СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ
PROCEDURE FOR TREATMENT OF HYDROCARBON STOCK

Изобретение относится к нефтехимии, в частности, к области переработки углеводородов, и может быть использовано в химической, нефтехимической промышленности и топливной энергетике для получения различных нефтепродуктов, в том числе высококачественного топлива.
Известны способы переработки углеводородного сырья, в частности, тяжелой сырой нефти, с получением целевых продуктов, предполагающие ее предварительное обессоливание и обезвоживание, последующую стадию перегонки, включающую термические и термодеструктивные процессы с разделением на фракции, вывод готового продукта (патент US №5868923, кл. C10G 11/00, 1999 г.; патент US №5286374, кл. C10G 1/10, 1994 г.; патент US №7077199, кл. Е21В 43/243, 2006 г.). К недостаткам известных способов относятся большие энергозатраты на единицу продукции и высокая себестоимость процесса, поскольку для разложения тяжелых молекул углеводородов поддерживаются высокие температура и давление в перегонной аппаратуре либо проводится гидроочистка с использованием дорогих катализаторов.
Известны способы переработки углеводородного сырья, в которых производят различного рода дополнительное воздействие на сырьевой поток либо теплоноситель. В способе переработки жидких углеводородов по предварительному патенту KZ №3410, кл. C10G 9/00, 2006 г. и патенту ЕР №1452576, кл. C10G 33/06, 2004 г. эффективности процесса повышения выхода светлых фракций и снижения энергозатрат достигают кавитационным воздействием на сырьевой поток на стадии его перегонки либо его предварительной кавитационной обработкой.
Известны способы переработки углеводородного сырья, в которых сырьевой поток в перегонных реакторах подвергают механической активации, в том числе по патентам ЕР №1452576, кл. С10G 33/06, 2002 г.; RU №2102435, кл. С10G 15/08, 1998 г.
Известен способ, реализованный в реакторе по патенту RU №2145625, кл. C10G 9/36, 2000 г. Способ предусматривает подачу углеводородного сырья в реактор с приданием его потоку в объеме реактора направленного движения. Интенсивное движение потока позволяет прежде всего устранить застойные зоны в объеме перегонки и обеспечить активное взаимодействие потока перерабатываемого сырья с теплоносителем и/или катализатором, что увеличивает эффективность процесса. К тому же внутреннее трение в струе со сложной траекторией движения сопровождается некоторым дополнительным выделением тепла. Однако выделяемого тепла недостаточно для значительной активизации деструктивных процессов в углеводородах, и снижение энергетических затрат на процесс переработки невелико. К тому же недостаточная степень разрушения структуры сырья не гарантирует высокое содержание легких фракций и их надлежащее качество в продуктах переработки.
Настоящее изобретение решает задачу снижения энергозатрат на единицу продукции при увеличении выхода легких фракций и повышения их качества путем создания оптимальных условий для фазовых переходов в субстрате, составляющем исходный сырьевой поток.
Задача решается тем, что в способе переработки углеводородного сырья, включающем подачу исходного сырья в объем для перегонки (далее - реактор) с формированием направленного сырьевого потока и его перегонку с отбором целевого продукта, формирование потока осуществляют с обеспечением распределения плотности и момента импульса сырьевого потока в соответствии с волновой функцией, отвечающей условиям фазового перехода части сырьевого потока в позитронное состояние материи Дирака. В частном случае упомянутая часть сырьевого потока составляет не более 0,01% его объема.
В другом частном случае для улучшения реологических свойств сырьевого потока, содержащего тяжелую высоковязкую, а также сероводородосодержащую нефть, и снижения дополнительных энергозатрат на придание потоку направленного движения сырье предварительно нагревают до температур в пределах (160…440)°С.
С этой же целью, а также для увеличения ресурса перегонных систем и снижения требований к конструкции реактора, сырье до и после предварительного нагрева подвергают обессоливанию и обезвоживанию. Во втором случае процессы обессоливания и обезвоживания проходят с меньшими энергозатратами и уменьшается экологическая опасность производства.
Сущность заявляемого способа заключается в инициировании фазового перехода части субстрата, составляющего сырьевой поток углеводородов, в пятое состояние вещества с высвобождением значительного количества энергии, направляемой на осуществление деструктивных превращений углеводородов, что, в свою очередь, позволяет уменьшить затраты энергии от внешнего источника, в том числе тепловой, на переработку сырья. Под пятым состоянием вещества при этом понимается позитронное состояние материи Дирака.
