Устройство для магнитно-резонансной модификации углеводородного топлива

Полезная модель относится к устройствам автоматического управления технологическими процессами производства нефтепродуктов улучшенного качества, связанных с модификацией углеводородных топлив, полученных в результате классических методов нефтепереработки, например с целью повышения октанового числа бензинов.
Аналогами заявляемой полезной модели являются устройства модификации углеводородов, основанные на электромагнитной, в том числе радиационной, рентгеновской, оптической, радиочастотной и магнитной обработке продукта (RU №2039789 от 22.12.1992, опубл. 20.07.1995, МПК C10G 15/00; RU №2116330 от 11.09.1996, опубл. 27.07.1998, МПК C10G 9/08, C10G 9/14; RU №2202593 от 22.05.2001, опубл. 20.04.2003, МПК C10G 15/12, С01В 3/00; RU №2339678 от 26.05.2006, опубл. 27.04.2008, МПК G05D 11/02; RU №73486 от 27.12.2007, опубл. 20.05.2008, МПК G01 N24/08; US 5673674 C02F1 /48; US 5055180 C10G 1/00; US 3055814 C10G 35/16; JP 55-153850 F02M 27/04), а также изобретения, основанные на материалах «Магнитная обработка жидкостей в нефтедобыче» Спиридонова Р.В, Демахина С.А., Кивокурцева А.Ю. Перечисленные способы и устройства основаны на использовании при модификации энергии электромагнитного поля, создаваемой генератором, нагревающей продукт, как правило, в присутствии катализатора, что в дальнейшем приводит к фракционным разделениям компонентов и к классическим термо-химическим процессам изомеризации, связанной с изменением структуры молекул.
Недостатком аналогов является низкий КПД, связанный с нагревом продукта, при этом изменению подвергается весь компонентный состав, возникают дополнительные отходы производства, уменьшающие выход готового продукта. Недостатки прямой оптической и магнитной обработки топлив, которые проходят без нагревания, обусловлены их низкой эффективностью, так как не приводят к существенным изменениям основных показателей качества нефтепродуктов, таких как детонационная стойкость, плотность, вязкость.
Известно также электромагнитное устройство модификации топлива перед сжиганием (патент RU 2098454 от 25.11.1993, опубл. 10.12.1997, МПК C10G 32/02, BOJ 19/12), включающее возбудитель электромагнитного поля, выполненный в виде соленоида, охватывающего емкость, для обработки продукта электромагнитным полем напряженностью до 2⋅106 А/м, частотой импульсов 700-800 Гц и длительностью 0,009-0,02 сек. Его недостатком является недостаточная эффективность и стабильность результата, так как предложенное устройство предполагает обработку непосредственно перед использованием нефтепродукта, что не приводит к устойчивым существенным изменениям основных показателей качества.
Прототипом заявленной полезной модели является устройство для электромагнитной модификации углеводородов на частотах ядерного магнитного резонанса (патент RU №140192, от 20.11. 2013 г., опубл 10.05.2014, МПК C10G 15/08 C10G 32/02 B01J 19/12), содержащее емкость с углеводородным сырьем, помещенную внутрь индуктора, выполненного в виде соленоида, подключенного к генератору переменного тока, и помещенного в зазор постоянного магнита, магнитный поток которого ортогонален магнитному потоку индуктора, систему подвода и отвода нефтепродукта, устройства контроля частоты резонанса, выполненного на основе измерителя коэффициента мощности, вход которого подключен к выходу генератора, и блок управления частотой, вход которого подключен к выходу блока измерения, а выход подключен к частотозадающему входу генератора.
Недостатком прототипа является недостаточная эффективность процесса модификации, связанная с тем то, что частота резонанса плавает в достаточно широких пределах в зависимости от многих климатических и конструктивных факторов и в нем не предусмотрена возможность автоматического поиска и выбора частоты резонанса обрабатываемого нефтепродукта, на которой максимально резонирует выбранная молекула многокомпонентного состава.
