СПОСОБ КРЕКИНГА УГЛЕВОДОРОДОВ И ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR HYDROCARBON CRACKING AND PLASMA REACTOR FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к относится к нефтеперерабатывающей промышленности, в частности к способам и устройствам для переработки тяжелых нефтяных остатков в топливные дистилляты путем плазмохимического воздействия на углеводородное сырье, и предназначено, в основном, для получения моторных топлив.
Известно, что плазма некоторых электрических разрядов (импульсных, высокочастотных, сверхвысокочастотных, барьерных, тлеющих и др.) является каталитически активной, т.е. обладает каталитическими свойствами (С.А.Крапивина. Плазмохимические технологические процессы. - Л.: Химия. Ленинградское отделение, 1981, с.229-232; А.И.Барабицкий и др. Эффект плазменного катализа при разложении метана. // Химия высоких энергий. 1999, т.33, 6, с.49-56; А.И.Барабицкий и др. Плазменный катализ процессов конверсии углеводородов. // Химия высоких энергий. 1999, т.33, 6, с.458-462). В такой плазме температура (энергия) электронов значительно превосходит температуру (энергию) положительно и отрицательно заряженных ионов, нейтральных атомов и молекул. Под действием таких электронов происходит возбуждение и активация атомов и молекул исходного сырья, повышается их реакционная способность, что приводит к существенному росту скорости протекания плазмохимических реакций и выходу целевых продуктов.
Известен способ получения моторных топлив, заключающийся в том, что сырье подвергают плазмохимическому пиролизу (деструкции) в струе водородосодержащего глаза для получения плазмы (газа из молекул исходного продукта, часть из которых ионизирована). Затем газы пиролиза очищают от технического углерода и сероводорода, причем сероводород подвергают диссоциации в СВЧ-плазме для разложения на серу и водород. Из очищенных от углерода и сероводорода газов пиролиза синтезируют на катализаторе моторное топливо. Непрореагировавшие газы и водород, полученный после разложения сероводорода, возвращают на стадию пиролиза (RU 2129584, С10G 15/12, 27.04.1999). В известном способе пиролиз проводится под действием высоких температур плазмохимическим способом, т.е. до молекулярного и, частично, ионизированного уровня. Исходное сырье (природный газ и газовый конденсат, нефть и ее фракции, тяжелые нефтяные остатки, битумозные породы и природные битума) в плазмотроне по известному способу подвергают плазмохимическому пиролизу в струе водородосодержащего газа с температурой 4000÷10000 К и давлением 0,1÷1,0 МПа, что требует создания оборудования, способного функционировать в условиях высоких температур и существенных энергетических затрат.
-5
-3
Известен также способ плазмокаталитической утилизации нефтяных шламов, который включает плазменную обработку в присутствии катализаторов, причем плазменную обработку нефтяных шламов осуществляют в виде диспергированных горючих водотопливных композиций в условиях каталитически активной воздушной плазмы электрических разрядов при среднемассовой температуре 1500÷6000 К за 10÷10 с при содержании ультрадисперсных каталитически активных материалов 0,01÷1,0 мас.%, полученных в процессе плазмокаталитической утилизации нефтяных шламов. (RU 2218378, С10G 15/12, 10.12.2003). Плазмокаталитический реактор, предназначенный для реализации данного способа, содержит плазменный генератор, реакционную камеру, форсунку и патрубки ввода сырья и вывода продуктов, причем плазменный генератор, реакционная камера и дисковая форсунка расположены горизонтально на одной осевой линии, плазменный генератор и дисковая форсунка присоединены к реакционной камере с противоположных сторон, дисковая форсунка содержит приводной вал, на котором установлены внешняя камера с дисками-эмульгаторами и внутренняя камера, содержащая втулку с отверстиями и диск-диспергатор, соединенные между собой корпусом с расположенным на нем уплотнительным кольцом, а реакционная камера содержит кварцевую трубу и водоохлаждаемый корпус с расположенным на нем патрубком вывода продуктов утилизации. К достоинствам известного устройства относятся малые габариты, компактность и мобильность установки, высокая удельная производительность установки, низкие удельные затраты электроэнергии на утилизацию, получение дополнительной тепловой энергии от утилизации для технологических и бытовых потребностей, низкое содержание загрязняющих веществ в очищенных отходящих газах установки, отсутствие загрязняющих органических веществ в твердых продуктах утилизации, отсутствие сброса загрязненных вод. Однако данные известные решения также предполагают обработку углеводородов в условиях высокотемпературной плазмы.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к способу по настоящему изобретению является способ крекинга углеводородов, включающий термическую обработку в активной зоне исходного сырья путем плазмохимического воздействия высокочастотной плазмой на исходное сырье (RU 2227153, С10В 53/00, 20.04.2004). Термохимическую переработку органического вещества осуществляют при температуре 350÷700°С путем создания в потоке жидкости кольцевого плазменного разряда реактивной плазмы мощностью 0,05÷0,5 кВт·ч на 1 кг перерабатываемой органической жидкости, при этом вещество раскручивают в центрифуге, создавая интенсивный турбулентный поток и в объеме вращающегося потока формируют кольцевой реактивный плазменный разряд.
