УСТАНОВКА И УСТРОЙСТВА УГЛУБЛЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

Область техники.
Полезная модель относится к нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической, а также к топливно-энергетической промышленности, а конкретно к области подготовки и глубокой переработки нефти, в том числе тяжелой, остатков нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, природных битумов, угля, сланца, продуктов растительного происхождения и других углеводородных сред, твердых, жидких, газообразных, в дальнейшем сырье, и может быть использовано в производстве углеводородного топлива, нефтехимической и химической продукции. Кроме того, применение полезной модели позволяет решать многие экологические проблемы и приводит к улучшению экологической обстановки. Под подготовкой и глубокой переработкой нефти, нефтяных остатков и другого сырья понимается не только удаление вредных примесей из сырья, но и, самое главное, увеличение количества светлых целевых продуктов выше их потенциального содержания в исходном сырье, что позволяет в дальнейшем существенно увеличить глубину переработки и рентабельность всего перерабатывающего производства. Под светлыми целевыми продуктами или фракциями понимаются фракции для дальнейшей переработки и получения легких целевых товарных продуктов с температурой конца кипения преимущественно до 350-360°С, содержащие топливные, т.е. наиболее дорогие газовые, бензиновые, керосиновые и дизельные фракции, а также продукты для нефтехимических и химических производств (бензол, толуол и др.). В дальнейшем - легкие целевые фракции или продукты, из которых при окончательной переработке получают легкие целевые товарные продукты (сжиженный газ, гостированные бензин, дизельное топливо, продукты нефтехимии и др.). Тяжелые товарные продукты - кокс, битум, битумные эмульсии, покрытия, масла и другие товарные продукты.
Предшествующий уровень техники.
Технологические схемы переработки нефти имеют несколько вариантов. Существует полный технологический цикл, включающий в себя следующие основные производства: производство топлив, производство нефтехимической продукции, производство смазочных и специальных масел, производство присадок. Возможны специализированные варианты технологических схем: только топливная или только топливно-масляная (Дехтерман А.Ш. Переработка нефти по топливному варианту. М., "Химия", 1988, с.13). Во всех вариантах в начале технологического процесса используются аппараты для предварительного испарения нефти. Предварительное испарение газа и основной массы бензина позволяет снизить давление на входе сырьевого насоса, разгрузить печь от нагрева легких фракций, снизить скорость паров и уменьшить диаметр основной ректификационной колонны. На крупных нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) для этой цели используют ректификационные колонные аппараты.
Первичная перегонка нефти на НПЗ осуществляется двумя способами: однократным испарением в одной ректификационной колонне и с предварительным испарением легких фракций, или двукратным испарением (Багиров И.Т. Высокопроизводительные атмосферные и атмосферно-вакуумные установки. М., "Химия", 1964, с.5; Дехтерман А.Ш. Переработка нефти по топливному варианту. М., "Химия", 1988, с.41). Последний способ применяют наиболее часто, так как он позволяет увеличить глубину отбора дистиллятов в пределах их потенциального содержания в сырье. Кратко рассмотрим последовательность операций первичной перегонки, осуществляемой по классической схеме.
Перед подачей нефти на разделение требуется ее подготовка. Подготовка нефти осуществляется в блоках ЭЛОУ (электро-обезвоживающая и обессоливающая установка). Оборудование сложное в изготовлении и эксплуатации, взрывоопасное (Дехтерман А.Ш. Переработка нефти по топливному варианту. М., "Химия", 1988, с.36).
Для разделения углеводородного сырья (в том числе и нефти) его нагревают. На предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности эту операцию производят путем подвода тепла через разделяющую стенку (змеевик) за счет сжигания топлива. Для этой цели используют различные трубчатые печи (Ентус Н.Р., Шарихин В.В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М., "Химия", 1987, с.6, и др.). В них нагревают жидкие и газообразные углеводороды. При этом могут происходить следующие процессы: нагрев, испарение, перегрев. Нагреваемое углеводородное сырье проходит по змеевикам. Теплопередача к сырью происходит, как отмечалось, через его стенку. Существует ограничение по теплонапряженности поверхности нагрева. Отложения солей или кокса на стенках змеевика является причиной быстрого повышения температуры стенок труб, что, в конечном итоге, приводит к резкому сокращению срока службы печных труб. Поэтому для сырья, содержащего смолистые соединения, теплонапряженность устанавливают невысокой. Снижение запасов нефти традиционных месторождений повышает интерес к добыче и, соответственно, переработке тяжелой нефти (Ратов А.Н., Немировская Г.Б. и др. Проблемы освоения нефтей Ульяновской области. "Химия и технология топлив и масел", №4, 1995 г). Поэтому использование трубчатых нагревателей для такой нефти становится проблематичным. Кроме того, для змеевиков требуется использование высоколегированной, дорогостоящей стали. В целом, трубчатая печь относится к сложному и дорогостоящему оборудованию, имеющему ограниченный ресурс.
Разделение нефти на фракции основано на различии температуры кипения ее компонентов. Низкокипящая часть переходит в паровую фазу и, после конденсации, образует дистиллят. Для четкого разделения смеси используют атмосферную или вакуумную ректификацию (Дехтерман А.Ш. Переработка нефти по топливному варианту. М., "Химия", 1988, с.26). Ректификационные аппараты относятся к достаточно технологически и конструкционно-отработанному оборудованию. Тем не менее - это сложное оборудование. Используемые на крупных НПЗ колонные ректификационные аппараты достаточно дороги в изготовлении и эксплуатации. Поэтому, на стадии предварительного разделения нефти, целесообразно использовать более простые аппараты, например испарители (Дехтерман А.Ш. Переработка нефти по топливному варианту. М., "Химия", 1988, с.23). Испаритель представляет собой цилиндрический емкостной аппарат. В нижней части его корпуса расположен встроенный трубчатый теплообменник. Во внутрь трубок теплообменника подают теплоноситель для нагрева продукта (нефти). Обычно в качестве теплоносителя используют водяной пар. Легкая часть нефти (бензиновая фракция) испаряется и отводится через верхний штуцер. Остаток нефти переливается через сливную пластину и выводится через соответствующий штуцер. Количество испарившейся части нефти зависит от температуры в аппарате, то есть от поверхности теплообменника и температуры теплоносителя. Поверхность теплообменника во время работы покрывается отложениями из нефти и условия теплообмена значительно ухудшаются. Этот процесс значительно ускоряется при повышении температуры теплоносителя. Поэтому аппараты такого типа имеют ограничения с точки зрения интенсификации процесса разделения и испарения части жидкого углеводородного сырья. Температура проведения процесса составляет 200-230°С. Этой температуре соответствует определенная испаряемая часть нефти (сырья). В данной полезной модели это аппарат используется как прототип аппарата испарения и разделения.
Однако такая переработка нефти и нефтепродуктов не позволяет решить проблему глубокой переработки нефтесодержащих фракций с целью максимального извлечения и эффективного использования полученных продуктов переработки (выше их потенциального содержания в сырье), а без глубокой переработки перерабатывающие производства практически нерентабельны.
Для переработки тяжелых нефтесодержащих фракций с целью получения дополнительного количества светлых нефтепродуктов широко известен способ каталитического крекинга нефтепродуктов - способ термического разложения тяжелых нефтяных фракций в присутствии катализатора (см. Рудин М.Г., Драбкин А.Е. Краткий справочник нефтепереработчика. Л.: Химия. 1980, с.70-73). Способ включает нагревание исходного сырья до температуры 470-550°С, смешивание его с водяным паром, а затем с катализатором, обработку смеси в реакторе с последующим каталитическим разложением сырья и разделением его на фракции, а также выделение и регенерацию катализатора при температуре 590-670°С.
Однако известный способ является дорогим и сложным для реализации.
Известна установка для осуществления каталитического крекинга нефтепродуктов, которая содержит сообщенные между собой устройство для обработки исходного сырья, устройство для выделения конечных продуктов, сообщенное в свою очередь с устройством для охлаждения и конденсации конечного продукта, сообщенное с устройством для сепарации углеводородных газов (см. Рудин М.Г., Драбкин А.Е. Краткий справочник нефтепереработчика. Л.: Химия. 1980, с.70-73).
Указанная установка очень громоздка, сложна в обслуживании и не позволяет интенсифицировать химико-технологические процессы с перерабатываемым сырьем.
Известны способы переработки тяжелых нефтесодержащих фракций с использованием, наряду с термическими и каталитическими, физических методов воздействия для активирования перерабатываемого сырья.
Известен способ переработки путем последовательного извлечения фракций из углеводородного сырья с использованием электромагнитной энергии частотой 300 МГц-300 ГГц (US, патент 5055180, кл. С10G 1/00, 1991 г.).
Недостатком способа является невозможность более полного использования сырья в процессе переработки из-за зависимости от напряженности электромагнитного поля.
Известны способы переработки нефтепродуктов путем воздействия на последние ионизирующим излучением (потоком нейтронов или Y-излучением) с последующим каталитическим крекингом продуктов воздействия (см., например, патент РФ 2100404, кл. С10G 15/10, 1995).
Однако применение способа затруднено в промышленном производстве из-за сложности, трудностей управлением процессом. К тому же способ небезопасен при использовании.
Известны способы переработки тяжелых нефтесодержащих фракций с использованием волнового воздействия широкого спектра частот.
2
В известном способе переработки мазута путем вакуумной ректификации с получением дистиллятных фракций на жидкую фазу кубового остатка воздействуют акустическими колебаниями частотой 0,1-200 КГц и мощностью 0,2-3 Вт/см при остаточном давлении 20-200 мм рт.ст. (см. авт. св. СССР 1377281, кл. С10G 7/06, 1988 г.).
Однако известный способ характеризуется высокими энергетическими затратами на создание глубокого вакуума, и применение только акустического диапазона частот не обеспечивает надежного разрушения высоковязких сред, требуется длительный промежуток времени для переработки мазута. Кроме того, этот способ предназначен для переработки только мазута и не позволяет вести переработку, например, отработанных моторных или смазочных масел.
2
Известен также способ крекинга нефтепродуктов с использованием ультразвукового спектра частот. Согласно этому способу, сырье (нефтесодержащий продукт) и диспергирующее вещество подают в зону обработки, ультразвуковую обработку ведут с интенсивностью излучения 1-10 МВт/м в замкнутом циркуляционном контуре при статическом давлении в диапазоне от 0,2 до 5 МПа, и осуществляют последующее разделение обработанного сырья на жидкую и парообразные фазы и получение из парообразной фазы конечного продукта (см. патент РФ 2078116, С10G 15/00, 1995 г.).
Хотя данный способ позволяет увеличить выход светлых нефтепродуктов, однако он не позволяет контролировать процесс получения конечных продуктов по причине замкнутого цикла и имеет целый ряд технологических недостатков: ведется при высоких температурах и давлениях, сложен при реализации, энергоемок.
Установка для осуществления указанного способа крекинга нефтепродуктов содержит сообщенные между собой устройство для обработки сырья, являющееся одновременно ультразвуковым генератором, разделительную камеру для разделения отработанного сырья и приспособление для конденсации парообразной фазы. Устройство для обработки сырья представляет собой корпус, в котором образованы сообщенные между собой камеры, в каждой из которых установлен ротор, закрепленный на приводном валу, и статор. Последняя камера сообщена с первой, образуя замкнутый контур. За последней камерой размещена разделительная камера, имеющая канал для отвода образовавшейся парообразной фазы на конденсацию в холодильную камеру. Излучателем ультразвуковых частот служат механические узлы системы (ротор, статор, подшипники).
