СПОСОБ КРЕКИНГА НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ ПУТЕМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ РАЗРЯДАМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
CRACKING METHOD OF OIL AND OIL PRODUCTS BY ACTION OF PULSE ELECTRIC DISCHARGES, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к способам крекинга нефти и нефтепродуктов и может использоваться в нефтеперерабатывающей промышленности.
Известны способы получения углеводородных газов (ацетилена, этилена, пропилена) из нефтяного сырья посредством воздействия на него импульсными электрическими разрядами [1, 2], возбуждаемыми между электродами генератором импульсов тока.
Основной недостаток этих способов - ограниченные функциональные возможности, не позволяющие получать жидкие фракции с температурой кипения ~70-350°C.
Известен способ снижения вязкости сырой нефти при перекачке путем разложения ее на более легкие фракции импульсными электрическими разрядами [3].
Устройство для осуществления предлагаемого способа снижения вязкости представляет собой трубу, через которую прокачивается нефть. В трубе размещаются электроды и генератор импульсов - конденсаторы, заряжаемые от внешнего источника постоянного тока напряжением 5 кВ.
Серьезным недостатком этого технического решения является малый ресурс электродов и конденсаторов. Это обусловлено высокой электрической прочностью нефти. Поэтому зазор между электродами должен быть весьма малым (~1 мм) и вследствие эрозии электродов он будет быстро увеличиваться, что будет приводить к отказам. Кроме того, при столь малых зазорах между электродами из-за малости электросопротивления разрядного промежутка разряд конденсаторов будет носить колебательный характер, что приведет к быстрому выходу конденсаторов из строя.
Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству является способ крекинга тяжелых фракций углеводородов на легкие фракции, выбранный в качестве прототипа [4]. Способ-прототип включает введение углеводородов и водородосодержащего газа в замкнутую камеру-реактор, смешение их с образованием гетерогенной среды, содержащей жидкую и газовую фазу, одновременное воздействие на среду импульсным электронным пучком, вызывающим ионизацию среды и обеспечивающим условия зажигания и поддержания разряда, и импульсным электрическим разрядом с амплитудами импульсов напряжения и тока соответственно 20 кВ и 0,75 кА, длительностью импульса 150 нс и частотой повторения импульсов 300 Гц, и дальнейшее разделение полученной смеси углеводородов по фракциям.
Устройство для осуществления этого способа состоит из следующих блоков: камеры-реактора, в которую подаются тяжелые фракции углеводородов и водородосодержащий газ, смесителя для приготовления гетерогенной смеси жидкость-газ, ускорителя электронов и системы введения электронного пучка в камеру-реактор, генератора импульсов тока, подсоединенного к электродам, расположенным в камере-реакторе, системы управления и синхронизации по времени ускорителя электронов и генератора импульсов тока, сепаратора, в который подается обработанная смесь углеводородов и отделяются легкие фракции.
Основным недостатком прототипа являются значительные трудности реализации требуемых эксплуатационных характеристик (надежности и ресурса), обусловленные применением сложных блоков: импульсного ускорителя электронов, узла введения электронного пучка в камеру-реактор, генератора импульсов тока с заявленными длительностью и частотой повторения, системы синхронизации по времени электронного ускорителя и генератора импульсов тока.
Предлагаемая группа изобретений - способ крекинга нефти и нефтепродуктов путем воздействия импульсными электрическими разрядами и устройство для его осуществления - решает задачу повышения эксплуатационных характеристик по надежности и ресурсу.
Поставленная задача решается путем вдува и впрыскивания в нефть и нефтепродукты водородосодержащего газа и воды в нефть и нефтепродукты и доведения их влагосодержания до 2-5%, смешения их с образованием гетерогенной среды, содержащей жидкую и газовую фазу, воздействия на гетерогенную среду импульсными электрическими разрядами с амплитудой импульса напряжения 25-40 кВ, амплитудой импульса тока 3-10 кА, длительностью импульсов 3-10 мкс и частотой следования импульсов 5-30 Гц, и сепарирования обработанной гетерогенной среды с выделением образовавшихся легких фракций. Устройство для осуществления этого способа включает смеситель с системой подачи водородосодержащего газа и системой впрыска воды для приготовления гетерогенной среды, камеру-реактор с электродами, генератор импульсов тока и сепаратор для отделения образовавшихся легких фракций нефти и нефтепродуктов. Генератор импульсов тока содержит зарядное устройство с регулируемыми выходными напряжением и током, емкостный накопитель и коммутирующий разрядник. Генератор импульсов тока обеспечивает амплитуду импульса напряжения 25-40 кВ, амплитуду импульса тока 3-10 кА, длительностью импульсов 3-10 мкс и частоту следования импульсов 5-30 Гц. Его режимы работы выбраны на основании экспериментальных исследований. Камера-реактор может быть выполнена в нескольких вариантах исполнения, описанных ниже.
Таким образом, задача крекинга тяжелых фракций нефти и нефтепродуктов на легкие фракции решается путем применения более простых и надежных операций по сравнению с используемыми в прототипе (введение электронного пучка в камеру-прототип и облучение смеси в камере-реакторе, формирование коротких импульсов тока, связанное с определенными усложнениями схемы генератора импульсов, синхронизации по времени ускорителя электронов и генератора импульсов тока). Именно благодаря этому обеспечивается надежность и ресурс устройства для осуществления предлагаемого способа и, как следствие, преимущество предлагаемого изобретения перед прототипом.
