СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТЯНОГО СЫРЬЯ Российский патент 1998 года по МПК C10G15/08 

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, в частности касается способа переработки углеводородного сырья, и может быть использовано на установках атмосферной или вакуумной перегонки нефти, селективной очистки масел, висбрекинга нефтяных остатков и др.

Известны способы переработки тяжелых нефтяных остатков с использованием физических методов воздействия [1]
В 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/см² при остаточном давлении 20-200 мм рт. ст. Однако, как следует из приведенных данных, в этом способе основное влияние на увеличение выхода дистиллятных фракций оказывает резкое увеличение глубины вакуума и снижение остаточного давления с 680 до 20-200 мм рт. ст. Так, при воздействии акустическими колебаниями в 120 раз большей частоты и лишь в 1,5-2 раза меньшей мощности (пример 14 по сравнению с примерами 1, 4, 7, 10) лишь резкое снижение остаточного давления в этих примерах соответственно в 34; 3,4; 6,8 раз позволяет увеличить выход дистиллятов в 1,8-2,1 раза.

В связи с этим технология переработки мазута характеризуется высокими энергетическими затратами на создание глубокого вакуума и применение ультразвуковой обработки, что приводит к значительному удорожанию способа. Кроме того, способ не касается переработки другого нефтяного сырья, кроме мазута.

Известно использование кавитационного эффекта при обработке различных жидкостей, в том числе в нефтяной и химической промышленности, с целью интенсификации процессов. Так, в известном [2] способе при дегазации жидкостей используют режим кавитации, создаваемый за счет сужения и расширения потока жидкости при отношении давления за сужением потока к давлению перед ним не более 0,15, и устройство для дегазации. Однако приведенный в этом способе режим кавитации позволяет лишь дегазировать жидкости, но не разрушает молекулярно-коллоидных структур нефтяных и химических систем и таким образом не интенсифицирует создание высокодисперсных частиц жидкой фазы, благоприятно влияющих на дальнейшую переработки жидкого углеводородного сырья.

Известен способ [3] переработки углеводородного сырья путем окисления кислородом воздуха при повышенной температуре, в котором, с целью интенсификации процесса, сырье перед окислением предварительно подвергают кавитационной обработке в кавитаторе активаторе при температуре ниже температуры окисления в режиме частичной кавитации при скорости потока 8-15 м/с с образованием суперкаверн с относительной длиной 1,5-2,5. Затем проводят окисление и кавитаторе-реакторе в режиме суперкавитационного вентилирования при скорости потока 6-12 м/с, степени стеснения потока 0,25-0,90 с получением продукта окисления. Далее продукт окисления дополнительно подвергают дегазации в кавитаторе-дегазаторе в режиме развитой кавитации при скоростях потока 15-35 м/с с образованием суперкаверн с относительной длиной 10-40 при непрерывной рециркуляции с кратностью 1,5-6,0. Способ обладает недостатками, связанными с многостадийностью кавитационной обработки (3 стадии кавитации) и применением на каждой стадии отдельного аппарата кавитатора. В связи с этим известный способ переработки углеводородного сырья является энергоемким, дорогостоящим, сложным в эксплуатационном исполнении и регулировании режимов кавитации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому решению является способ [4] переработки тяжелых нефтяных остатков включающий механическую обработку в диспергирующей машине роторного типа, причем, с целью увеличения выхода светлых фракций с пределами выкипания 240-420^oC, в качестве диспергирующей машины используют гидродинамический роторно-пульсационный аппарат и обработку ведут 3-10 мин в присутствии водорода, который подают со скоростью 1,0-2,0 л/мин.

Недостатком известного способа является низкая интенсивность кавитационно-кумулятивного поля, в котором создается режим кавитации с прерыванием сплошности потока с предельной частотой 15 кГц, и нет наложения более высоких и более низких частот. Кавитация образуется в основном за счет создания чередующихся волн сжатия и растяжения, а не за счет интенсивного разрыва жидкостей и, для того чтобы повысить степень механодеструкции нефтяного сырья, обработку ведут в газообразной среде в среде водорода, что также является недостатком известного способа, связанного с использованием дорогостоящего газа.