Физические основы позитронного состояния материи Дирака, подробно изложены в монографии «The Principles of Quantum Mechanics by P.A.V.», Dirac, Second Edition, Oxford, 1935 [l]. Механизмы фазового перехода рабочей среды в пятое состояние вещества с поглощением или выделением большого количества энергии справедливы для субстрата, находящегося в любом агрегатном состоянии, и отражены в работе Умарова Г.Р. и др. «Решение задач многих тел и механизм плавления твердых тел», Расплавы АН СССР, 1990, - 3, с.25-31 [2] и основаны на том, что при введении субстрата в квантово-механический резонанс с позитронным состоянием материи Дирака в последнем возникают поляризационные процессы, сопровождающиеся поглощением двух материальных частиц, таких как электроны и протоны, и инициирующие процесс выделения тепловой и электромагнитной (в частности, в виде γ-излучения) энергии.
Условия для создания упомянутого квантово-механического резонанса в микрообъеме dV основаны на законе сохранения энергии и момента импульса и выражаются следующими соотношениями:
где ω=1, 2, 3… - квантовое число ω - частота перехода микрообъема субстрата в пятое состояние вещества, равная частоте осцилляционного движения центра тяжести микрообъема dV;
m - масса участвующих в переходе частиц;
с - скорость света в вакууме;
и
c
где l=±1, ±2, ±3… - квантовое число проекции момента импульса сырьевого потока;
L=±1, ±2, ±3… - квантовое число проекции момента импульса, передаваемого пятому состоянию;
- постоянная Планка.
Механизм развития фазового перехода субстрата, в том числе и сырьевого потока углеводородов, в пятое состояние вещества включает в себя как необходимое условие вырождения в энергетическом спектре.
Иными словами, фазовый переход возможен и состоится, когда два разных состояния субстрата, характеризующиеся двумя различными комбинациями квантовых чисел, имеют совпадающую по величине энергию.
Это условие может быть выражено нижеприведенными математическими выражениями, где приняты следующие обозначения:
1
1
1
1
E, Ψ (n, m) - энергия и волновая функция сырьевого потока как системы движущихся в пространстве и времени микрообъемов dV,
2
2
2
2
Е, Ψ (n, m) - энергия и волновая функция аналогичной системы в состоянии фазового перехода в пятое состояние вещества,
n1, n2, m1, m2 - квантовые числа
Для малых объемов dV справедливо следующее выражение для нулевого приближения энергии исходного состояния субстрата:
где Z - средний заряд атомов, составляющих рассматриваемый микрообъем dV.
2
С учетом этого равенства и при n→∞ (условие квантово-механического резонанса) сумма квантовых чисел, характеризующих систему:
Подробно свойства волновых функций, описывающих параметры сырьевого потока как системы движущихся в пространстве и времени микрообъемов dV, изложены в работе G.R. Umarov, «Correlation effects in a two-electron atom», Eur. J. Phis. 2 (1981), p.228-231. [3].
Эта волновая функция моделируется следующим образом:
где  - нормированная сферическая функция, описывающая угловую часть волновой функции;
с
1
c
1, m, m - орбитальные и магнитные квантовые числа;
i - мнимая единица;
R - модуль вектора расстояния между электронами;
1
φ - угловая переменная в параболических координатах;
2
θ, φ - угловые переменные в сферических координатах.
Функции φ(η) и φ(ξ) описывают колебания осциллятора в параболических координатах и представлены следующим выражением:
а радиальная составляющая волновой функции - следующим выражением:
где ,  - нормировочные множители, определяемые соотношениями вида:
1
1
F - вырожденная гипергеометрическая функция;
ω - частота, описывающая осцилляционные движения центров тяжести рассматриваемых микрообъемов сырья;
Z - средний заряд ядер атомов, составляющих рассматриваемый микрообъем dV;
R - модуль радиус-вектора, описывающий средний дипольный момент рассматриваемого микрообъема dV.
Таким образом, волновая функция переходного состояния системы как потока микрообъемов, движущихся в пространстве и времени, описывается соответствующей линейной комбинацией волновых функций вида (6) при выполнении условий (4) и (5):
где , а  - постоянные величины.