Недостатками данного способа являются:
- ограничение объема исходного сырья, подверженного воздействию кольцевого разряда реактивной плазмы, что предполагает создание сложной методики увеличения объема обрабатываемого сырья за счет создания вращающегося потока сырья, проходящего через кольцо плазмы посредством высокооборотной центрифуги;
- относительно высокие энергозатраты: до 0,6 кВт·ч на 1 кг перерабатываемой органической жидкости;
- высокая температура в активной (рабочей) зоне реактора (до 700°С), при которой реализуют обработку (термокрекинг) исходного сырья, ведет к опасности частичного закоксовывания стенок реактора, что также увеличивает энергозатраты;
- большая зависимость используемой плазмы от свойств перерабатываемого сырья, поскольку используемое устройство для генерирования высокочастотной плазмы представляет собой резонансный контур, содержащий элементы реактора и электрода, характеристики которого, в частности мощность высокочастотной плазмы, очень сильно зависят от электрических характеристик перерабатываемого сырья, что снижает стабильность параметров генерируемой плазмы и всего процесса переработки в целом;
- кроме того, время нахождения исходного сырья в камере переработки плазменного реактора достаточно велико, что необходимо для обеспечения необходимой глубины переработки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к настоящему изобретению в части устройства является плазменный реактор, содержащий камеру переработки, в которой установлен изолированный от корпуса камеры переработки электрод, соединенный с высокочастотным генератором, а другой электрод выполнен в виде корпуса камеры переработки (RU 2227153, С10В 53/00, 20.04.2004). Данное устройство предназначено для реализации способа наиболее близкого аналога, поэтому его недостатки приведены выше при указании недостатков известного способа.
Задачей настоящего изобретения является разработка и создание способа крекинга углеводородов и плазменного реактора для его осуществления, обладающих повышенными технико-экономическими показателями.
В результате решения данной задачи возможно получение технических результатов, заключающихся в том, что повышается производительность переработки исходного сырья, в том числе тяжелых углеводородов в моторные топлива, и увеличивается глубина переработки исходного сырья за счет обеспечения максимальной площади контакта плазмы с парогазовой фазой сырья, а также снижаются энергозатраты на единицу продукта.
-2
6
8
Данные технические результаты достигаются тем, что в способе крекинга тяжелых фракций нефти, включающем термическую обработку в активной зоне исходного сырья путем плазмохимического воздействия высокочастотной плазмой на исходное сырье, создают в объеме активной зоны высокочастотную плазму интенсивностью 0,05÷0,2 Вт·см при величине несущей частоты плазмы от 10 Гц до 10 Гц. При этом сырье до обработки в активной зоне подвергают предварительному подогреву.
-2
2
5
Для достижения заявленного технического результата предлагается способ крекинга тяжелых нефтяных остатков, включающий термическую обработку в активной зоне исходного сырья путем плазмохимического воздействия плазмой на исходное сырье. Отличительной особенностью данного крекинга является то, что создают в объеме активной зоны низкочастотную плазму интенсивностью 0,05÷0,2 Вт·см при величине несущей частоты плазмы от 10 Гц до 10 Гц. При этом сырье до обработки в активной зоне подвергают предварительному подогреву.
Дополнительно предлагается оба крекинга осуществлять при температуре в активной зоне от 360°С до 420°С, а высокочастотную плазму генерировать в импульсном режиме со скважностью импульсов от 1 до 100.
Для решения поставленной задачи предлагается плазменный реактор для крекинга тяжелых фракций нефти и тяжелых нефтяных остатков, содержащий камеру переработки, в которой установлен изолированный от корпуса камеры переработки электрод, соединенный с высокочастотным генератором, а другой электрод выполнен в виде корпуса камеры переработки. Отличительной особенностью предлагаемого реактора является то, что изолированный электрод установлен в средней части камеры, а камера переработки снабжена дополнительными электродами, выполненными в виде стержней, которые одними концами соединены с частью изолированного электрода, расположенной на уровне продольной оси камеры переработки. Причем другие концы дополнительных электродов распределены по объему камеры переработки так, что углы между осями любых двух дополнительных электродов составляют не менее 25 градусов. При этом камера переработки выполнена в виде цилиндра, где диаметр и длина цилиндра выбраны от 450 мм до 650 мм.
В частном случае дополнительные электроды могут иметь игольчатую форму.