Другим недостатком способа является отсутствие регулирования режима кавитации (скорость вращения ротора, позволяющая реализовать режим кавитации, составляет 8600 об/мин). В связи с этим при использовании нефтяного сырья различного химического и фракционного состава, вязкости и прочих физико-химических характеристик для некоторых из них может не реализоваться механизм кавитации, позволяющий произвести его механодеструкцию.

Наконец, известный способ переработки тяжелых нефтяных остатков связан со значительными энергозатратами, так как при большой скорости вращения ротора (8600 об/мин) для создания эффекта кавитации требуется довольно большое время пребывания продукта в диспергирующем аппарате от 3 до 10 мин.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности переработки нефтяного сырья и снижение энергозатрат.

Поставленная задача решается тем, что в способе переработки нефтяного сырья путем механической обработки в диспергирующем гидромеханическом роторно-пульсационном аппарате, нефтяное сырье подвергают ударно-кавитационному воздействию в направлении, обратном направлению его циркуляции, с произведением угловой скорости воздействующего устройства на время пребывания сырья в зоне воздействия, равным 50-5000 рад.

Отличительным признаком изобретения является то, что нефтяное сырье подвергают ударно-кавитационному воздействию в направлении, обратном направлению его циркуляции. Такое воздействие в направлении, обратном направлению циркуляции нефтяного сырья, позволяет создать максимально возможные условия для разрыва жидкостей с последующим воздействием высокоинтенсивного кавитационно-кумулятивного поля. При этом сопутствующие струи жидкости движутся в противоположных направлениях со сверхзвуковой скоростью, в результате чего создаются ударные волны, располагающиеся по всему объему обрабатываемого сырья. Поэтому, практически вся энергия кавитационного эффекта используется для воздействия на энергетическое состояние нефтяных дисперсных систем и их смесей с другими компонентами, сопутствующими условиях переработки нефтяного сырья, например, с водой, растворителями и пр.

Другой отличительный признак предполагаемого изобретения заключается в том, что нефтяное сырье подвергают ударно-кавитационному воздействию с произведением угловой скорости воздействующего устройства на время пребывания сырья в зоне воздействия, равным 50-5000 рад. Изменение произведения в пределах 50-5000 рад позволяет регулировать режим кавитации в зависимости от природы исходного нефтяного сырья, причем регулирование может осуществляться за счет изменения ряда факторов, входящих в эту величину, например, радиуса резонаторов, частоты вращения роторов, времени пребывания сырья в зоне воздействия. Пределы произведения угловой скорости воздействующего устройства на время пребывания сырья в зоне воздействия, равным 50-5000 рад, определяют возможность создания высокоинтенсивного кавитационного поля с наложением высоких и низких частот и максимальным воздействием на нефтяную систему в зависимости от ее химической природы, состава и свойств.

По имеющимся у авторов сведениям предлагаемая совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, не известна из уровня техники, следовательно изобретение соответствует критерию "новизна".

Сущность заявляемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники. Совокупность признаков, характеризующих известные способы переработки нефтяного сырья, не обеспечивает достижения новых свойств и только наличие отличительных признаков позволяет получить новый технический результат. Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Заявляемое изобретение может быть многократно использовано при переработке нефтяного сырья в различных процессах, например, при первичной перегонке нефти, в селективной очистке масляных фракций методами экстракции, деасфальтизации, депарафинизации масел, при подготовке нефтяного сырья ко вторичной переработке, при сжигании топливноводных смесей, при смешении различных нефтяных фракций с другими компонентами и др. При этом каждый раз получают технический результат, заключающийся в повышении эффективности переработки нефтяного сырья и снижении энергозатрат за счет того, что нефтяное сырье подвергают ударно-кавитационному воздействию в направлении, обратном направлению его циркуляции, с произведением угловой скорости воздействующего устройства на время пребывания сырья в зоне воздействия, равным 50-5000 рад. Кроме того, имеется возможность регулирования режима кавитации в зависимости от природы и физико-химических свойств исходного нефтяного сырья.