2
Недостатком данной установки является использование сложной механической системы (ротор, статор, подшипники) в работе установки, что резко снижает ее надежность. Кроме того, использование механических узлов в качестве излучателей с интенсивностью более 100 кВт/м приводит к интенсивному разрушению их поверхности за счет возникновения кавитационных процессов.
Вследствие указанных недостатков способы прямого физического воздействия, например волнового различной природы, не нашли применения и в промышленности не используются. Кроме того, способы прямого физического воздействия неоправданно энергетически затратны, т.к. перевод тепловой энергии в волновую имеет очень низкий коэффициент полезного действия и для активации колебательных уровней молекул необходимо во много раз больше энергии, чем при достижении такого же эффекта при прямом нагреве.
Известен способ термической переработки тяжелых нефтесодержащих фракций, включающий термический крекинг тяжелых нефтесодержащих фракций на фазы и получение из парообразной фазы конечных продуктов, отличающийся тем, что перед термическим крекингом исходное сырье предварительно в отдельной зоне обработки подвергают волновому воздействию путем формирования в обрабатываемой среде широкого спектра частот от акустического до светового диапазона, после чего продукты воздействия подают на термический крекинг, который осуществляют в режиме первичной переработки нефти при атмосферном давлении и максимальной температуре нагрева 360°С (патент Российской Федерации RU 2215775).
Недостатком данного способа является то, что для возбуждения колебательных уровней молекул и их активации для дальнейшего крекинга необходимо внести в обрабатываемую среду определенное количество энергии. При термическом или каталитическом способе необходимая энергия вносится за счет прямого нагрева сырья. Далее сырье, например в каталитическом крекинге, подается на катализаторы, которые снижают энергию активации разрыва молекулярных связей и способствуют проведению процесса крекинга. В данном же способе энергия активации молекул вводится в среду за счет «формирования в обрабатываемой среде широкого спектра частот от акустического до светового диапазона». Учитывая то, что при активации сырья прямым нагревом тепло непосредственно используется для возбуждения колебательных уровней молекул, а для активации тех же молекул волновым воздействием необходимо сначала тепло (энергию) потратить на создание волнового воздействия, а этот процесс имеет очень низкий к.п.д., то энергетические затраты при реализации данного способа становятся неоправданно высокими. Т.е. для существенного возбуждения колебательных уровней молекул (а это эквивалентно нагреву сырья на сотни градусов) в данном способе необходимо использовать гораздо больше энергии, чем при прямом тепловом нагреве. При этом для предварительной обработки сырья требуется большое время, процесс периодический, что является большим препятствием при промышленном внедрении данного способа.
Известны устройства для акустической обработки жидкости (патент SU 410823 «Гидродинамический излучатель вихревого типа», патент SU 546389 «Устройство для ультразвуковой обработки»). Однако они не дают эффекта увеличения глубины переработки, т.е. крекинга, основное применение - создание эмульсий.
Известны устройства акустической и кавитационной обработки, в которых обработка осуществляется за счет движения ротора, диска - роторно-пульсационные аппараты (патент RU 2115176 «Генератор кавитации», патент RU 2111554 «Генератор ультразвуковых колебаний»). В этих аппаратах акустическая и кавитационная обработка жидкости происходит в тонких слоях, непосредственно прилегающих к движущемуся ротору или диску, а не во всем объеме, поэтому обработка жидкости в таких аппаратах дает небольшое, в пределах ошибки измерений, увеличение глубины переработки и в промышленности не нашло широкого применения для целей крекинга углеводородного сырья. В основном, такие аппараты применяются для эмульгирования жидких сред. Из-за того, что в устройствах присутствуют движущиеся части, ресурс работы таких аппаратов недостаточен.
Наиболее близким аналогом (прототипом) для заявляемого устройства является устройство по патенту RU 2164629 «Способ кавитации потока жидкости и устройство для его осуществления». Способ кавитации является гидродинамическим. Процесс происходит за счет того, что в поток обрабатываемой жидкости помещен кавитатор в виде рабочего тела различной формы, причем площадь максимального поперечного сечения рабочего тела в плоскости, перпендикулярной оси трубопровода, составляет более 0,8 проходного сечения трубопровода, но не равна ему. Известно, что кавитация возникает при обтекании плохообтекаемого тела, в тыловой части которого возникает зона пониженного давления. При некоторой критической скорости потока, давление в тыловой зоне снижается до атмосферного, в результате чего здесь образуются пузырьки, заполненные газом или паром, а затем каверна. При отрыве пузырьков или каверн от кавитатора они попадают в область повышенного давления потока и охлопываются, совершая при этом определенную работу, которую можно использовать как полезную, например для интенсификации химических и других процессов. Т.к. рабочее тело (кавитатор) занимает более 0,8 проходного сечения трубопровода, то процесс кавитации происходит только в этой зоне, составляющей не более 20% от всего объема обрабатываемой жидкости, что не позволяет провести термомеханический крекинг всего объема сырья. Кроме того, кавитатор не закреплен жестко, а изменяет свое положение под воздействием движущего потока. Обтекаемое тело всегда стремится занять такое положение, при котором гидродинамическое сопротивление будет минимально, т.е. такое положение, при котором обтекание этого тела потоком жидкости будет наилучшим для данных условий движения среды. Это приведет к еще большему уменьшению зоны кавитации и уменьшению кавитационного и акустического воздействия на сырье.
Как уже говорилось, наиболее известными и широко применяемыми процессами глубокой переработки являются каталитические - каталитический крекинг, гидрокрекинг и др. (Суханов В.П. Каталитические прцессы в нефтепереработке. М., «Химия», 1973. Прокопюк С.Г., Масагутов P.M. Промышленные установки каталитического крекинга. М., «Химия», 1974.) К серьезным недостаткам таких процессов можно отнести следующие: высокие давления (до 15 МПа) и температуры нагрева сырья (450-550°С и выше) приводят к серьезному увеличению капитальных затрат, отравление катализаторов и необходимость их регенерации к очень большим текущим эксплуатационным затратам. Достаточно сказать, что из-за высокой стоимости таких процессов большинство Российских НПЗ не имеют возможности их реализовать.
Термический крекинг известен очень давно (Смидович Е.В. Технология переработки нефти и газа. Ч.2. М., «Химия», 1968. Пархоменко В.Е. Технология переработки нефти и газа. М., Гостоптехиздат, 1959.). К недостаткам термического крекинга относятся следующие. При нагревании сырья с ростом температуры количество разрывов связей медленно и плавно увеличивается, но при достижении критической температуры (зависит от свойств и состава исходного сырья) это количество резко увеличивается, процесс разрыва связей проходит лавинообразно, неуправляемо. Это приводит к коксованию оборудования и снижению межремонтного пробега, процесс периодический. В продуктах термического крекинга много газов, непредельных углеводородов, что увеличивает требования к дальнейшему оборудованию при получении товарных продуктов - бензина, дизельного топлива и др., что, в конечном итоге, приводит к увеличению капитальных и текущих затрат. Поэтому в последнее время процессы термического крекинга, особенно по топливному варианту, применяются редко. Высокие температуры нагрева сырья (470-550°С и выше) и давления (до 7 МПа) также приводят к большим капитальным затратам, а коксование оборудования и небольшой межремонтный пробег оборудования - к увеличению эксплуатационных затрат. Наиболее близким аналогом (прототипом) для схемы углубленной переработки по предлагаемой полезной модели является термический крекинг.
Раскрытие изобретения.
Технический результат применения полезной модели - увеличение выхода легких целевых продуктов и увеличение глубины промышленной переработки сырья, упрощение и удешевление процесса и оборудования для подготовки и глубокой переработки сырья, снижение эксплуатационных и капитальных затрат при высокой глубине дальнейшей переработки, экономия и рациональное использование углеводородного сырья.
Целью изобретения является увеличение выхода легких светлых фракций (бензиновых, керосиновых и дизельных, продуктов нефтехимии) выше их потенциального содержания в сырье и увеличение глубины переработки, что приводит к оптимальному и рациональному использованию сырьевых ресурсов при их дальнейшей переработке, снижение эксплуатационных и капитальных затрат, простота и надежность конструкции оборудования, простота и надежность управления и регулировки процессом термомеханического крекинга, уменьшение коксования и увеличение межремонтного пробега оборудования, непрерывность процесса, улучшение качества продуктов термомеханического крекинга для дальнейшей переработки по сравнению с термическим крекингом, уменьшение содержания вредных примесей, решение экологических проблем. Основная цель - увеличение глубины переработки любого углеводородного сырья, что приводит в конечном итоге к увеличению рентабельности всего перерабатывающего производства.
