СПОСОБ ЭЛЕКТРОТЕРМОЛИЗА НЕФТЕПРОДУКТОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
OIL PRODUCT ELECTROTHERMOLYSIS METHOD, AND PLANT FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области нефтепереработки, в частности к способу переработки нефти и крекинга тяжелых нефтесодержащих фракций (мазута, отработанных моторных или смазочных масел, нефтешламов и т.п.) с использованием физических методов воздействия и установке для его осуществления.
Постоянно увеличивающийся спрос на моторные топлива требует дальнейшего углубления переработки нефти, разработки новых вторичных технологических процессов по переработке тяжелых вакуумных дистиллятов и остаточных фракций. Увеличение глубины переработки нефти позволяет получать более высокие выходы светлых нефтепродуктов.
Технология электротермолиза построена по безотходному технологическому циклу переработки с минимальной экологической нагрузкой на окружающую среду. Процесс электротермолиза по существу является жидкофазным термическим крекингом нефтепродуктов. В процессе электротермолиза глубина термической диссоциации углеводородов может контролироваться, в результате чего достигается практически полное отсутствие образования газовой фазы и коксовых отложений внутри технологического оборудования. Производительность установки, использующей электрический термолиз, может изменяться в широких пределах, от 10 до 100% загруженности по входному сырью. При переработке темных нефтепродуктов по предложенной технологии основная масса полученного нефтепродукта - дизельная фракция. В технологии электротермолиза огневые печи прямого нагрева сырья отсутствуют.
Известен способ переработки тяжелых нефтесодержащих фракций и установка для его осуществления (см. патент РФ №2215775), где термический крекинг ведут при атмосферном давлении и максимальной температуре 360°С.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе переработки тяжелых нефтесодержащих фракций, включающем подачу сырья, в зону обработки, обработку сырья ведут волновым воздействием спектра частот с последующим термическим крекингом продуктов воздействия и получением из парообразной фазы конечных продуктов, новым является то, что волновое воздействие осуществляют путем формирования широкого спектра частот от акустического до светового диапазона в обрабатываемой среде. Способ предполагает предварительную активацию процесса крекинга и дальнейшее ведение термического крекинга происходит в режиме первичной переработки нефти.
Однако известный способ обладает рядом недостатков (крекинг осуществляется в крекинговом котле, где управлять глубиной крекинга невозможно), вследствие чего в продуктах крекинга появляются крекинговые газы, что уменьшает выход светлых нефтепродуктов.
Известен способ электрохимического крекинга (см. патент РФ №2333932), который заключается в крекинге тяжелых нефтепродуктов под воздействием электрического тока при избыточном давлении 0,01-0.5 МПа и температуре 380-450°С, в присутствии сплавов металлов Аl, Сr, Ni, Fe, которые используют в виде отдельных проводников, установленных в зоне крекинга в контакте с сырьем, через которые пропускают электрический ток с напряжением 0,1-10 кВ и величиной тока от 100 до 10000 А.
Однако известный способ обладает рядом недостатков (образование коксовых отложений на электрических проводниках и внутри технологического оборудования), что делает предложенный способ электрохимического крекинга неэффективным при использовании в промышленном варианте.
Задачей предлагаемого изобретения является промышленное внедрение технологии электротермолиза, с целью увеличения выхода дистиллятных фракций нефтепродуктов с температурой кипения не выше 360°С и получения товарных продуктов нефтепереработки.
Технический результат достигается тем, что процесс электротермолиза осуществляют в проточном реакторе при избыточном давлении от 0,1 до 20 МПа и температурах от 300 до 420°С под воздействием электрического поля, создаваемого электрическим током величиной от 100 до 10000 А, при поддержании скорости потока сырья внутри реактора от 1 до 10 м/сек.
При переработке темных нефтепродуктов по предложенной технологии электрическая мощность расходуется на реакции термического крекинга.
При ведении процесса осуществляют контроль глубины термической диссоциации углеводородов со сведением к минимуму образования газов крекинга, с предотвращением образования коксовых отложений внутри реактора, без выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду.