В качестве нефтяного сырья используют тяжелые нефтяные остатки атмосферной или вакуумной перегонки нефти (мазут, гудрон), асфальт, деасфальтизат, котельное топливо, экстракты масел, вакуумные дистилляты, дизельные, бензиновые фракции, смеси различных нефтяных фракций с растворителями, смеси топливных компонентов с водой, смеси синтетических и нефтяных масел с присадками, сырая нефть, отбензиненная нефть и др.

Осуществление предлагаемого способа иллюстрируется конкретными примерами.

Пример 1.

Нефть малосернистую (сера 0,26 мас.) поволжских месторождений с плотностью 0,8312 г/см³, кинематической вязкостью при 20^oC 14,25 мм² до 200^oC, и 24,6 мас. керосино-газойлевых фракций, выкипающих в пределах 200-350^oC (сумма светлых фракций 50,6 мас.), 0,90 мас. асфальтенов и 12,8 мас. смолистых веществ, загружают в диспергирующий гидродинамический роторно-пульсационный аппарат, содержащий цилиндрический ротор с прорезями и кавитационными резонаторами в виде криволинейных лопаток, выполненных из стали марки 12Х18Н10Т, и статор с прорезями, и подвергают ударно-кавитационному воздействию в направлении, обратном направлению циркуляции сырья (фиг. 1). Произведение угловой скорости воздействующего устройства на время пребывания сырья в зоне воздействия составляет 50 рад. Обработанную нефть фракционируют на бензиновую (Н.К.-200^oC) и керосино-газойлевую (200-350^oC) фракции, определяют их содержание, содержание асфальтенов и смолистых веществ, а также кинематическую вязкость при 20^oC. Результаты представлены в таблице.

Пример 2.

Нефть сернистую (сера 1,43 мас.) западно-сибирских месторождений с плотностью 0,8602 г/см³, кинематической вязкостью при 20^oC 18,85 mm², содержащую 19,3 мас. фракций 200-350^oC (сумма светлых фракций 46,7 мас.), 1,47 мас. асфальтенов и 18,8 мас. смолистых веществ обрабатывают как в примере 1. Условия обработки нефти представлены в таблице.

Пример 3.

Мазут, полученный из нефти по примеру 1 после отгонки из нее светлых фракций, выкипающих до 350^oC, с плотностью 0,927 г/см³, условной вязкостью при 80^oC 3,78^oBY, имеющий начало кипения 223^oC и содержащий 39,2 мас. фракций 240-420^oC 2,43 мас. асфальтенов и 14,7 мас. смолистых веществ, обрабатывают как в примере 1, но при условиях, указанных в таблице.

Обработанный мазут подвергают фракционированию под вакуумом при условиях, аналогичных для исходного мазута. Определяют содержание фракций 240-420^oC, асфальтенов и смолистых веществ. Результаты представлены в таблице.

Пример 4.

Мазут, полученный из нефти по примеру 2 после отгонки из нее светлых фракций, выкипающих до 350^oC, плотностью 0,954 г/см³, вязкостью условной при 80^oC 8,82^oВУ, имеющий начало кипения 238^oC и содержащий 25,6 мас. фракций 240-420^oC, обрабатывают в примере 1, но при условиях указанных в таблице. Обработанный мазут фракционируют и анализируют аналогично примеру 3. Результаты представлены в таблице.

Пример 5.

Смесь 95 об. гудрона с условной вязкостью при 80^oC 57 на основе западно-сибирских и волгоградских нефтей и 5 об. воды (парового конденсата) загружают в аппарат и обрабатывают как в примере 1, но при условиях, указанных в таблице. После обработки смесь выгружают, определяют условную вязкость и отстаивают при температуре 80^oC до выделения водного слоя с замером его объемного количества. Результаты приведены в таблице.

При обработке аналогичной смеси гудрона и воды по известному в аналогичных примеру 5 условиях получена смесь, расслаивающаяся через 25 мин.