Поставленная цель достигается тем, что в установку подготовки и переработки жидкого углеводородного сырья, включающую подготовку (предварительную очистку от воды и вредных примесей), подачу и нагрев сырья, разделение сырья на фракции, отвод продуктов разделения, встроен аппарат разделения, в котором углеводородную смесь разделяют на две части - легкую часть разделения (низкокипящие фракции НКФ) и тяжелую высокомолекулярную часть разделения (высококипящие фракции ВКФ). Сырье предварительно нагревают в рекуперативных теплообменниках для оптимизации энергетических затрат за счет тепла одного или всех продуктов разделения (НКФ и ВКФ). Если тепло продуктов разделения или товарных продуктов используется для других целей (зависит от поставленной задачи), то сырье предварительно подогревают в отдельной или общей (но в отдельном от нагрева ВКФ змеевике) с нагревом ВКФ печи нагрева (нагревателе) до температуры выше 20÷50°С для снижения вязкости и увеличения текучести сырья, особенно тяжелого и высоковязкого. Сырье обычно нагревают до температуры не выше 450°С, чтобы не началось коксование нагревательного оборудования, хотя в отдельных случаях (зависит от состава сырья) температура нагрева сырья может быть и больше. Одновременно с нагревом, сырье может подвергаться и термическому крекингу. Тяжелую высокомолекулярную жидкую часть разделения (высококипящие фракции ВКФ), получаемую после аппарата разделения, нагревают в печи нагрева (нагревателе) отдельно от сырья до температуры выше 300°С или нагревают и подвергают термическому крекингу. Обычно нагрев жидкой части разделения за один проход по змеевику печи или нагревателя не превышает 250°С, но может быть и более, а массовая доля ВКФ, подвергшихся термическому крекингу в печи нагрева или нагревателе, не превышает 50%, чтобы предотвратить интенсивное образование отложений кокса на поверхностях змеевиков нагревателей. Предпочтительно, чтобы скорость ВКФ в змеевике печи (нагревателе) должна быть выше 1 м/с (оптимально 3-10 м/с), что позволяет существенно уменьшить или даже избежать коксования змеевика (канала нагрева ВКФ). Затем сырье и нагретые ВКФ направляют в устройство прямого смешивания, в котором окончательно нагревают сырье, причем нагревают до определенной подкритичной температуры, которая ниже температуры начала лавинообразного неуправляемого термического крекинга, но не более, чем на 300°С (в зависимости от состава и свойств исходного сырья), т.е. нагревают так, чтобы неуправляемый термический крекинг еще не начался. Непосредственный контакт ВКФ, нагретого до высокой температуры (например до 400°С и выше, в зависимости от условий проведения процесса), и более холодной нефти или другого жидкого углеводородного сырья (например, при температуре 200°С) приводит к взрывному характеру нагрева сырья, возникновению колебаний и локальных зон кавитации, что в свою очередь инициирует термомеханический крекинг тяжелых молекул сырья и ВКФ уже в устройстве смешивания. Затем смесь сырья и ВКФ направляют в устройство термомеханического крекинга, в котором смесь для инициирования управляемого процесса разрыва связей молекул (термомеханического крекинга) подвергают механическому и волновому воздействию различной природы и широкого спектра частот, например кавитационному воздействию, звуковым, ультразвуковым колебаниям, причем для кавитационной обработки нагретого до подкритичной температуры сырья и наложения акустического воздействия используют такие устройства, действие которых основано на гидродинамических эффектах движения многофазных сред со скоростями более 5 м/с по каналам различной формы. Конкретное значение скорости выбирают опытным путем по результатам анализа продуктов разделения (НКФ и ВКФ). Обработанную в устройстве термомеханического крекинга смесь направляют в аппарат разделения, в котором обработанную смесь сырья и тяжелой высокомолекулярной жидкой части разделения (высококипящих фракций ВКФ) разделяют на легкую парогазовую часть (низкокипящие фракции НКФ) и тяжелую жидкую часть разделения (высококипящие фракции ВКФ). Для увеличения межфазной поверхности разделяющихся сред и более эффективного и быстрого их разделения, смесь сырья и ВКФ распыляют (диспергируют) в аппарат разделения с понижением давления. Тяжелую жидкую часть разделения (высококипящие фракции ВКФ) после аппарата разделения, преимущественно с температурой начала кипения выше 350-360°С, частично направляют в блок получения тяжелых товарных продуктов (типа кокса, битума, битумных эмульсий, покрытий, масел и др.) на месте подготовки и переработки сырья по данной полезной модели или охлаждают и транспортируют к удаленному месту получения тяжелых товарных продуктов. Частично возвращают на повторную обработку по данной полезной модели в начало процесса для увеличения выхода легких продуктов и глубины переработки, причем возвращаемая часть ВКФ циркулирует по замкнутому контуру - аппарат разделения, печь нагрева (нагреватель), аппарат разделения, соотношение расходов циркулирующих ВКФ и сырья находится в диапазоне 1÷100. Легкую парогазовую часть (НКФ), в которой содержатся и легкие фракции исходного сырья, и легкие фракции продуктов термического крекинга ВКФ и термомеханического крекинга смеси сырья и ВКФ, направляют в устройство сепарации (фильтрации, каплеотделения, ректификации), причем температура в устройстве сепарации соответствует максимальной температуре конца кипения фракций легких целевых товарных продуктов, например 350-360°С для дизельной фракции. Эта граничная температура может быть изменена в зависимости от поставленной задачи и требований к получаемым продуктам. После устройства сепарации легкие фракции реакции, преимущественно с температурой конца кипения до 350-360°С, направляют в блок получения легких товарных продуктов (типа сжиженного газа, бензина, керосина, дизельного топлива, продуктов нефтехимии и др.) на месте подготовки и переработки сырья по данной полезной модели, или после охлаждения и конденсации транспортируют к удаленному месту получения легких товарных продуктов. Фильтрат после сепаратора для получения дополнительного количества легких целевых продуктов возвращают на повторную обработку в начало процесса вместе с циркулирующей частью ВКФ. Устройства смешивания сырья и ВКФ, волновой и механической обработки смеси, диспергирования (распыления), а также сепарации парогазовой части разделения НКФ встроены в аппарат разделения смеси на жидкую (ВКФ) и парогазовую (НКФ) части, а качество продуктов разделения и их соотношение в зависимости от свойств исходного сырья регулируются температурой и давлением циркулирующей ВКФ на выходе печи (нагревателя) и сырья, температурой и давлением смеси в аппарате разделения, температурой НКФ в сепараторе, расходами сырья, циркулирующей жидкой части ВКФ и их соотношением, а также скоростями сырья, циркулирующей жидкой части ВКФ и их смеси в устройствах смешивания, обработки, диспергирования (распыления). Регулировку скоростей сырья, циркулирующей жидкой части ВКФ и их смеси в устройствах смешивания и обработки можно осуществлять за счет изменения механических параметров конструкции этих устройств. Уровень раздела парогазовой фазы НКФ и жидкой фазы ВКФ в аппарате разделения поддерживают при заданных значениях вышеперечисленных технологических параметров значением расхода ВКФ, направляемых на получение тяжелых товарных продуктов, а количество встроенных в аппарат устройств смешивания сырья и ВКФ, обработки и диспергирования (распыления) смеси может быть больше одного каждого типа и зависит от производительности перерабатывающего производства. Довольно эффективно в качестве аппарата разделения использовать ректификационную колонну, при этом тяжелой высокомолекулярной жидкой частью разделения (высококипящие фракций ВКФ) является кубовый остаток, а сумма всех остальных легких фракций после колонны - низкокипящие фракции НКФ.
Возможно использование в качестве устройств обработки сырья, ВКФ и их смеси роторно-пульсационных аппараты (РПА), устройств светового, радиоактивного облучения, воздействия звуком и ультразвуком от внешних источников различного типа (пьезоизлучатели, магнитоизлучатели и др.), с помощью реагентов и катализаторов.
Обе части разделения (НКФ и ВКФ) можно направлять в устройство смешивания для получения синтетической нефти с повышенным потенциальным содержанием светлых топливных продуктов и значительно меньшей плотностью и вязкостью в сравнении с исходным сырьем, которую затем направляют для дальнейшей углубленной переработки, причем устройство смешивания ВКФ и НКФ может быть встроено в аппарат разделения. После блока получения тяжелых товарных продуктов (кокса, битума, битумных эмульсий, покрытий, масел и др.) обычно получается и легкий отгон, который возвращают в начало процесса на повторную обработку вместе с сырьем для получения дополнительного количества легких целевых продуктов. Кубовый (тяжелый) остаток после блока получения легких товарных продуктов (типа сжиженного газа, бензина, керосина, дизельного топлива, продуктов нефтехимии и др.), например, это кубовый остаток после ректификационной колонны, возвращают в начало процесса на повторную обработку вместе с сырьем для получения дополнительного количества легких целевых продуктов. В зависимости от поставленной задачи и сырье предварительно можно нагревать в рекуперативных теплообменниках за счет тепла товарных продуктов. При проведении процесса крекинга могут образовываться частицы кокса, другие механические примеси, попадание которых нежелательно в циркулирующие ВКФ и далее в насос и нагреватель, поэтому в контур циркуляции части ВКФ встроено устройство очистки ВКФ от вредных примесей, механических примесей и частиц кокса. Вместе с жидким углеводородным сырьем на углубленную переработку можно направлять и газообразные углеводороды, которые также являются углеводородным сырьем, например попутный или природный газ, газовые фракции, получаемые в процессе нефтепереработки, в частности по данной полезной модели, и твердые углеводороды в виде мелкодисперсного порошка. Некоторый положительный эффект дает и то, что механической и волновой обработке подвергают исходное сырье и/или циркулирующие высококипящие фракции ВКФ перед устройством смешивания.
Непосредственно аппарат разделения углеводородного сырья на легкую парогазовую часть разделения (низкокипящие фракции НКФ) и тяжелую жидкую часть разделения (высококипящие фракции ВКФ) - это емкостной аппарат, который содержит корпус, штуцеры для ввода-вывода рабочих и продуктовых сред, штуцеры и приборы для контроля технологических параметров работы аппарата (температуры, давления, и др.). Кроме того, в аппарат разделения через дополнительные штуцеры и патрубки встроены: устройство смешивания сырья с нагретой тяжелой высокомолекулярной жидкой частью разделения (циркулирующими ВКФ), устройство термомеханического крекинга, в котором смесь сырья и ВКФ, нагретую до определенной подкритичной температуры для инициирования управляемого процесса разрыва связей молекул (термомеханического крекинга), подвергают механическому и волновому воздействию различной природы и широкого спектра частот, например кавитационному воздействию, звуковым, ультразвуковым колебаниям, устройство распыления (диспергирования) смеси в объем аппарата для увеличения межфазной поверхности разделяющихся сред и более эффективного и быстрого их разделения. В верхнюю часть аппарата встроено устройство сепарации (фильтр, каплеотделитель) парогазовой части разделения (НКФ), после которого очищенная НКФ выходит из аппарата и направляется для получения товарных продуктов, а фильтрат самотеком попадает в нижнюю часть аппарата и смешивается с ВКФ Температура в устройстве сепарации соответствует максимальной температуре конца кипения фракций легких целевых товарных продуктов, например 350-360°С для дизельной фракции. Уровень раздела парогазовой фазы НКФ и жидкой фазы ВКФ находится ниже значения половины высота аппарата разделения, а в корпус аппарата встроен штуцер для устройства контроля уровня раздела фаз и поддержания его в заданном значении величиной расхода ВКФ, направляемых в блоки производства тяжелых товарных продуктов при заданных остальных значениях технологических параметров процесса. В нижней части аппарата встроено устройство разделения ВКФ на части, часть ВКФ направляется для производства тяжелых товарных продуктов (типа кокса, битума и др.), а другая часть возвращается в начало процесса и циркулирует по замкнутому контуру - аппарат разделения, печь нагрева (нагреватель), аппарат разделения. Количество встроенных в аппарат устройств смешивания сырья и ВКФ, обработки и распыления (диспергирования) смеси может быть больше одного каждого типа и зависит от производительности перерабатывающего производства. Кроме того. В нижнюю часть аппарата встроен разделитель-отстойник для отделения из ВКФ части, необходимой для циркуляции, и для очистки циркулирующей части ВКФ от частиц кокса и других механических примесей. С целью оптимизации парогазовых и жидкостных потоков в аппарате и сепараторе, более четкого отделения жидкой фазы от парогазовой и ректификации последней, в аппарат и сепаратор встроены внутренние устройства типа ректификационных тарелок различной конструкции, колец Рашига, сеток и др. Для проведения пуско-наладочных работ аппарат разделения имеет встроенные теплообменники или рубашку с паровым обогревом. Конструктивные размеры аппарата разделения, сепаратора и других элементов зависят от производительности перерабатывающего комплекса, состава сырья и поставленной задачи по его переработке.
Устройство механической и волновой обработки совмещено с устройством смешивания и диспергирования смеси и может быть названо как «турбодинамический дезинтегратор» (ТДД). Его задача - осуществить прямой нагрев сырья (среда 1) за счет тепла перегретого ВКФ (среда 2), кавитационную и акустическую обработку смеси сырья (среда 1) и ВКФ (среда 2) и диспергирование (распыление) обработанной смеси в аппарат разделения.
Как сказано выше, явление кавитации возникает при обтекании препятствий и плохообтекаемых тел, особенно с острыми краями и кромками. Происходит срыв течения с возникновением зоны пониженного давления и образования каверн, т.е. пузырьков кавитации. При схлопывании пузырьков возникают ударные импульсы повышенного давления (сотни атмосфер и более), локальные участки сильного повышения температуры (сотни и тысячи градусов). Т.к. пузырьки образуются разных размеров, то при схлопывании пузырьков возникают волны широкого спектра частот, т.е. происходит механическое и акустическое воздействие на обрабатываемую среду. Явление кавитации широко используется в различных областях техники, в частности, для интенсификации разнообразных химических реакций и превращений.