Согласно изобретению установка электротермолиза нефтепродуктов содержит проточный реактор крекинга, нагрев стенок которого осуществляется с помощью электрического тока, при этом реактор выполнен в виде металлической трубы, через которую пропускают обрабатываемое сырье; герметичный сосуд, находящийся под избыточном давлением, в который помещен указанный реактор; циркуляционный контур с насосом подачи сырья; битумный насос для удаления кубового остатка, насос для подачи конденсата в сырьевую емкость; теплообменники для приема исходного сырья, паров нефтепродуктов и отвода конденсата в продуктовую емкость и электронные блоки управления для регулирования глубины крекинга.
Реактор крекинга представляет собой металлическую трубу длиной от 1 до 100 м, через которую пропускают обрабатываемое сырье. Нагрев стенок реактора происходит с помощью электрического тока с частотой от 0,05 до 1000 кГц по закону Джоуля-Ленца. Глубина крекинга регулируется температурой нагрева стенки реактора с помощью электронных блоков управления электрической мощностью. Для активации реакции крекинга внутри ректора скорость потока обрабатываемого нефтепродукта изменяется от 1 до 10 м/сек в зависимости от качества сырья. При нагреве нефтепродукта необходима гарантированная подача нефтепродуктов в реактор. При остановке подачи нефтепродукта термический крекинг значительно ускоряется, что неизбежно вызывает отложение кокса на внутренней поверхности реактора вплоть до полного перекрытия условного прохода.
В случае включении реактора на одну из фаз возникнет перекос по потребляемому току в электрических сетях. На нагрев реактора необходимо использовать электроэнергию со всех трех фаз. Электрическая схема подключения реактора крекинга для трехфазного тока показана на фиг.1, с подключением трехфазной нагрузки «звездой» с нулевым проводом на концах реактора. Для нагрева реактора крекинга подается электрический ток на клеммы А, В и С. Клеммы, на которые подается электрический ток, расположены посредине реактора, и выделяемая мощность на отрезках от клеммы до заземленных концов реактора одинакова.
Управление электрической мощностью осуществляется с помощью тиристорных блоков с фазоимпульсным управлением. Фазоимпульсное управление тиристорами позволяет плавно изменять эффективное напряжение и мощность на нагрузке. Тиристоры каждый сетевой полупериод открываются с регулируемой фазовой задержкой от 0 до 180 градусов. Тиристорные блоки управляются регуляторами температуры по транзисторному выходу (тип Т), по которому в цифровом виде передается заданная мощность.
Изобретение позволяет внедрить процесс электротермолиза в промышленном масштабе и довести глубину переработки нефти до 95% от поступающего нефтяного сырья.
Технологическими параметрами, влияющими на процесс протекания реакций электротермолиза, являются:
- температура стенки реактора;
- величина избыточного давления сырья внутри реактора;
- скорость потока сырья внутри реактора;
- время пребывания обрабатываемого сырья внутри реактора;
- напряженность электрического поля в реакторе:
- модульно-частотные характеристики силового источника электричества.
Увеличение температуры стенки реактора осуществляется увеличением электрической мощности, подаваемой на нагрев реактора. В результате увеличения температуры стенки реактора ускоряются скорости химических реакций крекинга и соответственно увеличивается выход легких фракций нефтепродуктов с температурой кипения не более 360°С. При рассмотрении реакций термического крекинга главной движущей силой процесса является температура. Поднятие температуры на десять градусов увеличивает скорость химической реакции деструктивного разложения молекул в два раза. Исходя из этого, реакции крекинга в принципе практически не идут при низких температурах. С поднятием температуры до определенного значения реакции крекинга становятся заметными, и эту температуру, как правило, называют температурой начала термического крекинга. Совершенно очевидно, что термический крекинг может происходить и с температурой меньшей, чем температура начала термического крекинга, но скорость реакции будет очень маленькой и изменения состава сырья возможно будет заметить через очень большой промежуток времени.
Избыточное давление сырья внутри реактора главным образом меняет кинетику процесса. Повышенное давление препятствует образованию паровой фазы и повышает растворимость перегретых паров в нефтепродукте, что значительно улучшает теплообмен между нагретой стенкой реактора и сырьем.
Скорость потока сырья внутри реактора влияет на теплообмен между нагретой стенкой реактора и сырьем. Интенсивное нагарообразование на поверхности нагрева наблюдается при температуре стенки выше 150°С. Эксплуатация реактора показывает, что при скоростях сырья 1-1,5 м/сек загрязнение их поверхностей меньше, чем при работе со скоростями ниже 1 м/сек. При скоростях сырья в реакторе около 3 м/сек загрязнение поверхности не только не увеличивается, но и снижается. Полученный эффект находит объяснение в вымывании коксовых отложений со стенок и эрозионном разрушении этих отложений механическими примесями, содержащимися в сырье.