Отсюда следует, что распределения плотности микрообъема сырьевого потока и моментов импульса для осуществления квантово-механического резонанса с позитронным состоянием материи Дирака, должны соответствовать следующим условиям:
энергия
момент импульса
плотность микрообъема, где
где  - гамильтониан системы;
- оператор момента импульса;
m - усредненная масса молекулы сырьевого потока.
В определенных частях объема реактора плотность сырьевого потока ρ и момент импульса М описываются следующим образом:
где
Т - характерное время процесса;
t - текущее время;
0
t - момент времени, в который наступает разрыв межмолекулярных связей;
ρ
M
q(t), (t) - предэкспоненциальные множители.
Таким образом, в результате квантово-механического резонанса субстрата с позитронным состоянием материи Дирака, предпосылкой для возникновения которого является формирование потока в реакторе с выполнением вышеприведенных условий (12, 13, 14), происходит физико-химическая активизация процессов деструкции углеводородов за счет собственных энергетических ресурсов субстрата. Результатом активации и описанного выше процесса выделения энергии является разрыв различных по прочности углеводородных связей и разделение сырьевого потока на фракции с различными температурами кипения. Тяжелая часть сырьевого потока с высокой температурой кипения в объеме до 10% общего объема отводится из реактора в качестве целевого продукта, например гудрона. Отобранный продукт, содержащий легкие фракции, может быть направлен для повторной обработки в существующий реактор либо в дополнительный. Эта операция может быть повторена неоднократно.
Возможность реализации заявленного способа подтверждена экспериментально на установке, функциональная схема которой представлена на прилагаемом чертеже.
Установка содержит основной узел - реактор (объем для перегонки углеводородного сырья) 1, систему подачи в него исходного сырья и теплоносителя 2, устройства отвода целевого продукта 3 и 4, устройство предварительной обработки сырья 5. Непосредственно реактор представляет собой объем с размещенным в нем струеформирующим устройством. Реактор снабжен входным патрубком, сообщающим его с системой подачи сырья и теплоносителя, и выходными - для сообщения с устройствами отвода целевых продуктов: легких и тяжелых фракций. Струеформирующее устройство представляет собой набор распределенных в объеме реактора и различно ориентированных трубопроводов с различными проходными сечениями. Каждый из трубопроводов имеет определенную присущую только ему конфигурацию, соответствующую представленной выше волновой функции, описывающей состояние и свойства сырьевого потока в каждой точке объема в каждый момент времени. В стенках трубопроводов выполнены перфорации, сообщающие внутренние полости трубопроводов с объемом реактора. Форма, размеры и взаимное расположение элементов струеформирующего устройства определены расчетным и экспериментальным путем исходя из требований к целевому продукту, природы, физико-химических свойств и состава исходного сырья и ряда других его термодинамических параметров, а также требований к конечному продукту. Система подачи исходного сырья представляет собой устройство нагнетания потока сырья и регулирования его скорости, а системы отбора построены на принципе разделения фракций по их удельному весу.
Способ осуществляется следующим образом.
Сырьевой поток, предварительно перед обработкой его в реакторе нагретый для улучшения его реологии и подвергнутый обессоливанию и обезвоживанию известными способами для снижения требований к конструкции реактора, подается в последний через систему подачи сырья и входной патрубок и поступает в трубопроводы струеформирующего устройства. Нагревание сырьевого потока может быть осуществлено путем смешивания его с теплоносителем в виде, например, нагретого пара или газа. Предварительной обработке подвергается тяжелое нефтяное сырье, в том числе высоковязкая нефть, нефтяная эмульсия, нефть, содержащая хлористые соли и механические примеси, а также сероводородосодержащая нефть. Легкое нефтяное сырье не требует предварительной подготовки и может быть сразу направлено непосредственно в реактор. В упомянутом устройстве сырьевой поток приобретает направленное движение по трубопроводам, распадаясь на отдельные струи. Конфигурация трубопроводов и их взаимная ориентация обеспечивает однонаправленное, встречнонаправленное либо перекрестнонаправленное движение струй. Проникая в объем реактора через перфорации в стенках трубопроводов, части потока взаимодействуют между собой. В процессе сложного направленного движения часть сырьевого потока претерпевает изменение плотности и момента импульса. Распределение плотности и момента импульса в соответствии с волновой функцией, отвечающей условиям перехода части потока в пятое состояние материи Дирака, гарантируется формой и размерами элементов струеформирующего устройства и их взаимным расположением. Обеспечение условий для упомянутого перехода части, а не всего потока предотвращает возможный значительный выброс энергии, который может привести к неконтролируемости процесса. Величина упомянутой части зависит от многих факторов, в том числе от качества и вида исходного сырья и рассчитывается для каждого отдельно случая. Для тяжелого нефтяного сырья с значительным содежанием примесей рекоменована цифра не более 0,01%. Инициированное высвобождаемой при этом энергией термомеханическое воздействие на сырьевой поток вызывает в нем деструктивные процессы и перераспределение компонентов переработки: на легкие углеводороды, которые выводятся из реактора как целевые продукты, и тяжелый нефтяной остаток. Целевые продукты могут быть использованы как самостоятельно, так и направлены для повторной переработки в последующие реакторы либо возвращены в существующий. Количество стадий перегонки определяется поставленными задачами.
