СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕФТИ, НЕФТЯНОГО ШЛАМА, ОТРАБОТАННЫХ МАСЕЛ НА ОТДЕЛЬНЫЕ ФРАКЦИИ Российский патент 2009 года по МПК C10G7/00 C10L1/32 

Изобретение относится к области топливно-энергетического комплекса, а именно получению различных топлив из нефти, нефтяного шлама и отработанных масел (сырья). Основными способами переработки нефти являются перегонка и крекинг.

Перегонка, нефти проводится путем нагрева ее до определенной температуры, при которой содержащиеся в ней углеводороды отделяются от нелетучего остатка. Далее собирают отдельные фракции нефти, отличающиеся различными температурами кипения. Фракцию, кипящую до 150°, называют бензин, фракцию, кипящую от 150° до 300°, называют керосин, а остатки - гудрон.

Крекинг нефти проводятся при температуре до 500°. Сущность способа сводится к расщеплению углеводородов с большим числом углеродных атомов на более мелкие молекулы предельных и непредельных углеводородов, составляющих фракцию бензинов. Способ позволяет увеличить выход бензина из нефти до 80%.

Кроме изложенного, в процессе переработки нефти на нефтеперегонных предприятиях в аппаратах подготовки нефти и воды образуются нефтяные эмульсии - названные множественными эмульсиями. Такие эмульсии трудно разрушаются с помощью известных способов и накапливаются в аппаратах по переработке нефти и являются причиной срыва технологического режима. Поэтому накопившийся слой такой нефти удаляют в нефтеловушку (амбар). Отсюда такую нефть называют ловушечной (смотри, например: диссертацию на соискание ученой степени магистра техники и технологии "Сруктурные особенности природных водонефтяных эмульсий", автор М.А.Новиков, Российский государственный университет нефти и газа им. И.М.Губкина, стр.12, Москва - 2007 г.)

Известен также способ переработки ловушечной нефти путем нагрева в печи до температуры 320-385°С с последующим разделением в ректификационной колонне на бензиновую, дизельную и остаточную фракции, отличающийся тем, что используют ловушечную нефть с содержанием воды до 10 мас.%, выделенную из сточных вод, жидких или вязких нефтяных шламов, обработанную перед подачей в печь в диспергаторе до образования гомогенной водонефтяной эмульсии с размером капель не более 30 мкм.

Этот способ отличается тем, что разделение в ректификационной колонне на бензиновую, дизельную и остаточную фракции осуществляют под давлением 0,15-0,5 МПа в зависимости от содержания воды в эмульсии (см. патент РФ №2194738 с приоритетом от 20 июня 2001 года).

Недостатками указанных способов являются:

- разогрев нефти до высокой температуры,

- загрязнение атмосферы и окружающей среды экологически вредными составляющими нефти, образующимися при высокой температуре,

- существенное возрастание взрывоопасности,

- сложность и длительность разделения нефти на фракции.

При переработке нефти на нефтеперегонных заводах, остаются достаточно большие количества нефтяных отходов (нефтяных шламов), которые не находят применения в качестве топлива и накапливаются в земляных резервуарах (открытых озерах). На настоящее время на территории России более 100 открытых шламовых озер. В результате за счет их испарения существенно ухудшается экология окружающей среды и атмосферы в районе озер.

Попытки утилизации нефтяных шламов путем сжигания положительного результата не дали. Использование шлама в качестве топливных присадок также вызывает серьезные проблемы. Это прежде всего неполнота сгорания таких топлив, из-за чего токсичные несгоревшие остатки топлива выбрасываются в окружающую среду и атмосферу. При использовании такого топлива в двигателях внутреннего сгорания происходят забивка его магистралей парафинами, закоксовавшимися остатками топлива, срыв горения.

Схожие проблемы возникают и при переработке отработанных масел. В промышленности эксплуатируются различные виды масел: моторные, трансмиссионные, гидравлические, индустриальные, трансформаторные, синтетические и т.д. Объемы используемых масел достигает десятки - сотни миллионов тонн. В процессе эксплуатации в них накапливаются продукты окисления, металлическая пыль, загрязнения и другие примеси, которые выводят масла из кондиции и делают их непригодными к эксплуатации. В настоящее время накопившиеся большие количества отработанных масел начинают угрожать экологической обстановке в стране.