Поставлена задача повысить эффективность процедуры электромагнитной модификации углеводородных топлив, путем обеспечения возможности автоматического поиска частоты резонанса с целью достижения заданных параметров качества при минимальных энергетических затратах и отходах производства.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве для магнитно-резонансной модификации углеводородов, содержащем емкость с углеводородным сырьем, расположенную внутри индуктора, подключенного к генератору переменного тока и помещенного в зазор постоянного магнита, магнитный поток которого ортогонален магнитному потоку индуктора, систему подвода и отвода нефтепродукта, в индуктор введен дополнительный соленоид, вход которого через первый ключ подключен к выходу генератора импульсов и через второй ключ к входу импульсного устройства регистрации ядерного магнитного резонанса, выход которого подключен к частотозадающему входу генератора переменного тока, а управляющие входы ключей и генератора импульсов подсоединены к выходу блока управления.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема устройства магнитно-резонансной модификации углеводородных топлив, на фиг .2, 3 изображены сигналы схемы. Устройство состоит из генератора электрических сигналов 1, выход которого подключен к силовому соленоиду 2 индуктора 3, содержащему также измерительный соленоид 4, охватывающих емкость 5, расположенную между полюсами постоянного магнита 6. Измерительный соленоид 4 через ключ 7 подключен к генератору импульсов 8 и через ключ 9 к входу импульсной схемы измерения частоты ядерного магнитного резонанса 10, выход которой подключен к частотно-задающему входу генератора 1. Управляющие входы ключей 7, 9 и генератора импульсов 8 подсоединены к выходу блока управления 11. Магнитный поток, создаваемый соленоидами 2, 4 ортогонален постоянному магнитному полю, создаваемому постоянным магнитом 6.
6
14
Работу схемы рассмотрим на примере модификации бензина с целью повышения его октанового числа. Прямогонный низкооктановый бензин - это среда, содержащая много компонентов, основными из которых являются легкие жидкие фракции пентан, гексан, гептан, октан. Для повышения октанового числа его подвергают изомеризации путем специальной термообработки в присутствии катализаторов. Например, один из самых важных компонентов бензина гексан имеет пять изомеров, показанные в таб. 1. Гексан СН и все его изомеры являются устойчивыми жидкостями с температурами кипения от 50 до 70°С. Октановые числа приведены по исследовательскому методу.
Как видим из таблицы, разветвление молекулы, точнее переход атома углерода в ответвленные связи приводит к повышению октанового числа данного компонента бензина. Высокие октановые числа изомеров как раз и являются целью модификации (изомеризации) н-гексана. Аналогичные изменения молекулы при изомеризации происходят у других компонентов бензина. Изомеризация даже одной группы молекул приводит к повышению октанового числа бензинов в целом. Однако достаточно затратный процесс термохимической изомеризации топлива можно провести электромагнитным излучением на частоте ядерного магнитного резонанса выбранных групп молекул.
Принцип модификации заключается в изменении октанового числа бензина путем реструктуризации молекул группы компонентов в заданном объеме при помощи электромагнитного сигнала.
1
2
13
Для этого топливо помещается в магнитное поле, которое создает условие для возникновения в среде ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В топливе в основном только водород и углерод, но резонирует только водород Н, так как согласно теории ЯМР углерод, имеющий четное число протонов и нейтронов имеет нулевой магнитный момент и не может быть зафиксирован средствами ЯМР. В этих условиях электромагнитным сигналом на частоте ЯМР можно при минимальных энергетических затратах разорвать любую связь в молекуле, получить большой ассортимент свободных радикалов, часть которых при хаотическом взаимодействии объединяются в изомерные молекулы. Отметим, что в нефтепродуктах в общем случае присутствуют изотопы Н, С, которые могут резонировать на частотах ЯМР, однако их общее содержание в топливе не превышает 1%, что не может оказать существенного влияния на разрабатываемую технологию.