Процент выхода легких фракций зависит от физико-химических характеристик сырья, требований к целевому продукту и может быть выше, чем при использовании уже известных способов. Эта цифра определена опытным путем при осуществлении перегонки высоковязкой нефти в вышеописанном устройстве.
В таблице, приведенной ниже, отражены результаты эксперимента по разделению исходной нефти по заявляемому способу на промышленной установке мощностью 1500 тонны в год.
Пределы отбора, физико-химические показатели
Выход фракций на нефть, мас.%
Исходная нефть
Нефть после обработки
Начало кипения, °С
68
46
до 200°С
10,6
31,4
до 250°С
15,1
42,9
до 300°С
22,2
56,2
до 350°С
29,9
67,2
Плотность, кг/м
941,2
795,7
Кинематическая вязкость, сСт при 20°С
87,9
1,3
Содержание серы, мас.%
5,0
1,5
Содержание хлоридов, мг/л
2000
50
Пропорции бензина, дизельного и реактивного топлива можно изменить в пределах 20-30 мас.% бензина, 40-60 мас.% дизельного топлива, 10-30 мас.% тяжелых остатков без ухудшения качества получаемых продуктов. В результате применения заявляемого способа отмечено, что происходит перераспределение компонентов: большая часть смол, асфальтенов, тяжелых металлов переходит в тяжелый остаток. Это существенно облегчает условия работы оборудования для получения топлив, а также снимает остроту экологической проблемы переработки нефти.
Отмечено также, что фракция легких углеводородов, получаемых по заявляемой технологии, превышает фракцию дистиллятов, производимых по традиционной технологии, а тяжелая фракция, в которую переходит основная часть вредных для светлых фракций примесей, по своим физико-технологическим свойствам может быть применена как сырье для производства высококачественных дорожных покрытий.
пep
исх
Качество переработанной заявляемым способом нефти оценивалась также по комплексному показателю (К), рассчитанному по методике, изложенной в работе Дегтярева В.Н. «О банке качества нефти», Нефтяное хозяйство, 1997, №3, с.62-63. Расчеты показали, что комплексный показатель качества переработанной нефти составил K=0,455 при показателе исходной нефти К=2.92. Отклонение комплексного показателя качества от единицы в сторону уменьшения ведет к удешевлению ее переработки.
Наиболее эффективен способ при переработке «вторичного» сырья, в том числе мазута и отработанного машинного масла, с целью получения дизельного топлива. В последнем случае заявленный способ, возможно, единственная возможность его переработки. Помимо уменьшения энергозатрат на переработку способ позволяет повысить качество целевого продукта, поскольку фазовый состав получаемых фракций существенно лучше получаемых известными способами и соответствует европейским стандартам. Это обеспечивается глубиной деструктивных процессов в углеводородах.
Варьированием параметров струеформирующего устройства возможно получение дополнительного технического результата при реализации способа:
- увеличение ассортимента целевых фракций;
- выделение фракций заданного состава;
- получение фракций, годных к непосредственному использованию в качестве топлива.
Заявленный способ переработки углеводородного сырья характеризуется высоким соотношением выхода наиболее ценных целевых фракций к энергозатратам, стоимости обработки и потерям сырья. Способ может быть использован для глубокой, безотходной, экологически чистой переработки всех видов жидкого сырья, включая высоковязкую нефть с высоким содержанием серы, солей, смол и других примесей.