Существующие методы утилизации отработанных масел основаны на их сжигании в специальных печах в факеле огня из мазута или дизельного топлива путем подачи распыленного масла в факел. Такие методы, помимо требования дополнительного топлива, еще загрязняют атмосферу, значительно увеличивая экологическую нагрузку на окружающую среду. Отсюда следует, что разработка экологически чистых методов утилизации этих отходов наряду с нефтешламами является не менее важной задачей.

Таким образом, на настоящее время отсутствует способ, который позволил бы без загрязнения атмосферы утилизировать нефтяные шламы и отработанные масла.

Техническое решение по патенту РФ №2194738 с приоритетом от 20 июня 2001 года, как наиболее близкий аналог, может быть принято в качестве прототипа.

Недостатками указанного способа являются:

- разогрев нефти до высокой температуры,

- загрязнение атмосферы и окружающей среды экологически вредными составляющими нефти, образующимися при высокой температуре,

- существенное возрастание взрывоопасности,

- сложность и длительность разделения нефти на фракции,

- невозможность разделения на фракции нефтяных шламов,

- невозможность очистки отработанных масел до кондиции,

- невозможность очистки нефтяных продуктов от азотистых и серных соединений.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа разделения фракций нефти, нефтяного шлама, отработанного масла, исключающего вышеуказанные недостатки.

Согласно изобретению поставленная задача решается следующим образом. В 60-х годах 20 столетия экспериментально установлено, что эффективность горения продуктов нефтепереработки, в частности мазута, увеличивается при добавлении воды, а именно при создании водомазутной эмульсии.

Как известно, при сжигании органическое топливо в топках котлов, двигателях внутреннего сгорания и турбинах распыляется. Капля топлива в процессе горения испаряется и уменьшается в диаметре до размера 0,1-0,2 микрометра, нагревается, перегревается и подвергается разложению-крекингу. Поэтому основным недостатком органических соединений при их использовании в качестве топлива является неполнота сгорания. Это обстоятельство создает значительную экологическую нагрузку на окружающую среду.

Эксперименты показали, что оптимальное количество воды в топливе должно быть около 18%. В этом случае наблюдается максимальное тепловыделение и минимальный выброс вредных веществ в атмосферу.

А анализ частиц эмульсии показал, что эмульсия представляет собой ансамбль водных капель, каждая из которых окружена оболочкой жидкого топлива, а причиной образования капельной структуры является наличие в топливе природных поверхностно-активных веществ (ПАВ). Именно наличие ПАВ приводит к хорошей смачиваемости и адсорбции на капле воды пленки топлива. При этом каждая капля, окруженная топливной оболочкой, становится похожей на упругий шарик, а само топливо представляет собой ансамбль упругих шаровых образований.

Из литературных источников найдено (смотри, У.Б.Базарон, Б.В.Дерягин, А.В.Булгодаев, "Сборник, "Исследования в области поверхностных сил", издательство "Наука", Москва, 1967 г., статья "Исследование сдвиговой упругости жидкостей"), что для разнополярных жидкостей на границе раздела наблюдается образование переходного слоя с особыми свойствами, а именно резкое возрастание величины сдвиговой упругости жидкости на расстоянии до 10^-5 см от границы раздела. Толщина переходного слоя для хорошо смачивающих жидкостей составила от 0,06 до 0,09 микрона.

Кроме того, любое топливо, даже трудносжигаемое, сформированное в виде тонкой пленки, обволакивающей каплю, воды слоем толщиной 0,06-0,09 микрона, сгорает полностью по эффективности, приближаясь к газовому топливу, в то время как капля воды после сгорания топливного слоя испаряется полностью, исключая крекинг топлива. Полученное таким образом топливо, в принципе, является композитным. По эффективности горения такое топливо приближается к горению газа.

Однако это положение верно только для топлива, состоящего из одной фракции. Фактически сырье состоит из десятка и более фракций. Поэтому для повышения эффективности горения сырья требуется применения такого же количества ПАВ или выделить из сырья фракцию и создать из нее композитное топливо.

В этом случае проводят химический анализ сырья для определения ее структурно-группового состава и концентраций фракций методом газовой хроматографии (смотри например: А.А.Жуховицкий, Л.А.Шварцман "Физическая химия", издательство "Металлургия", Москва 1964, стр.377-378). Этот метод получил широкое распространение и используется во всех институтах нефтехимии.