0
0
Устройство работает следующим образом. На емкость 5 с модифицируемым топливом намотан индуктор 3, содержащий два соленоида, соленоид 2 - силовой, который служит непосредственно для модификации продукта, соленоид 4 - измерительный, служит для регистрации и определения частоты резонанса. По команде блока управления 11 запускается генератор 8, замыкается ключ 7, размыкается ключ 9. Через соленоид 4 проходит импульс тока, который возбуждает в топливе процесс поворота магнитных моментов присутствующих в нем протонов атомов водорода, ранее ориентированных постоянным магнитом 6. По окончании действия возбуждающего импульса тока, ключ 7 размыкается, ключ 9 замыкается и соленоид 4 подключается к входу схемы фиксации ЯМР 10, сущность работы которой состоит в следующем. При снятии возбуждающего импульса магнитные моменты протонов водорода возвращаются в исходное состояние, тем самым формируют в соленоиде 4 импульс тока (фиг. 2), форма которого зависит от химического состава и структуры молекулы, и она уникальна для любого атома и его молекулярного окружения. Схема фиксации ЯМР осуществляет преобразование Фурье от поступившего импульса, в результате которого определяется спектральный состав сформированного соленоидом 4 импульса, график которого показан на фиг. 3. Как правило, спектральный состав имеет несколько экстремумов, каждый из которых показывает частоту резонанса протонов водорода определенной группы молекул, даже определенному положению атома в молекуле. Максимальная амплитуда резонанса соответствует максимальному числу резонирующих ядер. Эта частота ω соответствующая максимальной амплитуде резонанса, принимается как рабочая для электромагнитной обработки топлива. Схема фиксации ЯМР 10, формирует сигнал на управляющий вход генератора 1, на основании которого он генерирует гармонический сигнал с частотой ω, поступающий на соленоид 2, осуществляющий обработку топлива на частоте ЯМР. Процесс периодически повторяется, таким образом, схема автоматически следит и корректирует частоту обработки топлива по фактору максимального числа резонирующих ядер, независимо от температуры, износа оборудования, колебания химического состава в процессе поточной модификации нефтепродукта.
Частота резонанса ядер определяется по формуле
,
1
7
где γ - гиромагнитное отношение, характеризующее данный вид ядер, для водорода Н, γ=26, 75⋅10 рад/Тл⋅сек;
0
В - напряженность постоянного магнитного поля, Тл;
σ - константа экранирования, определяемая местом и химическими связями резонирующего ядра в молекуле - она определяет несколько экстремумов в спектральном составе топлива, показанном на фиг. 3, где каждой молекулярной группе соответствует своя частота резонанса. Отметим, что внутри каждой группы могут быть несколько локальных резонансов, соответствующих электронному окружению (экранированию) атомов водорода в молекуле. Их выявление зависит от разрешающей способности схемы 10 фиксации ЯМР, но не столь существенно для разрабатываемой технологии, так как устройство работает по фактору максимальной амплитуды резонанса. В принципе конструкция устройства позволяет проводить обработку топлива на любой частоте, соответствующей выбранной группе компонентного состава, например на частоте резонанса гептана или октана, либо при определенных конструкционных изменениях, одновременно на всех частотах резонансов компонентного состава. Это несомненно повысит эффективность модификации.
Краткое объяснение процесса модификации состоит в следующем. При определенной частоте генерирующего контура наступает момент резонансного поглощения средой электромагнитного сигнала, проявляющееся как падение напряжения в приемной катушке. С электротехнической точки зрения это связано с увеличением магнитной проницаемости среды, находящейся внутри приемной катушки. Поглощая квантованную порцию электромагнитного сигнала, в момент ЯМР ядро резонирующего атома изменяет магнитный спин на противоположный. Изменение спина ядра неизбежно приведет к синхронному изменению спина собственного электрона атома. Это связано с тем, что происходит взаимодействие спина атомного ядра с магнитным полем электрона (спин-спиновое взаимодействие. Таким образом, два электрона, находящиеся на гибридных орбиталях взаимодействующих атомов станут не совместимы по спину. В данном месте молекулярная связь разорвется. Молекула на некоторое время превращается в два или три активных радикала, которые в процессе хаотического движения могут найти электрон нужного спина, чтобы превратиться в молекулу такого же химического состава, но другой структуры, происходит изомеризация молекулы. Достаточно глубокое теоретическое обоснование этого процесса основывается на элементах спиновой химии. Следует отметить, что наиболее эффективно проводить магнитно-резонансную модификацию топлива непосредственно перед сжиганием, когда свободные радикалы разорванной молекулы окисляются, не успевая рекомбинировать до устойчивого состояния. Известно, что процесс окисления наиболее интенсивен для молекул, имеющих свободные валентные электроны, которые присутствуют в радикалах разорванной молекулы.
При работе происходит автоматическая подстройка частоты генератора на частоту ядерного магнитного резонанса с целью поддержания наибольшего поглощения энергии электромагнитных волн в веществе, при этом энергия генератора максимально расходуется на разрыв химических связей. Расчеты показали, что использование резонансного эффекта при разрыве молекулы позволяют снизить ресурсные затраты на изомеризацию в 5-8 раз, причем технология практически безотходна.
Предлагаемое устройство может быть применено для модификации не только бензинов, но и более тяжелых топлив, таких как керосин, дизельное топливо, судовое и ракетное топливо, мазут, причем по разным показателям качества, например для изменения плотности, вязкости, температуры вспышки и другим параметрам.