Время пребывания сырья внутри реактора влияет на глубину химических реакций. Энергетически процессы переработки нефтепродуктов сосредоточенны в небольшом объеме реакторного пространства. Скорости прохождения химических реакций в реакторе велики, но время пребывания сырья в зоне реакции незначительно, поэтому длинные молекулярные цепочки углеводородов разрываются, а короткие не успевают вступить в реакцию крекинга. Термодинамика процесса в этом случае очень сложна для расчетов по причине того, что перерабатываемое сырье находится в активной зоне реакции, не достигнув равновесных значений.
Напряженность электрического поля в реакторе влияет на химические связи внутри молекул и ориентирует молекулы относительно стенки реактора. Происходит ослабление ковалентных связей в молекулах тяжелых нефтяных фракций за счет выталкивания электронов на внешние орбиты. При этом образующиеся радикалы в еще большей степени интенсифицируют процесс активации обрабатываемого сырья. А так как все указанные выше воздействия накладываются друг на друга, процесс ослабления межмолекулярных связей идет интенсивно, быстро, что снижает энергетические затраты.
Модульно-частотные характеристики силового источника электричества влияют на селективность химических процессов.
Для организации оптимального хода протекания химических реакций крекинга нефтяного сырья реактор электротермолиза монтируют внутри герметичного сосуда, работающего под избыточным давлением. Обработанное сырье из реактора попадает в герметичный сосуд, где выделяются пары нефтепродуктов из жидкой фазы. Пары нефтепродуктов удаляются из зоны реакции и осаждаются в конденсаторах теплообменниках. Конденсат из теплообменников конденсаторов может быть использован как судовое топливо или как сырье для дальнейшего получения автомобильных топлив. Кубовый остаток выводится из процесса электротермолиза в виде мазута или гудрона в зависимости от глубины переработки сырья.
Схема процесса электротермолиза иллюстрируется фиг.2, на которой нанесены следующие обозначения:
Е-1 - сырьевая емкость;
Е-2 - продуктовая емкость;
НГ-1 - насос сырьевой;
Т-1 - теплообменник конденсатор рекуперационный;
Т-2 - теплообменник рекуперационный;
Р-1 - реактор электрического термолиза;
НГ-2 - насос;
НГ-3 - насос;
НГ-4 - насос.
Установка, выполненная согласно изобретению, содержит реактор электротермолиза Р-1, помещенный в герметичный сосуд.
Исходное сырье поступает через теплообменники Т-1 и Т-2, нагреваясь до температуры не более 305°С. Исходное сырье попадает в циркуляционный контур обрабатываемого сырья, проходящего через реактор Р-1.
Реактор Р-1 изготовлен таким образом, чтобы равномерно загружать все три фазы с помощью тиристорных блоков с фазоимпульсным управлением ЭНС 1. Для этих целей в реакторе крекинга организовано три независимых реактора (контура) крекинга, в которых циркулирует перерабатываемое сырье с помощью насоса НГ-3, Каждый независимый реактор (контур) крекинга управляется в зависимости от показания температуры нагрева стенки реактора. Датчики температуры снимают показания со стенок реактора, и в зависимости от полученных значений температуры, регулируется подаваемая мощность с помощью тиристорных блоков с фазоимпульсным управлением ЭНС 1. При прохождении электрического тока через реактор крекинга возникает мощное электрическое поле, которое также оказывает свое влияние на процесс крекинга.
В результате переработки сырья в реакторе крекинга Р-1 получаются пары нефтепродуктов с температурой не выше 420°С и кубовый остаток с первоначальной температурой не выше 420°С. Из сосуда, где установлен реактор электротермолиза, отводятся пары нефтепродукта и кубовый остаток. Кубовый остаток удаляется из процесса с помощью битумного насоса НГ-4. Пары нефтепродукта подаются в теплообменник рекуперационный Т-2, где пары охлаждаются до температуры 360°С и из паров конденсируются высококипящие нефтепродукты с температурой кипения выше 360°С. Конденсат из теплообменника Т-2 с помощью насоса НГ-2 подается в сырьевую емкость для нагрева исходного сырья до температуры выше 40°С. Пары нефтепродукта с температурой не выше 360°С из теплообменника Т-2 подаются в теплообменник-конденсатор Т-1, где происходит конденсация нефтепродукта, и полученный конденсат подается в продуктовую емкость Е-2. В продуктовой емкости собирается широкая нефтяная фракция с температурой кипения не выше 360°С. По качеству нефтепродукт в продуктовой емкости соответствует судовым топливам.
