СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ
PROCESSING METHOD OF HYDROCARBON RAW MATERIAL

Изобретение относится к области нефтепереработки и может найти применение в нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, в топливной энергетике.
Подготовка нефти, особенно реологически сложной, к переработке - процесс, определяющий рентабельность всего нефтеперерабатывающего производства.
При наличии подготовки (предварительной обработки нефтяного сырья до подачи в реактор для перегонки) на последующую переработку сырья требуется значительно меньшее время, что позволяет увеличить производительность процесса.
Предварительную обработку сырья осуществляют с целью:
- обессоливания и обезвоживания,
- снижения вязкости нефти и нефтепродуктов (улучшения реологических свойств),
- удаления из нефти серы и ее соединений.
Получили развитие способы предварительной обработки нефтяного сырья, направленные на частичное изменение структуры углеводородных связей для того, чтобы, помимо перечисленного, по возможности повысить выход легких фракций на самой первой ее стадии.
Известен способ (RU 2158288), согласно которому перед подачей нефти в колонну для перегонки, поток углеводородов подвергают комплексной гидромеханической и акустической обработке в роторно-пульсационном акустическом аппарате в определенном интервале скоростей в зазоре между ротором и статором. В результате изменения дисперсного состояния нефти выход нефтяных дистиллятных фракций увеличивается. Недостатком способа можно считать большую энергоемкость и металлоемкость.
Известен способ (US 4323448), в котором механоактивацию углеводородов проводят путем их пропускания через дезинтегратор с воздействием на него ударами с заданной частотой.
Известен способ (RU 2122457), в котором углеводородные соединения в жидкой форме помещают в искусственное гравитационное поле и обеспечивают подвод механической энергии к жидкости посредством механических элементов. К недостаткам этих способов можно отнести высокие материалоемкость и энергопотребление.
Известно использования кавитационного эффекта при обработке различных жидкостей, в том числе с целью интенсификации процессов переработки углеводородного сырья.
Способ по патенту KZ 14129 характеризуется тем, что при прохождении нефти через кавитатор в ней происходит образование и рост кавитационных пузырьков с последующим их схлопыванием, что сопровождается ударными волнами, которые разрушают структуру тяжелых молекул углеводородов, в том числе парафинов и асфальто-смолистых веществ.
Температура газа внутри кавитационного пузырька в конце схлопывания становится очень высокой, так как процесс происходит так быстро, что между содержимым пузырька и окружающей жидкостью не успевает установиться теплообмен. Горячий газ, соприкасаясь с тяжелыми молекулами, будет нагревать их до такой температуры, при которой прочность связей между атомами понижается и молекулы разрушаются до более простых соединений. При разрушении молекул парафина образуются более простые углеводороды, составляющие светлые фракции (снижается содержание парафина за счет разрушения его молекул). Содержание асфальто-смолистых веществ снижается за счет растворения их образованными светлыми фракциями.
Однако при использовании нефтяного сырья различного химического и фракционного состава, вязкости и прочих физико-химических характеристик для некоторых из них может не реализоваться механизм кавитации, позволяющий произвести его (сырья) механодеструкцию.
Заявляемый способ предусматривает предварительную обработку нефти и нефтепродуктов перед основным процессом - ректификацией, где происходит образование светлых фракций и их разделение.
Задачей изобретения является разработка высокоэффективной, энергосберегающей технологии переработки как легкого, так и тяжелого нефтяного сырья и нефтепродуктов, например высокопарафинистых нефтей, а также нефтей с высоким содержанием смол и асфальтенов.
Техническим результатом, получаемым при использовании заявляемого способа, должно являться повышение качества переработанного нефтяного сырья и повышение интенсивности его переработки с одновременным снижением энергозатрат.
Технический результат достигается тем, что в способе переработки жидкого углеводородного сырья, включающем предварительную подготовку сырья и его последующую переработку с разделением на фракции, подготовку осуществляют формированием первичного потока, имеющего характеристики трубообразного прямолинейного ламинарного, после чего потоку сырья придают направленное вращательно-поступательное движение по вихревой траектории с сохранением ламинарности потока, для чего направляют его в спиралеобразный трубопровод и сообщают первичному потоку скорость, максимальное значение которой на границе приосевой зоны вихря удовлетворяет условиям достижения числом Рейнольдса критического значения для трубообразного спиралеобразного потока жидкости.