Группа изобретений иллюстрируется следующими графическими материалами.
На фиг.1 изображена блок-схема реализации предлагаемого способа и устройства для его осуществления.
На фиг.2, 3, 4 показаны конструкции камеры-реактора в виде трубы квадратного сечения, в виде усеченной пирамиды, в виде двух коаксиальных цилиндров.
На фиг.5 приведены результаты испытаний камеры-реактора, изображенной на фиг.2.
На фиг.6 приведены результаты испытаний камеры-реактора, изображенной на фиг.3.
На фиг.7 приведены результаты испытаний камеры-реактора, изображенной на фиг.4.
Устройство (фиг.1) содержит камеру-реактор 1 с электродами 2, 3, смеситель 4 для приготовления гетерогенной среды, систему подачи водородосодержащего газа 5 и систему впрыска воды 6, сепаратор 7 для отделения образовавшихся легких фракций и генератор импульсов тока, состоящий из зарядного устройства 8 с регулируемыми выходными напряжением и током, емкостного накопителя 9 и коммутирующего разрядника 10.
Устройство работает следующим образом. В смеситель 4 подают нефть и нефтепродукты, водородосодержащий газ и воду при помощи соответствующих систем 5 и 6, при этом влагосодержание нефти и нефтепродуктов доводят до 2-5%. Полученную гетерогенную смесь подают в камеру-реактор 1. Впрыск воды и подача водородосодержащего газа позволяют резко (в десятки раз) снизить электрическую прочность среды и обеспечить зажигание и поддержание электрического разряда между электродами 2, 3 в камере-реакторе 1. Разрядные импульсы формируются при помощи емкостного накопителя 9 и коммутирующего разрядника 10. Необходимый режим обработки нефти и нефтепродуктов импульсными разрядами обеспечивается регулировкой выходных напряжения и тока зарядного устройства 8. Обработанная гетерогенная смесь из камеры-реактора 1 поступает в сепаратор 7 для отделения легких фракций. В предлагаемом способе и устройстве для его осуществления основными воздействующими факторами на нефть и нефтепродукты являются термическое воздействие в зоне разряда, формирующаяся при импульсном разряде ударная волна и связанные с ней кавитационные процессы в камере-реакторе 1.
Камера-реактор 1 (фиг.2) выполнена в виде трубы квадратного сечения с последовательно расположенными в плоскости, проходящей через ось трубы перпендикулярно стенкам, парами электродов 2, 3 и с установленными вдоль трубы между парами электродов пластинами 11, на поверхности которых выполнены преграды 12 перпендикулярно этим поверхностям. При таком устройстве камеры-реактора 1 термический крекинг происходит не только вблизи электродов 2, 3, но и в зонах кавитации перед преградами 12 в результате взаимодействия ударной волны с преградами, вызывающего чередование волн разрежения и волн сжатия [5]. Схождение пластин 11 с преградами 12 способствует увеличению перепада давления на фронте ударной волны по мере удаления от электродов 2, 3.
Камера-реактор 1 (фиг.3) выполнена в виде усеченной пирамиды с расположенными на внутренних поверхностях ее граней и основания преградами 12 перпендикулярно этим поверхностям, а электроды 2, 3 установлены на оси симметрии камеры-реактора. В камере-реакторе 1 термический крекинг происходит не только вблизи электродов 2, 3, но и в зонах кавитации перед преградами 12 в результате взаимодействия ударной волны с преградами 12, вызывающего чередование волн разрежения и волн сжатия. Схождение граней камеры-реактора 1 способствует увеличению перепада давления на фронте ударной волны по мере удаления от электродов 2, 3.
Камера-реактор 1 (фиг.4) выполнена виде двух коаксиальных цилиндров 2, 3, являющихся одновременно электродами, а на внешней поверхности внутреннего цилиндра 3 нанесены круговые клинообразные канавки 13. В камере-реакторе 1 термический крекинг происходит не только в зоне разрядов, но и внутри клинообразных канавок 13, в которых при затекании в них ударной волны возникают процессы кавитации вследствие чередования волн разрежения и сжатия.
Работоспособность способа крекинга нефти и нефтепродуктов путем воздействия импульсными электрическими разрядами и устройства для его осуществления подтверждена испытаниями на тяжелой нефти и мазуте. Результаты испытаний камер-реакторов, изображенных на фиг.2-4, приведены на фиг.5-7 в виде кривых разгонки исходных и обработанных нефти и нефтепродуктов на стандартном аппарате АРН-2 в соответствии с ГОСТ 11011-85.
Группа изобретений подготовлена на основе результатов фундаментальных исследований, проведенных по гранту РФФИ №10-08-01236-а.
Источники информации
1. Андреев Д.Н. Органический синтез в электрических разрядах. М.: Изд-во АН СССР, 1953, 109 с.
2. Патент RU №2086605, кл. C10G 15/08, C10G 15/00, опублик. 1997.
3. Патент US №2005/0121366, кл. C10G 9/00, B01J 19/08, F17D 1/16, опублик. 2005.
4. Патент US №2010/0108492, кл. C10G 15/08, опублик. 2010.
5. Яковлев Ю.С. Гидродинамика взрыва. Л.: Судпромгиз, 1961, 316 с.