Поскольку в реальной жидкости всегда присутствуют мельчайшие пузырьки газа или пара, то, двигаясь с потоком и попадая в область пониженного давления, они теряют устойчивость и приобретают способность к неограниченному росту. После перехода в зону повышенного давления и исчерпания кинетической энергии расширяющейся жидкости, рост пузырька прекращается и он начинает сокращаться. Если пузырек содержит достаточно много газа, то по достижении им минимального радиуса он восстанавливается и совершает нескольких циклов затухающих колебаний, а если газа мало, то пузырек захлопывается полностью в первом периоде жизни. Поэтому вблизи обтекаемого тела (препятствия) создается довольно четко ограниченная «кавитационная зона», заполненная движущимися пузырьками.
Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом (гидравлическим ударом) тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырек. Если степень развития кавитации такова, что в случайные моменты времени возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным спектром от нескольких сотен Гц до сотен и тысяч кГц. Увеличение скорости потока после начала кавитации вызывает быстрое возрастание числа кавитационных пузырьков, вслед за чем происходит их объединение в общую кавитационную каверну Если кавитационная каверна захлопывается вблизи от обтекаемого тела, то многократно повторяющиеся удары приводят к разрушению (к так называемой кавитационной эрозии) поверхности обтекаемого тела, поэтому скорость движения обрабатываемой среды должна быть достаточно высокой (исходя из опыта более 5 м/с), чтобы пузырьки не успевали захлопываться вблизи тела, а захлопывались вдали от обтекаемого тела, тогда кавитация будет объемной и не будет приводить к разрушению обтекаемого тела.
Кавитация легче возникает в реальных жидкостях, т.к. низкая прочность реальных жидкостей на разрыв связана с наличием в них так называемых кавитационных зародышей: плохо смачиваемых участков твердого тела, твердых частиц с трещинами, заполненными газом, микроскопических газовых пузырьков, предохраняемых от растворения мономолекулярными органическими оболочками, ионных образований, возникающих под действием космических лучей. Если внутрь каверны, через тело, около которого возникает кавитация, подвести атмосферный воздух или иной газ, то размеры каверны увеличиваются. Кавитационные течения, получающиеся в результате подвода газа внутрь каверны, называют искусственной кавитацией. В случае искусственной кавитации при движении тела в жидкости (или жидкости возле обтекаемого тела) со скоростью 6÷10 м/с можно получить те же эффекты его обтекания, как при скоростях примерно 100 м/с. В случае обработки по данной полезной модели нагретой углеводородной жидкости и при ее крекинге всегда возникает газовая фаза, которая является зародышем кавитации. Регулировать количество газовой фазы можно давлением в устройстве обработки так, чтобы количества газовой фазы не превышало 25% массовых. (Корнфельд М., Упругость и прочность жидкостей, М.-Л., 1951; Биркгоф Г., Сарантонелло Э., Струи, следы и каверны, пер. с англ., М., 1964: Перник А.Д., Проблемы кавитации, 2 изд., Л., 1966.)
Устройство акустической и кавитационной обработки (турбодинамический дезинтегратор), снабжено двумя входными патрубками для двух входных сред (среда 1 - это сырье, среда 2 - в данном случае ВКФ), двумя вихревыми вставками (завихрителями) для двух входных сред, цилиндрической камерой смешивания входных сред установленной непосредственно после входных завихрителей. Диаметр камеры смешивания выбирают так, чтобы скорость смеси не превышала 10 м/с. Цилиндрическая камера может перемежаться конфузорными и диффузорными вставками, что приводит к увеличению скорости поперечного движения сред, увеличению амплитуды поперечных колебаний и усилению процесса смешивания двух сред (параметры вставок определяются опытным путем в зависимости от состава сырья и поставленной задачи). Кавитатор установлен после камеры смешивания и выполнен в виде плоской, вогнутой или выпуклой (как один из вариантов - в форме конуса) по ходу движения смеси двух входных сред фигуры, установленной поперек движения потока и закрывающей все сечение потока. Для увеличения количества образующихся зон кавитации и акустической обработки на всей поверхности кавитатора в качестве узлов образования зон кавитации выполнены сквозные круглые отверстия диаметром от 0,1 до 100 мм. Для ухудшения обтекаемости отверстия могут быть выполнены с острыми зазубренными краями. Диаметр и количество отверстий зависят от расхода обрабатываемой смеси, диаметр и количество отверстий выбирается таким, чтобы скорость смеси в отверстиях превышала 5 м/с. После кавитатора расположен выходной завихритель для смеси входных сред (для улучшения диспергирования смеси) и сопло. Завихрители и сопло выполнены так, чтобы скорость потоков в каналах завихрителей и сопла была выше 5 м/с. Конкретное значение скоростей в отверстиях кавитатора и каналах завихрителя определяется по результатам анализ получаемых в результате обработки фракций и продуктов, т.е. определяется экспериментальным путем в зависимости от исходного сырья и поставленной задачи. Каналы завихрителей выполнены в виде двухзаходных или многозаходных (количество каналов не менее двух, оптимально - 2÷3) тангенциальных каналов или каналов в виде спиралей Архимеда (линейная функция в полярных координатах, проста в изготовлении), винтовых или шнековых спиралей, закручивающих каналов другой формы. Отношение высоты канала (спирали) к его ширине находится в диапазоне от 1 до 10. Вращение среды в каналах может быть как левым, так и правым, направление вращения двух сред может совпадать и/или быть разнонаправленным, большой разницы в результатах это не дает. Расположение кавитатора между камерой смешивания и выходным завихрителем для смеси входных сред и соплом выбирается из условия максимальной интенсивности кавитационного и акустического воздействия на смесь входных сред, которое также определяется экспериментальным способом. Отверстия в кавитаторе могут иметь форму прямоугольников, звездочек, эллипсов и других плоских фигур (как один из вариантов - с острыми зазубренными краями), причем форма и размеры фигур выбираются так, чтобы отношение периметра фигуры к ее площади было максимальным для увеличения зоны срыва потока. Размеры отверстий (минимальное и максимальное расстояние между двумя точками периметра каждого отверстия) находятся в диапазоне от 0,1 до 100 мм, а скорость среды в каждом отверстии превышала 5 м/с. В устройстве могут быть установлены 2 и более кавитаторов, что приводит к увеличению узлов и зон образования кавитации. Расстояние между кавитаторами, а также расстояние между камерой смешения, кавитаторами и соплом выбирается из условия максимальной интенсивности кавитационного и акустического воздействия на смесь входных сред, определяемое опытным путем. Вместо отверстий для увеличения количества образующихся зон кавитации и акустической обработки кавитатор может быть выполнен в виде засыпки шаров, цилиндров, параллепипедов, звездочек, торов, гантелей, колец Рашига и других жестких объемных фигур. Размеры объемных фигур находятся в диапазоне от 0,1 до 100 мм, скорость среды во всех промежутка между элементами засыпки должна превышать 5 м/с. Засыпка может быть вставлена в контейнер, например сетчатый, для удобства смены элементов различной засыпки и перемещения кавитатора (контейнера) вдоль оси устройства обработки для поиска оптимального местоположения для создания максимальной интенсивности кавитационного и акустического воздействия на смесь входных сред. Количество контейнеров может быть больше одного, причем с различной засыпкой. Газовая часть смеси при рабочем давлении не должна превышает 25% (иначе ухудшается эффект кавитации) массовых и регулируется давлением в устройстве. Сопло выполнено в виде цилиндра, конуса или сопла Лаваля, а также другой формы исходя из цели лучшего распыления смеси..
С целью достижения 100% глубины переработки и уменьшения непредельных углеводородов практически до нулевого уровняв, в корпусе устройства предусмотрены штуцеры или патрубки для ввода активного водорода и/или легких радикалов в камеру смешивания и/или в зону обработки перед и/или за кавитатором, или устройство (блок) получения активного водорода и/или легких радикалов встроено в устройство обработки. Один из наиболепростых вариантов, который использовался в экспериментах, заключается в том, что кавитатор выполнен в виде вогнутой или выпуклой по ходу движения потока фигуры в виде конуса или усеченного конуса с углом при вершине конуса более 10 градусов, причем на всей поверхности кавитатора в качестве узлов образования зон кавитации выполнены сквозные отверстия с эффективным диаметром от 0,1 до 100 мм. При больших расходах сырья на переработку, чтобы не снижалось качество распыления смеси, количество выходных завихрителей и/или сопел, встроенных в устройство обработки, может быть больше одного каждого типа. Не только цилиндрические участки камеры смешения, а также цилиндрические участки движения обеих сред перед смешением могут перемежаться конфузорными и/или диффузорными вставками. При большой газовой части и высоком давлении в устройстве выходной завихритель может не использоваться.
Нагретое циркулирующими ВКФ до подкритичной температуры сырье (колебательные уровни молекул уже возбуждены, но еще не происходит лавинообразного разрыва связей молекул вследствие этого возбуждения) направляют в устройство обработки, в котором сырье подвергается механическому (например, кавитационному) и волновому воздействию различной природы (звуковой, ультразвуковой, кавитационной, электромагнитной, световой, радиационной и т.д.) и широкого спектра резонансных частот. Широкий спектр частот нужен потому, что количество комбинаций соединений атомов углерода, водорода и других элементов, особенно в многоатомных молекулах сырья очень велико, и до сих пор подробно не изучено, поэтому количество различных возбужденных предварительным нагревом колебательных уровней также очень велико. Наложение механического и волнового воздействия на нагретое термическим способом до подкритичной температуры сырье позволяет инициировать и активизировать процесс термомеханического крекинга, т.е. процесс разрыва связей уже возбужденных молекул, при этом, в отличие от обычного термического крекинга, инициированный процесс разрыва связей с помощью наложения резонансного воздействия управляется интенсивностью и характером наложенного воздействия. Процесс термомеханического крекинга становится управляемым, а не лавинообразным, что ведет к уменьшению коксования оборудования, увеличению его межремонтного пробега, процесс непрерывный. Т.к. сырье уже нагрето практически до критического состояния, обработка его каким-либо типом воздействия не требует больших энергетических затрат, т.е. инициирующее резонансное воздействие позволяет управлять процессом. Продукты термомеханического инициированного крекинга более качественные, чем продукты термического крекинга, в них меньше газов и непредельных соединений, а выход светлых продуктов выше их потенциального содержания в сырье в 1,5-15 раз в зависимости от состава сырья (тяжелая нефть, мазут и т.д.). Т.к. волновое воздействие накладывается для активирования разрыва связей уже в возбужденных молекулах, его энергия тратится только на активацию и управление процессом термомеханического крекинга, то энергетические затраты невелики. Химические реактивы и катализаторы в процессе не используются. Таким образом, крекинг может происходить в трех устройствах: в устройстве нагрева циркулирующих ВКФ, в устройстве смешивания сырья и ВКФ и в устройстве обработки (термомеханического крекинга). В зависимости от состава и свойств сырья, технологических параметров проведения процесса и поставленной задачи, крекинг может происходить только в одном устройстве, в любых двух или во всех трех.