Упомянутую скорость обеспечивают регламентированным динамическим напором первичного потока сырья, при этом точность поддержания величины динамического напора осуществляют в пределах ее естественных флуктуаций.
При больших объемах подготавливаемой нефти формируют более чем один первичный трубообразный поток, либо уже сформированный первичный поток равномерно разделяют на параллельные потоки по системе гидродинамически разобщенных каналов.
Дополнительно следует отметить, что признаки, включенные в зависимые пункты формулы, используются в частных случаях реализации способа.
В основу сущности заявляемого способа положены законы гидродинамики, в частности законы, описывающие режимы движения вязких жидкостей, к которым относится поток углеводородов.
Известно, что движение вязкой жидкости может осуществляться в двух режимах: ламинарном, характеризующимся установившимся слоистым движением жидкости без перемешивания частиц, и турбулентном, в котором частицы жидкости, помимо поступательного, приобретают вращательное движение.
Режимы отличаются различной интенсивностью тепло- и массообменных процессов. Считается, что ламинарный режим работы нефтепровода является наиболее выгодным в энергетическом отношении. Сравнение перепадов давления для турбулентного и ламинарного течений (проведенное на основании вычислений по формуле Пуазейля для вязкой жидкости) показывает, что повышение скорости прокачки жидкости по трубам при турбулентном течении потребует значительно большего увеличения перепада давлений, чем при ламинарном. Ламинарный режим более эффективно участвует в передаче тепла, к тому же при образовании турбулентных завихрений возрастает действующее гидравлическое сопротивление, что является причиной потери напора по длине трубопровода. По этим причинам способность потока сохранять ламинарность (гидродинамическую устойчивость ламинарного режима течения, устойчивость к образованию турбулентного режима) - важное эксплуатационное свойство системы, транспортирующей и перерабатывающей поток углеводородов (показатель эффективности системы).
Режим течения гидродинамического потока характеризуется безразмерным числом Рейнольдса. Входящие в него прямо или косвенно величины являются управляющими параметрами потока, от которых зависит смена режима.
где ρ - плотность жидкости;
v - скорость потока;
L - характерная длина элемента потока (радиус трубы, по которой течет поток);
η - коэффициент молекулярной вязкости жидкости.
Режим перехода от ламинарного потока к турбулентному характеризуется критическим значением числа Рейнольдса. Это число, при котором начинается турбулизация потока, изменяется в широком диапазоне в зависимости от влияния не только скорости потока, диаметра и вязкости жидкости, но и дополнительных условий, способствующих преодолению потенциального барьера сил сцепления между молекулами жидкости.
При прочих известных параметрах, входящих в формулу (1), выделяется зона переходного режима, характеризующаяся некоторым интервалом скоростей потока в пределах номинальных значений (верхней и нижней критическими скоростями).
Процесс перехода от ламинарного потока к турбулентному может быть рассмотрен как процесс самоорганизации, протекающий в соответствии с законами фазового перехода или последовательности фазовых переходов в нестабильной гетерогенной системе, в качестве которой может быть представлен поток углеводородов (сложная смесь углеводородов различного структурно-группового состава и их гетеропроизводных, обладающих широким спектром физико-химических свойств).
Если в части потока углеводородов может быть обеспечена скорость, отвечающая условию, необходимому для создания плотности энергии на единицу объема в соответствии с формулой:
где m - масса электрона;
с - скорость света в вакууме;
М - масса молекулы рабочей среды (потока углеводородов),
фазовый переход, осуществляемый в критическом режиме, будет переходом в пятое (позитронное) состояние материи, протекающим с выделением значительного количества энергии, составляющей внутренний энергоресурс системы (А.И. Ахиезер, В.В.Берестецкий «Квантовая электродинамика», Москва, «Наука», 1969 г.).
В основу этого утверждения положено понимание сущности позитронного состояния материи Дирака, изложенной в монографии P.A.M.Dirac, The Principles of Quantum Mechanics, 1930. Сообщение рабочей среде вышеупомянутых воздействий создает условия для квантовомеханического резонанса с пятым состоянием материи Дирака, инициируя в последнем поляризационные процессы, аналогичные рождению электрон-позитронных пар. Этот процесс является частным случаем фазового перехода первого рода и подчиняется всем законам, ему присущим.
С другой стороны, известно также, что вихревое движение характеризуется наиболее полным использованием внутренней энергии рабочего тела и получением за счет вращательного движения потока рабочей среды в целом добавочного динамического напора. В вихре (как динамической нелинейной структуре) резко, на порядки, увеличивается перенос энергии и импульса.
