в пласт через нагнетательные скважины растворенного в пластовой воде под высоким давлением синтетического газа. Таким образом, интенсификация процесса стимуляции физико-химических и технологических процессов обеспечивает существенное увеличение эффективности добычи жидких углеводородов с получением более легких фракций из обводненных скважин, а также увеличение выхода синтетического газа, выработанного и сепарированного из тяжелых фракций жидких углеводородов с использованием тепла, выделяемого при этом процессе в режиме замкнутого цикла.
Таким образом, дополнительное тепло, используемое в замкнутом цикле интенсификации физико-химических процессов, позволяет, в частности, использовать его также в качестве источника принудительной циркуляции смеси в замкнутом контуре при добыче углеводородов. И, кроме того, повысить эффективность процесса переработки обводненного углеводородного сырья.
Кроме того, в процессе реализации данного способа с использованием предложенного для него устройства возможно осуществление управления фазами отдельных волн, содержащих в узлах колебаний кавитационные области, состоящие из конечного числа пузырьков. То есть можно осуществить фазовое управление через управление интерференцией акустического поля кавитации, порождаемой совокупностью плоских упругих волн, распространяющихся параллельно и независимо друг от друга в одном общем объеме жидкости с целью сложения с одинаковыми знаками, то есть усиления возмущений давления кавитации внутри кавитационных пузырьков.