СПОСОБ КРЕКИНГА НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ ПУТЕМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ РАЗРЯДАМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF OIL AND OIL PRODUCTS CRACKING BY PULSE ELECTRIC DISCHARGES AND DEVICE TO THIS END

Группа изобретений относится к способам крекинга нефти и нефтепродуктов и может использоваться в нефтеперерабатывающей промышленности.
Известны способы получения углеводородных газов (ацетилена, этилена, пропилена) из нефтяного сырья посредством воздействия на него импульсными электрическими разрядами [1, 2], возбуждаемыми между электродами генератором импульсов тока.
Основной недостаток этих способов - ограниченные функциональные возможности, не позволяющие получать жидкие фракции с температурой кипения ~70-350°С.
Известен способ снижения вязкости сырой нефти при перекачке путем разложения ее на более легкие фракции импульсными электрическими разрядами [3].
Устройство для осуществления предлагаемого способа снижения вязкости представляет собой трубу, через которую прокачивается нефть. В трубе размещаются электроды и генератор импульсов - конденсаторы, заряжаемые от внешнего источника постоянного тока напряжением 5 кВ.
Серьезным недостатком этого технического решения является малый ресурс электродов и конденсаторов. Это обусловлено высокой электрической прочностью нефти. Поэтому зазор между электродами должен быть весьма малым (~1 мм) и вследствие эрозии электродов он будет быстро увеличиваться, что будет приводить к отказам. Кроме того, при столь малых зазорах между электродами из-за малости электросопротивления разрядного промежутка разряд конденсаторов будет носить колебательный характер, что приведет к быстрому выходу конденсаторов из строя.
Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству является способ крекинга тяжелых фракций углеводородов на легкие фракции, выбранный в качестве прототипа [4]. Способ-прототип включает введение углеводородов и водородосодержащего газа в замкнутую камеру-реактор, смешение их с образованием гетерогенной среды, содержащей жидкую и газовую фазы, одновременное воздействие на среду импульсным электронным пучком с длительностью импульсов 3-5 мкс и частотой повторения импульсов 300 Гц, вызывающим ионизацию среды и обеспечивающим условия зажигания и поддержания разряда, и импульсным электрическим разрядом с амплитудами импульсов напряжения и тока соответственно 20 кВ и 0,75 кА, длительностью импульса 150 нс и частотой повторения импульсов 300 Гц, и дальнейшее разделение полученной смеси углеводородов по фракциям.
Устройство для осуществления этого способа состоит из следующих блоков: камеры-реактора, в которую подаются тяжелые фракции углеводородов и водородсодержащий газ, смесителя для приготовления гетерогенной смеси жидкость-газ, ускорителя электронов и системы введения электронного пучка в камеру-реактор, генератора импульсов тока, подсоединенного к электродам, расположенным в камере-реакторе, системы управления и синхронизации по времени ускорителя электронов и генератора импульсов тока, сепаратора, в который подается обработанная смесь углеводородов и отделяются легкие фракции.
Основным недостатком этого технического решения являются значительные трудности реализации требуемых эксплуатационных характеристик (надежности и ресурса), обусловленные применением сложных блоков: импульсного ускорителя электронов, узла введения электронного пучка в камеру-реактор, генератора импульсов тока с заявленными длительностью и частотой повторения, системы синхронизации по времени электронного ускорителя и генератора импульсов тока. Предлагаемое изобретение решает задачу повышения эксплуатационных характеристик по надежности и ресурсу.
Предлагаемая группа изобретений - способ крекинга нефти и нефтепродуктов путем воздействия импульсными электрическими разрядами и устройство для его осуществления - решает задачу повышения эксплуатационных характеристик. Технический результат состоит в повышении надежности и ресурса электродов и конденсаторов емкостного накопителя. Эрозия электродов при разрядах в воде по проведенным сравнительным испытаниям в зависимости от материалов электродов в 100-1000 раз меньше, чем при разрядах в нефтепродуктах при равных энергиях разряда. Поэтому при разрядах в воде существенно увеличивается срок службы электродов. Кроме того, апериодический характер разрядов в воде по сравнению с колебательным характером разрядов в нефтепродуктах по данным проведенных ресурсных испытаний позволяет повысить срок службы конденсаторов емкостного накопителя примерно в 5-10 раз. Очевидно, что увеличение срока службы электродов и емкостного накопителя повысит также надежность всего устройства.