В результате получена конструкция, по форме напоминающая одуванчик. Такое расположение дополнительных электродов в камере переработки (активной зоне) позволяет обеспечить полное заполнение ее плазмой. Предпочтительно, чтобы дополнительные электроды имели игольчатую форму, поскольку на конце каждой из игл имеет место локальное нарушение эквипотенциальности плазменного поля, т.е. именно в этих точках происходит стекание плазменного разряда на второй электрод - стенку корпуса камеры переработки, который также изолирован от дополнительных электродов. Кроме того, что камера переработки выполнена в виде цилиндра, диаметр и длина которого выбраны от 450 мм до 650 мм. Таким образом, устройство по настоящему изобретению позволяет обеспечить максимально развитую поверхность контакта парогазовой смеси сырья с полем высокочастотной плазмы.
На фиг.1 изображена общая схема плазменного реактора, на фиг.2 показан разрез А-А на фиг.1.
Крекинг углеводородов по настоящему изобретению осуществляют с помощью плазменного реактора. Плазменный реактор содержит камеру 1 переработки, в которой установлен изолированный от корпуса 2 камеры 1 переработки электрод 3, соединенный с высокочастотным генератором (не показан). Другой электрод выполнен в виде корпуса 2 камеры 1 переработки. Изолированный электрод 3 установлен в средней части камеры 1 ортогонально направлению потока исходного (обрабатываемого) сырья (на фиг.1 направление потока показано стрелкой). Камера 1 переработки снабжена дополнительными электродами 4, выполненными в виде стержней, которые одними концами соединены с частью изолированного электрода 3, расположенной на уровне продольной оси камеры 1 переработки. Другие концы дополнительных электродов 4 распределены по объему камеры 1 переработки так, что углы α между осями любых двух дополнительных электродов составляют не менее 25 градусов.
Наибольший эффект достигается при выполнении дополнительных электродов игольчатой формы. Камера 1 переработки может быть выполнена в виде цилиндра, диаметр D и длина L которого выбраны от 450 мм до 650 мм. Корпус 2 снабжен патрубками 5 входа-выхода, предназначенными для подачи в камеру 1 исходного сырья и выхода из нее полученного продукта. Патрубки 5 снабжены любыми известными затворными устройствами (не показаны).
6
8
-2
2
5
Функционирует плазменный реактор при осуществлении способа по настоящему изобретению следующим образом. Через входной патрубок 5 в камеру 1 переработки подают исходное сырье (например, тяжелые фракции нефти), предварительно подогретое до температуры 180÷200°С. В камере поддерживается температура 360÷420°С. За счет этого сырье переводится в гомогенную парогазовую фазу, в объеме которой и генерируется поле СВЧ-плазмы при величине несущей частоты от 10 Гц до 10 Гц и интенсивностью 0,05÷0,2 Вт·см. Электродная система в виде электрода 3 и дополнительных электродов 4 (см. фиг.1) обеспечивает стекание плазменного разряда на электрод 2 с минимальным градиентом интенсивности поля по всему объему камеры. Развитая поверхность парогазовой сырьевой смеси обеспечивает максимум взаимодействия с полем СВЧ плазмы (вплоть до молекулярного уровня). При использовании особо тяжелых нефтяных остатков (битумы, асфальтены, тяжелая ароматика) для достижения однородности смеси СВЧ плазма модулируется относительно низкочастотной составляющей (в диапазоне частот от 10 Гц до 10 Гц), которая возбуждает в сырье упругие механические колебания, эффективно гомогенизирующие ее парогазовую фазу.
Под воздействием поля СВЧ плазмы исходное сырье в объеме камеры подвергается низкотемпературному крекингу (а на молекулярном уровне возможен и пиролиз), в результате которого на выходе из камеры 1 образуется сложная углеводородная парогазовая смесь с высоким содержанием легких углеводородов.
Полученная многофракционная смесь легких углеводородов подается далее на систему разделения по фракциям любыми традиционными методами, например ректификации, термосорбции, абсорбции, вымораживания и др.
Максимальная глубина переработки сырья по настоящему изобретению достигает 74% (вес). Результаты использования настоящего изобретения приведены в таблице.
Таблица
Параметры
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Интенсивность ВЧ плазмы, Вт·см<sup>-2</sup>
0,05
0,12
0,2
Несущая частота, Гц
10<sup>6</sup>
4-10<sup>6</sup>
10<sup>8</sup>
Удельные энергозатраты, кВт·час на 1 кг сырья
0,034
0,087
0,27
Производительность, м<sup>3</sup>/час
0,3
0,3
0,3
Глубина переработки, %
63
70
74
Реализация настоящего изобретения не требует создания специальных технологий, средств и оснастки. Изготовление плазменного генератора может быть осуществлено на любом известном оборудовании, входящем в номенклатуру современного машиностроительного завода.