Исследования, проведенные на гидродинамической модели, показали, что начало интенсивного нарастания энергии в приосевой зоне вихря практически совпадает с границей формирования неустойчивости в ламинарном потоке.
На основании вышеизложенного заявителем сделано предположение, подтвержденное впоследствии экспериментально, что, поддерживая трубообразный закрученный спиралеобразный поток углеводородов, можно рассматривать как вихреподобный. Поддерживая поток в состоянии, соответствующем критическому режиму течения, до границы приосевой зоны вихря, не допуская перехода ламинарного течения рабочей среды в трубообразном потоке (внутритрубного потока) в турбулентное до достижения этой границы, возможно без значительных затрат энергии обеспечить в приосевой зоне для микрообъема вещества, составляющего рабочую среду, условия фазового перехода в пятое состояние материи, сопровождающегося выделением значительного количества энергии. При экспериментальных исследованиях факт возникновения упомянутого фазового перехода был подтвержден возникновением сопутствующего коротковолнового излучения.
Под микрообъемом в данном контексте подразумевается физически малый объем по сравнению с объемом жидкости, но большой по сравнению с молекулярным расстоянием.
Для сохранения стабильности динамической структуры потока при его переходе из прямолинейного в вихревое основное значение приобретает точность поддержания регулируемого параметра потока, поскольку плавный подход к упомянутому выше фазовому переходу гарантирует временную стабильность системы. В ряде работ, посвященных фазовым переходам первого рода, показано, что они инициируются посредством самопроизвольных флуктуаций одного из параметров термодинамической системы, вызываемых тепловыми или квантовомеханическими эффектами. Поскольку регулируемый параметр - скорость потока, обеспечиваемая динамическим напором, речь может идти о флуктуациях величины последнего. При этом к насосной системе, создающей требуемый напор, предъявляются жесткие требования по поддержанию среднего значения параметра, определяющего величину флуктуаций. Поддержание может осуществляться, в том числе, путем введения обратной связи по регулируемому параметру.
Выделение энергии в потоке углеводородов сопровождается процессами, аналогичными возникающим в результате кавитационного эффекта, но в отличие от последнего, не зависящими от химического и фракционного состава, вязкости и прочих физико-химических характеристик нефтяного сырья. Энергия, выделяемая в процессе фазового перехода части микрообъемов рабочего тела в пятое состояние материи, вызывает снижение прочности межатомных связей, вследствие чего разрушается структура тяжелых молекул углеводородов, в том числе парафинов и асфальто-смолистых веществ. В результате взаимодействия комплекса факторов повышается качество нефти и уже на этом этапе происходит частичное выделение светлых фракций, что является показателем повышения интенсивности переработки. Одновременно повышение температуры потока способствует увеличению разности плотностей нефти и воды, облегчается процесс расслоения жидкостей. Вода равномерно распределяется по потоку, растворяя содержащиеся в нем соли, и извлекается из тяжелого остатка в составе парожидкостной смеси.
Пример конструктивной реализации заявленного способа проиллюстрирован фиг. 1, где изображена функциональная схема установки для переработки углеводородного сырья, а эффективность заявляемого способа проиллюстрирована фиг. 2, где представлены данные по переработке нефти, необработанной и подвергнутой однократной обработке заявляемым способом.
Установка включает в себя резервуар для предварительной подготовки углеводородного сырья 1, насос 2 для создания динамического напора сырья в камере, насос 3 для подачи теплоносителя, испаритель 4 для отделения легких нефтяных фракций, смеситель 5, реактор для перегонки 6. Помимо этого, установка оснащена различным оборудованием для хранения сырья и сбора получаемых продуктов (на схеме не показано).
Резервуар для предварительной подготовки 1 содержит систему гидродинамически разобщенных каналов (трубчатых аппаратов, трубопроводов), в которых может быть обеспечен любой из режимов течения потока. Каждый из трубчатых аппаратов выполняется с прямолинейным начальным участком, по возможности плавно сопряженным со стенкой хранилища сырья. Это сделано для того, чтобы максимально уменьшить гидравлическое сопротивление, возникающее из-за различия в размерах трубы и хранилища, и предотвратить возникновение завихрений (турбулентности) в этой зоне.