Для кавитационной обработки нагретой до подкритичной температуры нефти (или другого жидкого углеводородного сырья) и наложения на нее акустического воздействия, в реализации предлагаемой полезной модели используют различные устройства: гидродинамические устройства, роторно-пульсационные аппараты (РПА) и т.д. Наиболее оптимально в рамках предлагаемой полезной модели применять такие специальные устройства, действие которых основано на гидродинамических эффектах движения среды с большой (более 5 м/с) скоростью по каналам с препятствиями и поворотами различной формы, что приводит к возникновению локальных зон сниженного давления, в которых процесс испарения и отделения легкой фазы крекинга идет более интенсивно, а при достаточно высоких температурах происходит и термомеханический крекинг сырья с получением дополнительного количества легких фракций. При таком подходе процесс кавитации и акустической обработки возникает во всем объеме зоны обработки, а не только в приповерхностных зонах, как при использовании, например, роторно-пульсационных аппаратов (РПА).
После обработки и проведения процесса термомеханического крекинга сырье направляют в аппарат испарения и разделения, в котором отделяют парогазовую часть (низкокипящие фракции НКФ) от жидкой (высококипящие фракции ВКФ). Как наиболее оптимальный вариант, нагретую смесь сырья и ВКФ диспергируют в аппарат разделения для увеличения межфазной поверхности и более эффективного отделения парогазовой части от жидкой.
В результате, после аппарата разделения получается два основных продукта: легкая часть разделения в парогазовом виде (низкокипящие фракции НКФ), с температурой конца кипения преимущественно до 350-360°С, которую можно назвать очень легкой нефтью или газовым конденсатом, и тяжелая высокомолекулярная часть или остаток разделения в жидком виде (высококипящие фракции разделения ВКФ). НКФ состоит в основном (на 80-90% масс. вследствие неидеальности разделения) из фракций с температурой кипения до 350-360°С. При дальнейшей переработки известными способами из НКФ вырабатывают такие топливные продукты, как бензин (диапазон температур кипения: начало кипения - 180-200°С), керосин (диапазон температур кипения: 180-200°С - 230-240°С), дизельное топливо (диапазон температур кипения: 230-240°С - 350-360°С), продукты нефтехимии, такие как толуол, бензол и др. В дальнейшем - легкие товарные продукты. ВКФ состоит из тяжелых фракций с температурой начала кипения преимущественно выше 350-360°С. При дальнейшей переработки известными способами из ВКФ можно получать тяжелые товарные продукты, такие как кокс, битум, битумные эмульсии, покрытия и др. В дальнейшем - тяжелые товарные продукты. Граничная температура разделения 350-360°С выбрана потому, что конец кипения дизельного топлива составляет 350-360°С. Если со временем изменятся госты и требования по топливным продуктам, граничная температура разделения может быть соответственно изменена. Блоки получения товарных продуктов обычно включают в себя следующие известные процессы: гидроочистка, риформинг, платформинг и др. (для получения бензина, керосина, дизельного топлива), процессы нефтехимической и химической промышленности, или на первом этапе компаундирование, битумный блок для производства окисленного битума или битумный блок, совмещенный с вакуумным блоком для производства неокисленного битума, а также оборудование для производства битумных покрытий, эмульсий, котельного топлива, кокса и других товарных продуктов (Справочник нефтехимика. В двух томах. Том 1, под. ред. Огородникова С.К. Л., Химия, 1978, с.53-55).
При реализации предлагаемой полезной модели предлагается, как один из наиболее простых и оптимальных вариантов, для нагрева сырья до подкритичной температуры использовать тяжелый остаток разделения жидкого углеводородного сырья (жидкую фазу разделения ВКФ), получаемый непосредственно при реализации предлагаемой полезной модели, необходимая часть которого возвращается в начало процесса. Использование для нагрева жидкой фазы ВКФ (ее не надо специально готовить или приобретать, она появляется в процессе реализации полезной модели) с температура начала кипения преимущественно выше 360°С позволяет увеличить рабочую температуру в аппарате разделения, интенсифицировать термический и/или термомеханический крекинг и, соответственно, увеличить глубину переработки и выход светлых продуктов выше их потенциального содержания в исходном сырье, а также упростить и удешевить оборудование и уменьшить энергетические и эксплуатационные затраты, а также позволяет оптимально и рационально использовать сырьевые ресурсы, т.к. при углубленной переработке для получения определенного количества товарных продуктов требуется меньшее количество нефти или другого жидкого углеводородного сырья. Непосредственный контакт ВКФ, нагретого до высокой температуры (например до 400°С и выше, в зависимости от условий проведения процесса), и более холодной нефти или другого жидкого углеводородного сырья (например, при температуре 200°С) приводит к взрывному характеру нагрева сырья, возникновению колебаний и локальных зон кавитации, что в свою очередь инициирует термомеханический крекинг тяжелых молекул нефти уже в устройстве смешивания сырья и ВКФ и приводит к увеличению выхода светлых фракций (бензиновых, керосиновых, дизельных, продуктов нефтехимии и др.) в 1,5-15 раз в зависимости от состава сырья (тяжелая нефть, мазут и т.д.). Циркулирующие ВКФ необходимо нагревать не ниже 300°С, а предварительный нагрев сырья перед смешиванием его с ВКФ должен быть не выше 450°С во избежание коксования. При этом необходимая для нагрева сырья до подкритичной температуры часть ВКФ циркулирует по замкнутому контуру: аппарат разделения - печь нагрева (нагреватель) ВКФ - аппарат разделения, а соотношение циркулирующих ВКФ и сырья находится в диапазоне 1÷100. Следует учитывать, что нагревать ВКФ нужно до его смешивания с сырьем (в отличие от способа по авторскому свидетельству SU 1558879, в котором нагревают смесь сырья и тяжелого остатка разделения, что приводит из-за наличия легких фракций в сырье к увеличению давления в змеевике, возникновению пробок, коксованию и т.д., при этом температуру нагрева нельзя поднять выше 380°С, что приводит, в конечном итоге, всего лишь к получению 69-78% легких нефтепродуктов от их потенциального содержания в исходном сырье и говорить здесь об увеличении глубины переработки, т.е. получению светлых легких продуктов выше их потенциального содержания в сырье, не приходится). Нагревать сырье и ВКФ можно в одной печи или нагревателе, но в отдельных змеевиках. Устройство нагрева сырья прямым контактом с ВКФ до подкритичной температуры, устройства обработки, диспергирования и разделения сырья на парогазовую и жидкую фазы совмещены в одном аппарате, что приводит к уменьшению количества оборудования, снижению капитальных и эксплуатационных затрат.
Парогазовая часть разделения НКФ, вследствие интенсивно проводимого процесса испарения и разделения, содержит, кроме легких фракций в газообразном виде, и капли жидкости, в которых находятся тяжелые высококипящие компоненты с температурой кипения выше 350-360°С. Поэтому (если это необходимо, т.к. зависит от свойств сырья и поставленной задачи) сначала НКФ направляют на устройства сепарации (каплеотделения, фильтрации или ректификации), обычно встроенные в аппарат разделения, затем направляют для дальнейшего использования и получения товарных продуктов, т.к. НКФ содержит, в основном, газовые, бензиновые, керосиновые и дизельные фракции, продукты нефтехимии. Фильтрат после устройств сепарации направляют на повторную обработку для получения дополнительного количества легких целевых фракций и увеличения глубины переработки. Парообразную фазу НКФ целесообразно направить, например, на ректификацию и дальнейшее получение легких товарных топливных продуктов или продуктов нефтехимии на месте, или, после охлаждения, реализовывать для дальнейшей углубленной переработки как высокопотенциальную нефть, по составу близкую к газовому конденсату (содержание светлых продуктов - бензиновых, керосиновых и дизельных фракций - в парогазовой части НКФ до 90% и более). Жидкую часть ВКФ после аппарата разделения подают, например, на битумный реактор с вакуумной колонной для получения товарного битума или других тяжелых продуктов типа битумных эмульсий, покрытий и т.д. на месте, или, после охлаждения, реализуют как полупродукты для дальнейшей переработки. Т.к. жидкая часть разделения (ВКФ) вследствие неидеальности разделения содержит какое-то небольшое количество легких фракций с температурой кипения ниже 360°С, то при получении тяжелых товарных продуктов (битума на вакуумной установке и др.) может возникнуть легкий отгон, который возвращают, если это необходимо (зависит от свойств сырья и поставленной задачи), в начало процесса на повторную обработку и получение дополнительного количества легких целевых продуктов.
В процессе крекинга сырья образуются непредельные углеводороды, которые впоследствии могут конденсироваться, что приводит к ограничению глубины переработки. Для наиболее полной и глубокой переработки и увеличения выхода легких целевых продуктов и фракций схема переработки должна быть дополнена устройством, которое позволяет с минимальными затратами насыщать открытые связи атомарным водородом и/или легкими радикалами. Используя более раннюю заявку на изобретения (заявка по системе РСТ RU 2009000074) задачу решить можно такой организацией схемы процесса, при которой сырье и катализатор не контактируют, вследствие чего катализатор практически не отравляется вредными примесями и не коксуется, что приводит к увеличению долговечности катализатора и отсутствию необходимости процессов регенерации. Для достижения высокой глубины переработки сырье или его часть подвергается процессу обработки по данной полезной модели многократно. Для этого молекулярный водород и/или легкие водородсодержащие среды, обогащенные водородом, например, попутный, природный газ, в том числе и газ, получаемый в процессе, подготовки и глубокой переработки, пентановые фракции, ксилол, толуол, часть легких фракций, в том числе и получаемых в процессе подготовки и глубокой переработки, и т.д., при необходимости подогревают и направляют для получения активного атомарного водорода и/или легких радикалов в реактор с нагретым до необходимой температуры катализатором (блок получения атомарного водорода), после которого активный водород и/или легкие радикалы направляют в устройства крекинга для проведения реакции - в устройство нагрева и крекинга ВКФ, в устройство смешивания нагретых ВКФ и сырья, в устройство термомеханического крекинга, в котором смесь для инициирования управляемого процесса разрыва связей молекул (термомеханического крекинга) подвергают механическому и волновому воздействию различной природы и широкого спектра частот, например кавитационному воздействию, звуковым, ультразвуковым колебаниям, причем атомарный водород и/или легкие радикалы могут направляться только в одно из устройств крекинга, в любые два устройства и во все три устройства крекинга. Давление в реакторе с катализатором должно бытьбольше, чем давление в устройствах крекинга. При этом атомарный водород и/или легкие радикалы насыщают открытые связи непредельных углеводородов с получением легких целевых фракций, и при многократной повторной обработки ВКФ можно достичь практически 100% глубины переработки и выхода легких целевых продуктов. Продукты реакции направляют в блоки получения товарных продуктов, или направляют в аппарат разделения, легкие целевые фракции реакции после аппарата разделения, преимущественно с температурой конца кипения до 350-360°С, направляют в блок получения целевых товарных продуктов типа сжиженного газа, бензина, керосина, дизельного топлива, продуктов нефтехимии и др. на месте подготовки и глубокой переработки сырья по данной полезной модели или транспортируют к удаленному месту переработки получения легких товарных продуктов. При этом такие дорогие процессы, как гидроочистка, рифрминг и т.д. в блоках получения легких товарных продуктов могут не использоваться, т.к. открытые связи радикалов крекинга сырья насыщаются до блока получения товарных продуктов, а регулировка свойств и состава получаемых фракций производится изменением режима и параметров процесса. Кроме того, в процессе обработки сырья по данной полезной модели уменьшается количество вредных примесей, например сернистых соединений, т.к. в процессе обработки основная часть серы переходит в сероводород и далее выводится из процесса известными методами с дальнейшим получением, например, атомарной серы и других полезных побочных продуктов. Тяжелый остаток после аппарата разделения (ВКФ), преимущественно с температурой начала кипения 350-360°С, направляют в блок получения тяжелых товарных продуктов типа битума, кокса и др., или частично или полностью направляют на повторную обработку по данной полезной модели в начало процесса. Твердое углеводородное сырье (например, уголь, сланец, продукты растительного происхождения и др.) направляют в блок мелкодисперсного размельчения и вводят в исходное сырье и/или тяжелый остаток разделения перед его повторной обработкой, газообразные углеводороды также вводят в исходное сырье и/или остаток разделения перед его повторной обработкой, жидкие, твердые и газообразные углеводороды могут обрабатываться по данной схеме одновременно, по отдельности или попарно. Часть газообразных и/или легких продуктов (они обогащены водородом и могут заменять исходные водородсодержащие среды) разделения может быть возвращена в начало процесса в реактор с катализатором для получения активного атомарного водорода и легких радикалов.