После чего создают средство для выделения заданной фракции из сырья. Таким средством является капля воды, покрытая тонким слоем вещества, сорбирующего заданную фракцию. Практика показывает что вещество, хорошо смачивающее заданную фракцию, является его сорбентом. Конечно, в качестве сорбента лучше использовать саму заданную фракцию, однако заданная фракция не смачивает поверхность капли воды. Для этого к молекуле заданной фракции пришивают методами химического синтеза гидрофильную головку. Такая молекула при контакте с каплей воды гидрофильной головкой сидит в зеркале воды, а другой органический конец торчит над зеркалом. Органический конец молекулы и служит сорбентом для заданной фракции. Такие молекулы называются русалками или ПАВами. Другие фракции сырья на таком сорбенте не адсорбируются. То есть для каждой фракции нужно создавать или подбирать свой ПАВ. При подборе ПАВ основным критерием служит, с одной стороны, смачиваемость им выделяемой фракции из сырья, а с другой стороны, смачиваемость воды, т.е. дефильность ПАВа.

При смачиваемости фракции на сорбенте, близкой к 100%, толщина адсорбированного слоя, как указано в материалах заявки, составляет 0,06 микрометра.

Экспериментально дефильный ПАВ можно подобрать на так называемой Ленгмюровской ванне с двумя независимыми отделениями. В одно отделение заливают воду, а в другое - выделяемую фракцию в чистом виде. Далее в каждую ванну добавляют по одной капле ПАВа. Тот ПАВ капли, которого неограниченно растекаются по поверхности обоих жидкостей, может быть использован для выделения необходимой фракции (смотри например: журнал "Наука и Жизнь", №4, 1989, автор - Л. Блинов, статья "Молекулы - русалки", стр.80-86).

В последующей операции в сырье добавляют воду, содержащую преимущественно 1% ПАВ, доводя содержание воды в сырье преимущественно до 18% от содержания в сырье выделяемой фракции.

Далее проводят диспергирование на кавитационном диспергаторе роторного типа с использованием гидроудара (Патент на изобретение №2340656). Такой диспергатор позволяет получать капельки воды наноразмера.

Учитывая, что капелька воды сорбирует на своей поверхности слой выделяемой фракции постоянной толщины, равной 0,06 микрометра, то по мере уменьшения размера капельки воды соотношение количества сорбированной фракции к количеству воды в капле растет. И при размере капли воды, равной 0,15 микрометра, содержание воды в капле достигает 18-20%.

Экспериментальная проверка предложенного способа проводилась на нефти одной из скважин Пермской области. В качестве ПАВ использовалась стеариновая кислота. Все операции проводились в соответствии с критериями, изложенными выше. Эмульсия парафина отделялось от нефти центрифугированием. При использовании эмульсии в качестве топлива по характеристикам горения она близка к дизельному топливу. Степень сгорания эмульсии близка к 100%.

Отделение выделенной фракции от сырья производят центрифугированием. Таким образом, предложенный способ разделения на отдельные фракции обеспечивает:

- возможность селективного выделения заданных фракций топлива из любых видов жидких смесей органических веществ, включая нефть, отходы нефтеперерабатывающих предприятий, отработанных масел;

- возможность очистки любых видов жидкого топлива от углеводородных соединений серы, нитросоединений и т.п.

Изобретение относится к способу разделения нефти, нефтяного шлама, отработанных масел (сырья) на отдельные фракции, характеризующемуся тем, что предварительно химическим анализом определяют фракционный состав сырья, добавляют в воду поверхностно-активное вещество, раствор которого обеспечивает полную смачиваемость капель воды с выделяемой фракцией, затем смешивают полученную смесь с сырьем до содержания воды 18% и диспергируют до диаметра капель воды преимущественно 0,15 микрон, после чего производят отделение капель воды с адсорбированной выделяемой фракцией от сырья. Предложенный способ обеспечивает возможность выделения заданных фракций топлива из нефтепродуктов и других жидких смесей органических веществ. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ разделения нефти, нефтяного шлама, отработанных масел (сырья) на отдельные фракции, отличающийся тем, что предварительно химическим анализом определяют фракционный состав сырья, добавляют в воду поверхностно-активное вещество, раствор которого обеспечивает полную смачиваемость капель воды с выделяемой фракцией, затем смешивают полученную смесь с сырьем до содержания воды 18% и диспергируют до диаметра капель воды преимущественно 0,15 мкм, после чего производят отделение капель воды с адсорбированной выделяемой фракцией от сырья.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что капли воды с адсорбированной выделяемой фракцией отделяют от сырья центрифугированием.