Прямолинейный участок трубопровода плавно переходит в спиралеобразный. Форма этого участка трубопровода может быть определена, в частности, пространственной кривой, проекция которой на плоскость, ортогональную вертикальной оси, представляет собой, например, спираль Архимеда, логарифмическую либо гиперболическую спирали. Регламентированной расчетной формой вихревого потока гарантируется достижение значительной угловой скорости потока в приосевой зоне, при которой справедливо выражение (2).
Плавный поворот трубопровода можно считать наиболее благоприятным с точки зрения величины потерь напора, так как опасных зон для образования турбулентности нет. Однако максимальный радиус поворота (изгиба) трубопровода выбирается из условия достижения на границе приосевой зоны критического значения скорости потока, при котором обеспечивается гидродинамическая устойчивость поступающего в упомянутый участок потока к возникновению возможных вихревых нарушений ламинарности. При этом учитывается закономерное распределение величин окружных скоростей в зависимости от удаления от оси вращения.
Совокупность разработанных условий обеспечения устойчивости процесса, будучи выполненной для одного отдельного канала (либо трубопровода), автоматически выполняется для всей системы каналов (либо трубопроводов).
Прочие элементы установки не отличаются от известных из уровня техники.
Следует отметить, что формирование закрученного потока может быть осуществлено не только изменением геометрии трубопровода, но и по закону свободного вихря с нарастающей от периферии к центру скоростью, например тангенциальным вводом первичного прямолинейного ламинарного потока в зону завихрения при поддержании избыточного давления в подводящем патрубке.
Способ реализуется следующим образом.
Из хранилища посредством насоса 2 углеводородное сырье (нефть) поступает в резервуар для предварительной подготовки 1. Необходимый для обеспечения ламинарности первичного потока интервал его скоростей обеспечивается гидродинамическим напором, создаваемым насосом 2. При определении упомянутого интервала скоростей в соответствии с формулой (1) учитываются вязкость исходного сырья и параметры геометрической конфигурации трубопровода. Далее первичный поток закручивается по вихревой спиралеобразной траектории с сохранением расчетной ламинарности, которая поддерживается регламентированным гидродинамическим напором сырья в подводящем патрубке, позволяющем, с одной стороны, наиболее полно использовать мощность источника вращательного движения на создание вихревого потока, а с другой стороны, поддержать характер течения неизменным до границы приосевой зоны вихря (как правило, составляющей до половины радиуса вихревого потока). Распределение скорости в вихре носит осесимметричный характер с нарастанием скорости до максимального значения и снижением давления до минимального значения в приосевой зоне вихря, при этом с момента возникновения вихря начинает действовать закон сохранения импульса. Особенности вихря, как динамической самоорганизующейся структуры таковы, что скорости в приосевой зоне достигают критических значений и создаются условия для необходимого фазового перехода микрообъема рабочей среды с выделением значительного количества энергии, способствующей интенсификации процесса дальнейшего разделения углеводородного сырья на фракции. В испарителе 4, куда из зоны слива резервуара 1 поступает поток углеводородов, происходит частичное отделение легких углеводородов в виде парогазовой смеси от обезвоженной тяжелой составляющей. Далее тяжелые углеводороды, смешанные в смесителе 5 с теплоносителем, подаваемым насосом 3, поступают в реактор 6 для последующей перегонки.
На фиг. 2 представлены сравнительные результаты разделения на легкую часть и тяжелый остаток необработанной нефти и нефти, переработанной заявляемым способом, в процентном отношении легких фракций углеводородов ко всей массе. Переработке подвергалось тяжелое высоковязкое сырье с большим содержанием смол и асфальтенов.
пер
исх
Оценка качества переработанной нефти, произведенная по комплексному показателю качества (К) товарной нефти, рассчитанному на основе вышеприведенных данных по методике, изложенной в работе Дегтярева В.Н. «О Банке качества нефти», Нефтяное хозяйство, 1997, №3, с. 62-63 [3], показала повышение качества нефти в несколько раз. Комплексный показатель качества переработанной нефти составил К=0,455 при показателе исходной нефти К=2,92. Отклонение комплексного показателя качества от единицы в сторону уменьшения ведет к удешевлению ее переработки.
Заявленный способ может быть использован для переработки как легкой, так и тяжелой нефти и нефтепродуктов и позволяет за счет предварительной подготовки углеводородного потока существенно повысить качество готового продукта, а также интенсивность и энергетическую эффективность процесса переработки.