Тяжелое сырье не вступает в непосредственный контакт с катализатором, не происходит его отравление и коксование, отпадает необходимость регенерации катализатора, процесс упрощается и становится более надежным, стоимость процесса и оборудования значительно уменьшается, т.е. происходит снижение капитальных и эксплуатационных затрат, глубина переработки может быть увеличена до 100%. При этом происходит экономия сырья при выработке необходимого количества целевых товарных продуктов, другими словами оптимальное и рациональное использование сырьевых ресурсов при их дальнейшей переработке при реализации данной схемы. Кроме того, различные остатки и отходы, накапливающиеся в процессе, например, добычи и переработки нефти, приводят к ухудшению экологической обстановки, и их переработка по данной полезной модели с получением высоколиквидной продукции позволяет решать экологические проблемы, а также получать дополнительную прибыль.
Для получения атомарного водорода и/или легких радикалов наиболее оптимально использование катализаторов. Для этого газообразный молекулярный водород, водородсодержащие среды и/или реактор с катализатором нагревают до температуры 300-500°С, а иногда и выше (хотя со временем могут быть найдены и более эффективные катализаторы, которые позволят вести процесс образования водорода и/или легких радикалов при более низких температурах, например, при 20--100°С и ниже). Процессы каталитического разложения углеводородов широко известны. При этом, при взаимодействии водорода и водородсодержащих сред с молибденовыми, кобальтовыми, цинковые, ванадиевыми, никелевыми, алюмосиликатными, цеолитсодержащими и другими катализаторами, например на основе окиси алюминия, или катализаторами другого типа, образуется атомарный водород и/или легкие радикалы, которые эффективно взаимодействует с углеводородными молекулами и насыщает открытые связи легких радикалов, полученных в результате реакции крекинга углеводородного сырья, в результате чего образуются насыщенные легкие целевые фракции хорошего качества. Эти легкие радикалы вместе с легкими радикалами крекинга сырья образуют молекулу легкого целевого продукта. Также происходит и с другими легкими водородсодержащими средами. Легкие радикалы, получаемые при отсоединении активного атомарного водорода от используемых водородсодержащих сред, также присоединяются к легким радикалам крекинга сырья, насыщают их открытые связи и образуют целевые фракции. Если же они (или атомарный водород) присоединяются к тяжелым радикалам крекинга сырья, то после аппарата разделения тяжелый остаток реакции (ВКФ) направляется частично или полностью на повторную обработку по данной полезной модели, либо частично или полностью на получение тяжелых товарных продуктов типа кокса, битума и др. (в зависимости от поставленной задачи). Однако легких радикалов при крекинге сырья образуется значительно больше, чем тяжелых, т.к. с наибольшей вероятностью длинная молекула сырья разрывается примерно в середине, и с гораздо меньшей вероятностью на очень маленький и очень большой радикал. Об этом свидетельствуют, например, процессы термического крекинга, в результате которых из тяжелого сырья получаются более легкие фракции в большем количестве, чем тяжелые. Поэтому на повторную обработку направляется значительно меньшее количество остатка разделения, чем сырья. При этом остаток разделения может направляться на повторную обработку в начало процесса вместе с исходным сырьем, или отдельно на дополнительный блок обработки по данной полезной модели. При многократной повторной обработке тяжелого остатка разделения (ВКФ) исходное сырье будет переработано в легкие целевые продукты с эффективностью до 100%.
Реактор с катализатором (в соответствие с более ранней заявкой на изобретения №2009101883) может быть выполнен в виде цилиндра, шара, кольцевого цилиндра, параллепипеда или другой объемной фигуры, например, в виде трубчатого змеевика, с помещенным в него катализатором в виде гранул произвольного размера и формы, поверхность реактора проницаема для атомов водорода и/или легких радикалов, или на поверхности реактора выполнены отверстия произвольной формы, причем размеры отверстий меньше, чем размеры гранул катализатора. Или стенки реактора с катализатором выполнены из пористого материала с различными размерами пор, например в нанометровом диапазоне. Реактор с катализатором может и не содержать гранул или порошка катализатора, при этом оболочка реактора, или весь реактор целиком выполнены из материала, который является катализатором для проведения процесса получения атомарного водорода и/или легких радикалов из молекулярного водорода и/или водородсодержащих сред. Могут использоваться несколько реакторов с катализатором (пакеты реакторов). Располагаться реакторы или пакеты реакторов могу вдоль движения сырья, поперек или под углом. В теле катализатора имеется коллектор для распределения водорода и/или водородсодержащих сред. Количество атомов водорода и/или легких радикалов, получаемых в реакторе с катализатором, должно превышать количество открытых связей радикалов крекинга сырья, а отношение поверхности реактора (пакета реакторов) с катализатором к объему зоны нагрева и/или крекинга увеличивают так, чтобы максимально полно провести реакцию сырья и атомарного водорода и/или легких радикалов.
Отличительные признаки данной схемы и устройств подготовки и переработки углеводородного сырья позволяют провести несколько процессов: теплообмен, кавитационную и акустическую обработку, испарение, разделение, сепарацию, инициированный термомеханический крекинг интенсивно и одновременно в одном аппарате при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах с увеличением глубины дальнейшей переработки и получением качественных полупродуктов для дальнейшего использования.
Краткое описание фигур.
На фигурах 1-5 представлены укрупненные принципиальные схемы подготовки и переработки углеводородного сырья.
На фиг.1-5 обозначено: 1 - устройство нагрева и термического крекинга ВКФ; 2 - устройство смешивания нагретого ВКФ и сырья и нагрева сырья до подкритичной температуры; 3 - устройство обработки и термомеханического крекинга, в котором смесь сырья и ВКФ для инициирования управляемого процесса разрыва связей молекул (термомеханического крекинга) подвергают механическому и волновому воздействию различной природы и широкого спектра частот, например кавитационному воздействию, звуковым, ультразвуковым колебаниям,; 4 - устройство распыления (диспергирования) смеси в аппарат разделения; 5 - аппарат разделения; 6 - устройство сепарации (фильтрации, каплеотделения, ректификации) НКФ; 7 - устройство выделения циркулирующей части ВКФ с отстойником для очистки от механических примесей и частиц кокса; 8, 9 - рекуперативные теплообменники для предварительного подогрева сырья; 10 - блок приготовления легких целевых товарных продуктов (бензина, керосина, дизельного топлива, продуктов нефтехимии и др. - риформинг, платформинг и т.д); 11 - блок приготовления тяжелых товарных продуктов (битума, битумных эмульсий, покрытий, кокса и др.); 12 - отдельный нагреватель для предварительного подогрева сырья; 13 - блок получения атомарного водорода и/или легких радикалов. Блок предварительной очистки сырья (дегазация, обезвоживание, обессоливание, очистка от механических и других вредных примесей) для простоты на фигурах не представлен, также не представлены блоки окончательного охлаждения и конденсации НКФ и ВКФ в случае их транспортировке к удаленному месту производства товарных продуктов. Блоки получения товарных продуктов обычно включают в себя следующие известные процессы: гидроочистка, риформинг, платформинг и др., процессы нефтехимической и химической промышленности, или на первом этапе блок компаундирования, битумный блок для производства окисленного битума или битумный блок, совмещенный с вакуумным блоком для производства неокисленного битума, а также оборудование для производства битумных покрытий, эмульсий, котельного топлива, кокса и других товарных продуктов (Справочник нефтехимика. В двух томах. Том 1, под. ред. Огородникова С.К. Л., Химия, 1978, с.53-55).
Если сырье не предполагается использовать на месте углубленной обработки для получения товарных продуктов, то целесообразно использовать вариант схемы, представленный на фиг.1. Циркулирующие высококипящие фракции ВКФ после аппарат разделения подаются в устройство нагрева и крекинга ВКФ (фиг.1, позиция 1), затем в устройство смешивания и нагрева сырья (фиг.1, позиция 2). Подготовленное сырье после предварительного нагрева в рекуперативных теплообменниках (фиг.1, позиция 8, 9) также подается в устройство смешивания с ВКФ (фиг.1, позиция 2). Затем смесь сырья и ВКФ подается в устройство обработки (термомеханического крекинга) (фиг.1, позиция 3), затем смесь диспергируют (распыляют) (фиг.1, позиция 4) со снижением давления для увеличения межфазной поверхности разделяемых сред в аппарат разделения (фиг.1, позиция 5). После аппарата разделения НКФ направляются в устройство сепарации (фиг.1, позиция 6), после устройства сепарации легкие фракции реакции, преимущественно с температурой конца кипения до 350-360°С, направляют (транспортируют) после частичного охлаждения на рекуперативном теплообменнике (фиг.1, позиция 8) и окончательного охлаждения и конденсации (на схеме для простоты не показано) в блок получения легких товарных продуктов (типа сжиженного газа, бензина, керосина, дизельного топлива, продуктов нефтехимии и др.), фильтрат после сепаратора для получения дополнительного количества легких целевых продуктов возвращают на повторную обработку в начало процесса вместе с циркулирующей частью ВКФ. Часть высококипящих фракции ВКФ после аппарата разделения после устройства выделения циркулирующих ВКФ (фиг.1, позиция 7), возвращают на повторную обработку (рецикл) по данной полезной модели в начало процесса для увеличения выхода легких продуктов и глубины переработки, причем возвращаемая часть ВКФ циркулирует по замкнутому контуру - аппарат разделения (фиг.1, позиция 5), печь нагрева (нагреватель) (фиг.1, позиция 1) - аппарат разделения. Другую часть ВКФ направляют (транспортируют) после частичного охлаждения на рекуперативном теплообменнике (фиг.1, позиция 9) и окончательного охлаждения (на схеме для простоты не показано) в блок получения тяжелых товарных продуктов (типа кокса, битума, битумных эмульсий, покрытий, масел и др.).
Если же товарные продукты производят на месте переработки по данной полезной модели, то такая схема представлена на фиг.2. НКФ после частичного охлаждения на рекуперативном теплообменнике (фиг.2, позиция 8) направляется в блок получения легких товарных продуктов (фиг.2, позиция 10), а ВКФ после частичного охлаждения на рекуперативном теплообменнике (фиг.2, позиция 9) направляют в блок получения тяжелых товарных продуктов (фиг.2, позиция 11). Кубовый остаток после блока приготовления легких товарных продуктов, а также легкий отгон после приготовления тяжелых товарных продуктов для увеличения глубины переработки и выхода целевых легких продуктов возвращают на повторную обработку в начало процесса вместе с сырьем или циркулирующими ВКФ.