Пример 1 - Перерабатываемое сырье - битуминозная нефть.
Характеристика исходного сырья:
Плотность при 20°С, кг/м<sup>3</sup>
940.7
Массовая доля воды в нефти после отделения свободной воды, %
3,4
Содержание хлористых солей после отделения свободной воды, мг/дм<sup>3</sup>
418,06
Массовая доля механических примесей, %
0,348
Массовая доля общей серы, %
0,425
Кинематическая вязкость при 20°С, мм<sup>2</sup>/с
649.7
Кинематическая вязкость при 50°С, мм<sup>2</sup>/с
97,0
Температура начала кипения (ПК), °С
243
Температура застывания, °С
минус 2
Температура вспышки в закрытом тигле, °С
139
Объемный выход фракций (по Энглеру), %:
до 240°С
0
до 260°С
3.3
до 280°С
8.6
до 300°С
13.5
до 320°С
25,9
до 340°С
35.6
до 350°С
42,1.
Перерабатываемое сырье было переработано с использованием реактора электротермолиза, выполненного в виде трубки диаметром 10 мм, с толщиной стенки 1 мм, длиной 10 м. Для нагрева реактора использовался электрический ток мощностью 15 кВт. Давление в реакторе поддерживалось с помощью игольчатого вентиля не более 0,5 МПа. Частота подаваемого тока соответствовала 50 Гц. Температура стенки реактора не превышала 420°С. Скорость потока внутри реактора поддерживалась от 2 до 3 м/сек. В результате стенки реактора оставались чистыми на протяжении всего эксперимента.
По результатам испытания технологии глубокой переработки битуминозной нефти с помощью электротермолиза выведен материальный баланс переработки, который представлен в таблице 1.
Таблица 1
Материальный баланс
N п/п
Вещества
Масса, кг
Доля, % в пересчете на нефть
Поступило:
1
Нефть битуминозная
300,5
100
Получено:
2
Дистиллят
270,75
90,1
3
Кубовый остаток (мазут)
29,45
9,8
4
Потери
0,3
0,1
ИТОГО:
300,5
100
Отобранная проба крекинговой дистиллятной фракции имеет темно-коричневый цвет, прозрачная. Плотность крекинговой дистиллятной фракции при 20°С составила 869 кг/м. Фракционная разгонка крекинговой дистиллятной фракции на аппарате АРМ-2 показана в таблице 2.
Таблица 2
Данные фракционной разгонки крекинговой дистиллятной фракции
Объем, мл
Температура паров, °С
НК
107
5
182
10
198
15
213
20
221
25
228
30
243
35
250
40
266
45
289
50
293
55
299
60
307
65
309
70
320
75
328
80
338
85
339
90
341
95
350
Химические свойства крекинговой дистиллятной фракции показаны в таблице 3.
Таблица 3
Данные химического анализа крекинговой дистиллятной фракции
№ п/п
Наименование показателей
Значение
1
Кислотность, мг КОТ на 100 см<sup>3</sup>
5,50
2
Массовая доля серы, %
0,27
3
Йодное число, г йода на 100 г топлива
4,69
4
Непредельные углеводороды, %
3,69
3
Кубовый остаток имеет черный цвет, непрозрачный. Плотность кубового остатка при 20°С составила 972 кг/м;
Химические свойства кубового остатка показаны в таблице 4.
Таблица 4
Данные химического анализа кубового остатка
№ п/п
Наименование показателей
Значение
1
Кинематическая вязкость при 80°С, мм<sup>2</sup>/с
99,06
2
Кинематическая вязкость при 100°С, мм<sup>2</sup>/с
54,43
3
Массовая доля серы, %
0,58
4
Механические примеси, %
0,79
5
Температура застывания, °С
минус 3
6
Содержание ВКЩ
отсутствие
7
Зольность, %
2,1