Поставленная задача решается путем вдува в нефть и нефтепродукты водородосодержащего газа, смешения их с образованием гетерогенной среды, содержащей жидкую и газовую фазу, стыковки камеры-реактора крекинга через эластичную мембрану с электроразрядной камерой, заполненной водой и снабженной электродами, при этом амплитуда напряжения импульсных электрических разрядов составляет 25-40 кВ, амплитуда импульсов тока 3-10 кА, длительность импульсов 3-10 мкс и частота следования импульсов 5-30 Гц, и сепарирования обработанной гетерогенной среды с выделением образовавшихся легких фракций нефти и нефтепродуктов. Устройство для осуществления этого способа содержит смеситель с системой подачи водородосодержащего газа для приготовления гетерогенной среды, камеру-реактор крекинга, состыкованную через эластичную мембрану с электроразрядной камерой, заполненной водой и снабженной электродами, генератор импульсов тока и сепаратор для отделения образовавшихся легких фракций. Генератор импульсов тока содержит зарядное устройство с регулируемыми выходными напряжением и током, емкостный накопитель и коммутирующий разрядник. Генератор импульсов тока обеспечивает амплитуду импульса напряжения 25-40 кВ, амплитуду импульса тока 3-10 кА, длительность импульсов 3-10 мкс и частоту следования импульсов 5-30 Гц. Его режимы работы выбраны на основании экспериментальных исследований. Камера-реактор может быть выполнена в нескольких вариантах исполнения, описанных ниже.
Таким образом, поставленная задача крекинга тяжелых фракций нефти и нефтепродуктов на легкие фракции решается путем применения более простых и надежных операций и устройств по сравнению с используемыми в прототипе (введение электронного пучка в камеру-реактор и облучение в ней смеси, формирование коротких импульсов тока, связанное с определенными усложнениями схемы генератора импульсов, синхронизация по времени ускорителя электронов и генератора импульсов тока). Именно благодаря этому обеспечивается надежность и ресурс устройства для осуществления предлагаемого способа и, как следствие, преимущество предлагаемого изобретения перед прототипом.
Группа изобретений иллюстрируется следующими графическими материалами.
На фиг.1 изображена блок-схема реализации предлагаемого способа и устройства для его осуществления.
На фиг.2 и 3 показаны электроразрядные камеры, выполненные в виде цилиндра, с камерами-реакторами в форме усеченной пирамиды и тела вращения.
На фиг.4 и 5 изображены электроразрядные камеры, выполненные в виде сферы и цилиндра и состыкованные с ними камеры-реакторы.
На фиг.6, 7 и 8 изображены камеры-реакторы с внутренними поверхностями, выполненными в виде конуса, в виде цилиндра с кольцевыми диафрагмами и в виде цилиндра с вставленным по его оси усеченным конусом с кольцевыми преградами.
На фиг.9 приведены результаты испытаний устройства, изображенного на фиг.2; на фиг.10 - результаты испытаний устройства, изображенного на фиг.3; на фиг.11 - результаты испытаний камер-реакторов, изображенных на фиг.6-8, состыкованных с электроразрядной камерой в виде сферы (фиг.4) и цилиндра (фиг.5).
Устройство (фиг.1) содержит электроразрядную камеру 1 с электродами 2, 3, пристыкованную к ней через эластичную мембрану 4 камеру-реактор 5, смеситель 6 для приготовления гетерогенной среды, систему подачи водородосодержащего газа 7, сепаратор 8 для отделения образовавшихся легких фракций и генератор импульсов тока, состоящий из зарядного устройства 9 с регулируемыми выходными напряжением и током, емкостного накопителя 10 и коммутирующего разрядника 11.
Устройство работает следующим образом. В смеситель 6 подают нефть и нефтепродукты, водородосодержащий газ, поступающий из системы подачи 7, и получают таким образом гетерогенную смесь жидкость-газ. Полученную гетерогенную смесь подают в камеру-реактор 5. В электроразрядной камере 1, заполненной водой и отделенной от гетерогенной среды эластичной мембраной 4, между электродами 2, 3 формируются импульсные электрические разряды. Воздействие разрядов передается гетерогенной смеси в виде ударной волны, проходящей в камеру-реактор 5. Разрядные импульсы формируются в электроразрядной камере 1 при помощи генератора импульсов тока, обеспечивающего необходимый режим обработки нефти и нефтепродуктов импульсными разрядами амплитудой напряжения 25-40 кВ, амплитудой импульсов тока 3-10 кА, длительностью импульсов 3-10 мкс и частотой следования импульсов 5-30 Гц, и содержащего емкостный накопитель 10, коммутирующий разрядник 11 и зарядное устройство 9. Обработанная гетерогенная смесь из камеры-реактора 5 поступает в сепаратор 8 для отделения легких фракций.
В предлагаемом способе и устройстве для его осуществления основными воздействующими факторами на нефть и нефтепродукты являются формирующаяся при импульсном разряде ударная волна в электроразрядной камере и связанные с ней кавитационные процессы в камере-реакторе 5.