Если по технологическим причинам тепло НКФ и ВКФ используется не на предварительный нагрев сырья, или не надо охлаждать их для подаче в блоки приготовления товарных продуктов на месте применения полезной модели, то предварительный подогрев сырья производится на отдельном нагревателе (фиг.3, позиция 12), или в том же нагревателе (печи), в котором нагревают циркулирующие ВКФ, но в отдельном змеевике (фиг.4, позиция 1). В этих вариантах можно сырье не только нагревать, но и подвергать термическому крекингу. При необходимости, можно для предварительного подогрева сырья использовать отдельные нагреватели совместно с рекуперативными теплообменниками. Для предварительного подогрева можно использовать и тепло товарных продуктов.
В процессе крекинга сырья образуются непредельные углеводороды, которые впоследствии могут конденсироваться, что приводит к ограничению глубины переработки. Для наиболее полной и глубокой переработки и увеличения выхода легких целевых продуктов и фракций схема переработки дополнена (фиг.5) устройством получения атомарного водорода и/или легких радикалов из молекулярного водорода и/или легких водородсодержащих сред, обогащенные водородом, например, природного или попутного газа, в частности газа и легких погонов бензиновых фракций, получаемых в процессе переработки, которые направляют в устройства крекинга - в устройство нагрева и крекинга ВКФ (фиг.5, позиция 1), в устройство смешивания нагретых ВКФ и сырья (фиг.5, позиция 2), в устройство термомеханического крекинга (фиг.5, позиция 3), причем атомарный водород и/или легкие радикалы могут направляться только в одно из устройств крекинга, в любые два устройства и во все три устройства крекинга. При этом атомарный водород и/или легкие радикалы насыщают открытые связи непредельных углеводородов с получением легких целевых фракций, и при многократной повторной обработки ВКФ (ВКФ полностью направляется на повторную обработку и не используется для производства тяжелых товарных продуктов, как это показано на фиг.5) можно достичь практически 100% глубины переработки и выхода легких целевых продуктов.
На фиг.6 показан аппарат разделения. Нагретые до необходимой температуры ВКФ и подогретое сырье подается в устройство смешивания (фиг.6, позиция 2), в котором сырье подогревается до подкритичной температуры. Затем смесь сырья и ВКФ направляют в устройство термомеханического крекинга (фиг.6, позиция 3), в котором смесь для инициирования управляемого процесса разрыва связей молекул (термомеханического крекинга) подвергают механическому и волновому воздействию различной природы и широкого спектра частот, например кавитационному воздействию, звуковым, ультразвуковым колебаниям, Потом смесь диспергируют (распыляют) (фиг.6, позиция 4) со снижением давления для увеличения межфазной поверхности разделяемых сред в аппарат разделения. При этом устройства смешивания, обработки и распыления совмещены в одном аппарате, который можно назвать турбодинамическим дезинтегратором (ТДД). Количество встроенных ТДД в аппарат разделения зависит от производительности одного ТДД и общей производительности перерабатывающего производства. Образующиеся в парогазовом виде НКФ направляются в сепаратор (фильтр, каплеотделитель), находящийся в верхней части аппарата разделения. Отсепарированные (отфильтрованные) НКФ направляются в блок приготовления легких товарных продуктов, а фильтрат самотеком попадает в нижнюю часть аппарата и смешивается с ВКФ. Все получаемые ВКФ с помощью устройства выделения циркулирующей части ВКФ (фиг.6, позиция 7) делятся на 2 части. Одна часть направляется в блоки получения тяжелых товарных продуктов, другая направляется на нагрев и далее в устройство смешивания с сырьем и повторную обработку (на рецикл), причем эта часть циркулирует по замкнутому контуру: аппарат разделения - нагреватель ВКФ - аппарат разделения. Устройство выделения циркулирующих ВКФ сделано с отстойником для очистки от механических примесей и частиц кокса так, чтобы на рецикл отбирать более чистые ВКФ. Кроме того, в контуре циркуляции ВКФ могут быть предусмотрены различные фильтрующие устройства, для простоты на схемах не показаны. В корпус аппарата разделения встроены штуцеры для ввода-вывода рабочих и продуктовых сред, штуцеры и приборы для контроля технологических параметров работы аппарата (температуры, давления, уровня раздела фаз и др.). Температура в устройстве сепарации соответствует максимальной температуре конца кипения фракций легких целевых товарных продуктов, например 350-360°С для дизельной фракции и поддерживается автоматически, уровень раздела парогазовой фазы НКФ и жидкой фазы ВКФ находится ниже значения половины высота аппарата разделения. Температура раздела фаз 350-360°С выбрана потому, что в настоящее время температура конца кипения дизельного топлива находится в этом диапазоне. Если требования изменятся, то эта температура также будет изменена в нужную сторону. В сепаратор могут быть встроены ректификационные тарелки, кольца Рашига и др. Тогда в сепараторе будет происходить не только процесс отделения капель и фильтрации, но и процесс ректификации, что приведет к улучшению качества НКФ, подаваемых для производства легких товарных продуктов. Устройства смешивания сырья и ВКФ, обработки (термомеханического крекинга) смеси, диспергирования (распыления), а также сепарации парогазовой части разделения НКФ встроены в аппарат разделения, т.е. составляют с ним одно целое, что приводит к уменьшению капитальных и эксплуатационных затрат, например к уменьшению металлоемкости и потерь тепла. Если в качестве аппарата разделения используют ректификационную колонну, то устройство распыления может не применятся, тогда кубовый остаток после колонны - это ВКФ, а все легкие фракции в сумме составляют НКФ.
Устройство обработки - турбодинамический дезинтегратор ТДД - представлено на фиг.7-10. На фиг.7-10 обозначено: 14 - завихритель для среды 1 (в данном случае для сырья); 15 - завихритель для среды 2 (в данном случае для тяжелых высококипящих фракций ВКФ); 16 - камера смешения; 17 - кавитатор в виде усеченного конуса с отверстиями; 18 - выходной завихритель для обработанной смеси входных сред; 19 - сопло. На фиг.8 показано устройство с перемежающимися цилиндрическими, конфузорными и диффузорными вставками для движения среды 1, двумя кавитаторами с отверстиями и соплом в виде конуса. На фиг.9 показано устройство с перемежающимися цилиндрическими, конфузорными и диффузорными вставками для движения среды 1 и смеси сред 1 и 2, кавитатором в виде сетчатой корзины с засыпкой в виде шаров и цилиндрическим соплом. На фиг.10 показан завихритель с двухзаходными тангенциальными каналами (вид сверху и разрез по сечению А-А). Устройство работает следующим образом. Предварительно подогретое сырье (среда 1) направляют в завихритель для сырья (фиг.7-9, позиция 14), нагретые до высокой температуры ВКФ (сырье 2) направляют в завихритель для ВКФ (фиг.7-9, позиция 15). В результате прямого контакта сырья и ВКФ в камере смешивания (фиг.7-9, позиция 16) сырье и вся смесь нагревается до покритичной температуры. Затем нагретую смесь сырья и ВКФ направляют в кавитатор (фиг.7-9, позиция 17), в котором смесь для инициирования управляемого процесса разрыва связей молекул (термомеханического крекинга) подвергают механическому и волновому воздействию различной природы и широкого спектра частот, например кавитационному воздействию, звуковым, ультразвуковым колебаниям. Обработанную смесь направляют в выходной завихритель (фиг.7-9, позиция 18) для улучшения дальнейшего распыления и диспергируют через сопло (фиг.7-9, позиция 19) с понижением давления в аппарат разделения для увеличения межфазной поверхности и более эффективного разделения смеси на НКФ и ВКФ. Скорости в каналах всех завихрителей, кавитатре (кавитаторах) и сопле (соплах) должны быть достаточно высокими, по крайней мере выше 5 м/с. Конкретные значения скоростей побираются опытным путем исходя из состава и свойств сырья и поставленной задачи. Конфузорные и диффузорные вставки увеличивают поперечную составляющую скорости движения смеси и интенсифицируют процесс смешивания. Параметры камеры смешения и вставок определяются опытным путем.
Варианты осуществления изобретения.
Предлагаемая полезная модель реализована на пилотной установке по разделению нефти и другого жидкого углеводородного сырья производительностью до 30 кг/ч, в которой реализованы все процессы и устройства для осуществления полезной модели. Кроме того, установка оснащена различным емкостным оборудованием для хранения сырья и сбора получаемых продуктов, теплообменным оборудованием для подогрева сырья, нагрева циркулирующих ВКФ и охлаждения продуктов, насосным оборудованием и контрольно-измерительными приборами. Схема стендовой установки приведена на фиг.1, аппарат разделения - на фиг.6, турбодинамический дезинтегратор - на фиг.7. В качестве исходного сырья использовалась нефть месторождения Вишенское Ульяновской области (Ратов А.Н., Немировская Г.Б. и др. Проблемы освоения нефтей Ульяновской области. "Химия и технология топлив и масел", №4, 1995 г.). Нефть содержит много смолистых соединений и примесей. Использовалась нефть и других месторождений, например НГДУ "Нурлатнефть", с другим составом, а также различные кубовые остатки, отработанные масла и др. Давление сырья и циркулирующих ВКФ в стендовых экспериментах до 1,0 МПа и выше, температура циркулирующих ВКФ до 450°С и выше, температура сырья до 200÷250°С, соотношение расходов циркулирующих ВКФ и сырья находилось в диапазоне до 30 и более. При этих значениях давления и температуры линейные скорости подачи сырья и циркулирующих ВКФ были более 5 м/с. С увеличением значения скорости подачи сырья и ВКФ эффективность процесса разделения и обработки нелинейно возрастает. Выбор значения скоростей подачи для конкретного технологического процесса зависит от свойств сырья, поставленной задачи и оптимизируется по нескольким факторам, в том числе и по экономическому фактору.
Перед началом процесса разделения жидкого углеводородного сырья готовят ВКФ. ВКФ, которые по существу является тяжелым остатком разделения, можно приготовить разными способами, например с помощью простого процесса однократного испарения смеси углеводородов. Наиболее простой способ, который и использовался при работе на стендовой установке, заключается в следующем. Необходимое количество жидкого углеводородного сырья заливают в аппарат разделения. Из аппарата разделения (фиг.1, 6, позиция 5) смесь насосом подают на электрический нагреватель - аналог промышленной печи (фиг.1, позиция 1) и возвращают обратно. При этом непрерывно отводят легкие фракции, накапливая жидкую фазу ВКФ. При непрерывной циркуляции и определенной температуре тяжелый остаток (ВКФ) через определенное время (параметры процесса зависят от состава исходной смеси углеводородов) приобретает все необходимые свойства. Контроль окончания процесса осуществляют путем определения физико-химических свойств и состава жидкой фазыВКФ.