Значение произведения угловой скорости воздействующего устройства на время пребывания сырья в зоне воздействия ниже 50 рад не создает интенсивного воздействия на систему, и эффективность переработки нефтяного сырья по сравнению с известным способом повышается незначительно; более 5000 рад связано с увеличением энергетических затрат.

Как видно из данных таблицы, осуществление способа переработки нефтяного сырья по предлагаемому техническому решению, в котором нефтяное сырье подвергают ударно-кавитационному воздействию в диспергирующем гидродинамическом роторно-пульсационном аппарате в направлении, обратном направлению его циркуляций, с произведением угловой скорости воздействующего устройства на время пребывания сырья в зоне воздействия, равным 50-5000 рад, позволяет при значительном снижении энергетических затрат увеличить выход светлых нефтепродуктов по сравнению с известным способом за счет создания высокоэффективного кавитирующего поля. Так, в сравнимых условиях при одинаковой частоте вращения 8600 об/мин в известном и предлагаемом способах (пример 4), но с использованием нового технического решения, на этой частоте было обнаружено значение произведения угловой скорости воздействующего устройства на время пребывания сырья в зоне воздействия, равное 5000 рад, которое позволило сократить время воздействия в 30 раз (6 с против 3 мин). При этом выход светлых фракций при переработке мазута (примерно одинакового исходного качества) возрос в 2,3-2,8 раза, а содержание асфальто-смолистых веществ в предлагаемых условиях сократилось на 2,2-3,5% Следует отметить, что другие примеры известного способа еще менее энергетически выгодны по сравнению с предлагаемыми, так как для достижения более высоких технологических показателей требуется увеличение времени пребывания до 5-10 мин и расхода дорогостоящего газа водорода до 10-20 л (25-50 л/кг).

Кроме того, предлагаемый способ используют не только для переработки мазута, но и другого нефтяного сырья, перечисленного выше, в частности, для подготовки нефти перед ее атмосферно-вакуумной перегонкой (примеры 1, 2), для создания устойчивой водотопливной смеси (пример 5).

В то же время в предлагаемом способе в примерах 1, 2, 3 энергетические затраты много меньше, чем в примере 4 в связи с меньшим значением произведения угловой скорости воздействующего устройства на время пребывания сырья в зоне воздействия за счет использования снижения частоты вращения и краткого времени пребыванмя сырья в зоне воздействия.

После механической обработки сырой нефти различного качества по предлагаемому способу выход светлых нефтепродуктов, выкипающих до 350^oC, в т.ч. бензиновых фракций, возрос на 2,4 и 0,6 мас. соответственно (пример 1) и на 4,1 и 0,6 мас. (пример 2). Также улучшилось качество нефти по вязкости, содержанию асфальтенов и смол, что облегчает ее последующую переработку на установках АТ и АВТ.

Таким образом, предлагаемая новая совокупность существенных признаков обеспечивает достижение цели, заключающейся в повышении эффективности переработки нефтяного сырья и снижении энергозатрат.

Использование: изобретение касается способов переработки углеводородного сырья и может быть использовано на установках атмосферной или вакуумной перегонки нефти, селективной очистки масел, висбрекинга гудрона и др. Техническая задача: повышение эффективности переработки нефтяного сырья и снижение энергозатрат. Сущность изобретения: способ включает механическую обработку нефтяного сырья в диспергирующем роторно-пульсационном аппарате, причем нефтяное сырье подвергают ударно-кавитационному воздействию в направлении, обратном направлению его циркуляции, с произведением угловой скорости воздействующего устройства на время пребывания сырья в зоне воздействия, равным 50-5000 радиан. 1 табл., 1 ил.

Способ переработки нефтяного сырья путем механической обработки в диспергирующем гидродинамическом роторно-пульсационном аппарате, отличающийся тем, что нефтяное сырье подвергают ударно-кавитационному воздействию в направлении, обратном направлению его циркуляции, с произведением угловой скорости воздействующего устройства на время пребывания сырья в зоне воздействия, равным 50 5000 рад.