На фиг.2 изображена камера-реактор 5, выполненная в виде усеченной пирамиды с расположенными на внутренних поверхностях ее граней и основания преградами 12 перпендикулярно этим поверхностям и состыкованная с электроразрядной камерой 1, выполненной в виде цилиндра с эластичной внешней боковой поверхностью-мембраной 4. Электроды 2, 3 расположены на оси симметрии электроразрядной камеры, совпадающей с осью пирамиды. Камера-реактор 5 функционирует следующим образом. После импульсного разряда в воде формируется осесимметричная (относительно оси разряда) ударная волна, которая через кольцевую мембрану воздействует на прокачиваемую через камеру-реактор гетерогенную смесь. Термический крекинг происходит в зонах кавитации перед преградами 12 в результате взаимодействия ударной волны с преградами, вызывающего чередование волн разрежения и волн сжатия. Схождение граней камеры-реактора способствует увеличению перепада давления на фронте ударной волны по мере удаления от электродов 2, 3.
На фиг.3 изображена камера-реактор 5, выполненная в виде тела вращения со сходящимися к периферии верхней и нижней внутренними стенками и с концентрическими кольцевыми преградами 12 на внутренних поверхностях стенок камеры-реактора 5 и состыкованная с электроразрядной камерой 1, выполненной в виде цилиндра с эластичной внешней боковой поверхностью-мембраной 4. Электроды 2, 3 расположены на оси симметрии электроразрядной камеры 1, совпадающей с осью камеры-реактора 5. Камера-реактор 5 функционирует следующим образом. Формируемая осесимметричная ударная волна через кольцевую мембрану воздействует на прокачиваемую через камеру-реактор 5 гетерогенную смесь. Термический крекинг происходит в зонах кавитации перед преградами 12 в результате взаимодействия ударной волны с преградами 12, вызывающего чередование волн разрежения и волн сжатия. Схождение к периферии верхней и нижней внутренних стенок камеры-реактора 5 способствует увеличению перепада давления на фронте ударной волны по мере удаления от электродов 2, 3.
На фиг.4 и 5 изображены электроразрядные камеры 1, выполненные в виде сферы или цилиндра и состыкованные через мембраны 4 с камерами-реакторами 5, расположенными на внешней поверхности сферы или боковой поверхности цилиндра. Электроды 2, 3 расположены на оси симметрии электроразрядной камеры. Камеры-ректоры 5 соединяются между собой трубопроводами (на фиг.4 и 5 не показаны), через которые прокачивается обрабатываемая гетерогенная смесь. Следует отметить, что принципиально электроразрядные камеры могут быть выполнены в произвольной форме с произвольным расположением электродов.
На фиг.6 изображена камера-реактор 5 с конической внутренней поверхностью 13. При затекании в камеру-реактор ударной волны возникают процессы кавитации вследствие чередования волн разрежения и сжатия с последующим термическим крекингом.
На фиг.7 изображена камера-реактор 5 с цилиндрической внутренней поверхностью 14 и с установленными преградами 12 в виде кольцевых диафрагм. При взаимодействии ударной волны с диафрагмами возникают процессы кавитации вследствие чередования волн разрежения и сжатия с последующим термическим крекингом.
На фиг.8 изображена камера-реактор 5 с цилиндрической внутренней поверхностью 14 и установленным на оси цилиндра усеченным конусом 15 с кольцевыми преградами 12. При взаимодействии ударной волны с преградами возникают процессы кавитации вследствие чередования волн разрежения и сжатия с последующим термическим крекингом.
Работоспособность способа крекинга нефти и нефтепродуктов путем воздействия импульсными электрическими разрядами и устройства для его осуществления подтверждена испытаниями на тяжелой нефти и мазуте. Результаты испытаний устройств, изображенных на фиг.2-8, приведены на фиг.9-11 в виде кривых разгонки исходных и обработанных нефти и нефтепродуктов на стандартном аппарате АРН-2 в соответствии с ГОСТ 11011-85. На приведенных кривых наглядно демонстрируется увеличение содержания легких фракций в обработанной тяжелой нефти. Так, суммарное содержание фракций с температурой кипения ниже 350°С в обработанной нефти увеличивается в зависимости от типа камеры реактора от 2-5% (фиг.9 и 11) до 11% (фиг.11). Таким образом, при использовании описываемого способа крекинга в сепаратор 8 будут поступать обработанные нефтепродукты, содержащие бòльшее количество легких фракций.
Источники информации
1. Андреев Д.Н. Органический синтез в электрических разрядах. М: Изд-во АН СССР, 1953, 109 с.
2. Патент RU №2086605, кл. C10G 15/08, C10G 15/00, опублик. 1997.
3. Патент US №2005/0121366, кл. C10G 9/00, B01J 19/08, F17D 1/16, опублик. 2005.
4. Патент US №2010/0108492, кл. C10G 15/08, опублик. 2010.