Предварительно подогретое сырье и нагретые до необходимой температуры (фиг.1, позиция 1) циркулирующие ВКФ насосами подаются в завихрители (фиг.7, позиция 14, 15), затем в устройство смешивания (фиг.1, 6, позиция 2, фиг.7, позиция 16). Смесь сырья и ВКФ подается на устройство механической и волновой обработки (фиг.1, 6, позиция 3, фиг.7, позиция 17), в которой также проводят термомеханический гидродинамический крекинг сырья, затем обработанную смесь направляют в выходной завихритель (фиг.7, позиция 18) и диспергируют через сопло (фиг.1, 6, позиция 4, фиг.7, позиция 19) в аппарат разделения (фиг.1, позиция 5). После аппарата разделения циркулирующие ВКФ снова направляется в устройство нагрева (фиг.1, позиция 1), т.е. на рецикл. Парогазовая часть (НКФ) после аппарата разделения (фиг.1, позиция 5) направляется в устройство сепарации (каплеотделения, фильтрации или ректификации), (фиг.1, 6, позиция 6), после которой фильтрат возвращается в начало процесса вместе с циркулирующими ВКФ для повторной обработки и дополнительного получения светлых продуктов выше их потенциального содержания. Парогазовая часть после устройства сепарации (фиг.1, 6, позиция 6), направляется на охлаждение и конденсацию и анализируется. Жидкая часть разделения (ВКФ) после аппарата разделения (фиг.1, позиция 5) и отделения от ВКФ циркулирующей части (фиг.1, 6, позиция 7), направляется на охлаждение и анализируется. Устройства смешивания и нагрева сырья циркулирующими ВКФ, обработки механическим и волновым воздействием, испарения и разделения на парогазовую и жидкую фазы, устройство сепарации НКФ совмещены в одном аппарате. При этом уменьшается количество оборудования и, соответственно, капитальные и эксплуатационные затраты.
Далее представлены некоторые результаты процесса разделения.
Пример 1
Нефть месторождений Ульяновской области.
Эффект разделения: НКФ - 78,5% масс., ВКФ - 20% масс., выход газа - 1,5% масс. Укрупненный фракционный состав нефти и НКФ после обработки по предлагаемой полезной модели (в пересчете на нефть с учетом коэффициента разделения) и некоторые характеристики приведены в таблице 1.
Таблица 1
Пределы отбора
Выход фракций на нефть, % масс.
Исходная нефть
Легкая часть разделения (НКФ)
Начало кипения, °С
68
43
до 200°С
10,6
32,3
до 250°С
15,1
43,5
до 300°С
22,2
58,9
до 350°С
29,9
71,7
Плотность, кг/куб. м
941,2
787,6
Кинематическая вязкость, сСт, при 20°С
87,9
1,2
Содержание серы, % масс.
до 5,0
до 1,3
Содержание хлоридов, мг/л
до 2000
до 50
Пример 2
Нефть НГДУ Нурлатнефть.
Эффект разделения: НКФ - 77% масс., ВКФ - 21,5% масс., потери - 1,5% масс. Укрупненный фракционный состав нефти и НКФ после обработки по предлагаемой полезной модели (в пересчете на нефть с учетом коэффициента разделения) и некоторые характеристики приведены в таблице 2.
Таблица 2
Пределы отбора
Выход фракций на нефть, % масс.
Исходная нефть
Легкая часть Разделения (НКФ)
Начало кипения, °С
38
35
до 180°С
11,9
34,7
до 240°С
19,9
49,5
до 350°С
36,7
68,9
до 360°С
37,8
70,3
Плотность, кг/куб. м
910,5
788,7
Кинематическая вязкость, сСт, при 20°С
140,1
1,4
Содержание серы, % масс.
3,64
1,4
Содержание хлоридов, мг/л
до 2000
до 50
В таблицах 1 и 2 количество полученных НКФ составило 77-78,5% масс., а суммарное количество фракций до 350-360°С составляет 70,3-71,7% масс. Связано это с тем, процесс разделения на НКФ и ВКФ не идеален (даже на ректификационной колонне), поэтому в НКФ попадает и небольшая часть тяжелых фракций с температурой кипения выше 350-360°С. Количество непредельных углеводородов соответствует нижней границе непредельных углеводородов, образующихся в процессе каталитического крекинга.
Пример 3
Характеристики результатов анализа ВКФ разделения нефти НГДУ Нурлатнефть приведены в таблице 3.
Таблица 3
Наименование показателя
Значение
Метод испытания
Глубина проникновения иглы 0,1 мм:
при 25°С
76
ГОСТ 11501
при 0°С
10
Температура размягчения по кольцу и шару, °С
47,6
ГОСТ 11506
Растяжимость, см:
при 25°С
>100
ГОСТ 11505
При 0°С
2
Температура хрупкости, °С
минус 7,7
ГОСТ 11507 с дополнением по п.3.2
Температура вспышки, °С
>250
ГОСТ 4333
Изменение температуры размягчения после прогрева, °С
0,1
ГОСТ 18180, ГОСТ 11506 с дополнением по п.3.3
Индекс пенетрации
минус 0,7
Приложение 2
Массовая доля водорастворимых соединений, %
0,445
ГОСТ 11510
Сцепление с каменным материалом (контрольный образец), баллы
3
ГОСТ 11508
Пример 4
Атмосферно-вакуумная разгонка кубового остатка Ульяновской нефти после AT (мазута) показала отсутствие в нем бензиновой фракции, содержание керосиновой фракции (240-360°С) составило 2,9% масс., дизельной фракции (240-360°С) - 11,8% масс. Обработка исследуемого кубового остатка по предлагаемой полезной модели показала следующие результаты: количество низкокипящих фракций (НКФ - легкая часть разделения) составило 74-79% масс. в зависимости от параметров процесса. Содержание в НКФ целевых топливных композиций составило 88-90% масс., из них бензиновой (н.к. - 180°С) фракции - 20,8% масс., керосиновой (180-240°С) - 17,4% масс., дизельной (240-360°С) - 61,8% масс. Общее содержание целевых продуктов с температурой кипения до 360°С увеличилось с 14,7% масс. до 71% масс. в пересчете на исходный продукт.
Пример 5
Атмосферно-вакуумная разегонка неиспользованного масла М-8В (масло моторное универсальное) показала отсутствие в нем бензиновой и керосиновой фракций, содержание дизельной фракции составило 5,2%, основная масса масла перегонялась в интервале температур кипения 380-500°С. Термомеханический крекинг исследуемого масла по данной полезной модели привел к образованию примерно 22% бензиновой, 9% керосиновой и 46% дизельной фракций, т.е. содержание целевых продуктов с температурой кипения до 360°С в процессе обработки по предлагаемой полезной модели увеличилось с 5,2 до 77%, т.е. примерно в 15 раз. Таким образом, была показана принципиальная возможность термомеханического крекинга высококипящих (выше 360°С) компонентов масла в целевые продукты с температурой кипения до 360°С. Исследование состава отработанного масла М-8В, прошедшего обработку по данной полезной модели, показало наличие в нем 19% бензиновой, 15% керосиновой и 38% дизельной фракций. В целом, содержание целевых компонентов с температурой кипения до 360°С в процессе термомеханического крекинга отработанного масла составило 72%.
Пример 6
В процессе крекинга сырья образуются непредельные углеводороды, поэтому для наиболее полной и глубокой переработки и увеличения выхода легких целевых продуктов и фракций открытые связи необходимо насыщать атомарным водородом и/или легкими радикалами. Схема такой установки дополнена блоком с катализатором (по заявке по системе РСТ RU 2009000074, RU №2009101883) для получения атомарного водорода и/или легких радикалов и приведена на фиг.5. Водород из баллона нагревают, подают на блок получения атомарного водорода и/или легких радикалов (фиг.5, позиция 13), далее направляют в устройства крекинга (фиг.5, позиция 1, 2, 3), прореагировавшую смесь диспергируют (фиг.5, позиция 4) с понижением давления в аппарат разделения (фиг.5, позиция 5). После аппарата разделения (фиг.5, позиция 5) ВКФ полностью возвращается в начало процесса на повторную многократную обработку, а НКФ подают в устройство сепарации (фиг.5, позиция 6), после которого НКФ охлаждают и анализируют. Процесс непрерывный. Некоторые результаты приведены в таблице 4. Глубина переработки достигает 97-98%. С учетом образующихся несконденсированных газов можно уверенно говорить практически о 100% глубине переработки сырья с помощью данной полезной модели. Непредельные углеводороды в пределах ошибки измерений не обнаружены.
Таблица 4
Пределы отбора
Выход фракций, % масс.
Исходная нефть
Продукты реакции
Начало кипения, °С
65
34
до 180°С
10,9
40,7
до 240°С
17,6
48,4
до 350°С
34,2
97,3
до 360°С
35,9
97,9
Содержание серы, % масс.
до 4,5
до 0,1
Для достижения практически тех же результатов по данной полезной модели вместо водорода можно использовать пропан-бутановую смесь из баллона и другие легкие, обогащенные водородом продукты или фракции. При использовании пропан-бутановой смеси из баллона вместо водорода общий выход легких целевых фракций практически не изменился и составил 97,3% масс. При этом количество бензиновых фракций (с температурой кипения до 180°С) уменьшилось на 1,6% масс., а количество дизельных фракций (с температурой кипения от 240°С до 360°С) увеличилось на 1,7% масс., количество керосиновых фракций (с температурой кипения от 180°С до 240°С) практически не изменилось. При добавлении пропан-бутановой смеси в исходное сырье в пределах до 3%, незначительно (до 1%) увеличился выход бензиновой фракции. При добавке в исходное сырье до 3% размельченного до размеров 0,05-1 микрометра сланца, выход светлых целевых фракций практически не изменился, т.е. часть твердых углеводородов была переработана в легкие жидкие углеводороды.
Пример 7
3
3
Перспективным является такой вариант, при котором полученные после аппарата разделения парогазовая часть НКФ и жидкая часть ВКФ, при необходимости частично охлажденные, снова смешиваются. Полученная в результате «синтетическая» нефть содержит примерно в два и более раз больше топливных фракций, чем исходный продукт. Кроме того, если плотность исходной нефти 950 кг/м (API=17), то плотность "синтетической" нефти уменьшается до 850 кг/м (API=35), а кинематическая вязкость соответственно с 83 сСт до 6 сСт. В результате такой операции стоимость "синтетической" нефти значительно возрастает, ее легче транспортировать и перерабатывать. Особенно перспективен такой подход для удаленных от НПЗ и добывающих тяжелую и вязкую нефть предприятий, как, например, в Южной Америке, Канаде и в некоторых регионах России. Таким же образом можно переработать сравнительно дешевый мазут и еще более дешевые кубовые остатки, нефтешламы в значительно более дорогую высокопотенциальную нефть. При этом решаются экологические проблемы.
Промышленная применимость.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет осуществить промышленную углубленную (при этом происходит увеличение глубины дальнейшей переработки в 1,5-15 раз в зависимости от исходного сырья - тяжелая нефть, мазут и т.д.) и высокорентабельную подготовку и переработку нефти, в том числе тяжелой, остатков нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, нефтешламов, отработанных масел, природных битумов и других жидких и газообразных органических сред с получением тестированных товарных продуктов и может быть использована в производстве углеводородного топлива, продуктов нефтехимии, кокса, битума и т.д. Соответственно увеличивается и выход наиболее ценных и дорогих топливных композиций - бензиновых, керосиновых и дизельных фракций, продуктов нефтехимии. Практически 100% глубины переработки (считается по выходу легких целевых фракций и продуктов) можно достичь многократной обработкой тяжелых фракций ВКФ с применением блока получения атомарного водорода и/или легких радикалов. При этом могут эффективно перерабатываться и твердые углеводороды. Предлагаемые установка и устройства просты в эксплуатации и не требуют больших капитальных и эксплуатационных затрат.