СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СВЯЗЕЙ В ЖИДКИХ СРЕДАХ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК B01F5/08 

Изобретение относится к области переработки жидких сред, в частности к физико-химическому изменению исходного жидкого углеводородного сырья, например нефти и нефтепродуктов, получению жидких композиционных материалов, в том числе наноструктурированных жидкостей, и может использоваться в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей пищевой, фармацевтической промышленности.

Одним из частных случаев разрушения внутримолекулярных связей в жидких средах является крекинг углеводородов. Основное назначение крекинга - переработка нефти и ее фракций с целью получения продуктов меньшей молекулярной массы. Крекинг протекает с разрывом внутримолекулярных химических связей (C-C) и образованием свободных радикалов или карбонионов.

Известны традиционные способы в жидких средах в частности способы термического крекинга, включающие ввод нагретого сырья в ректификационную колонну, вывод через нижнюю часть колонны остатка, нагрев его в печи с последующим вводом в реакционную камеру и далее в испаритель высокого давления, ввод паров через верх испарителя в колонну с выделением в ней газа, бензина и газойлевых фракций (Смидович Е.В. "Крекинг нефтяного сырья и переработка углеводородных газов". - М.: Химия, 1980; Пат. США №4424117, кл. C10G 65/04; Пат. SU №1680760, кл. C10G 47/22; Пат. RU №2068441, кл. C10G 9/00).

Недостатком этих способов разрушения молекулярных связей является сложность и громоздкость технологического оборудования, а также большая энергоемкость термических процессов с выходом светлых фракций не более 30-35%.

Известен также способ разрушения молекулярных связей в жидких средах, который применительно к жидким углеводородам называется способом вихревого крекинга нефти и нефтепродуктов Разделение нефти и нефтепродуктов по данному способу осуществляют путем подачи их насосом в вихревую гидрокавитационную установку. (Пат. RU №2305699 С1, кл. C10G 9/00 B01F 11/00).

Известен также способ разрушения молекулярных связей в жидких органических соединениях, который заключается в обработке сырья акустическим воздействием с интенсивностью колебаний в зоне обработки 1-10⁴ МВт/м². (Пат. RU 2151165 С1, кл. C10G 15/08, B01J 19/10).

В обоих последних двух способах разрыв молекулярных связей в обрабатываемой жидкости происходит в результате схлопывания образовавшихся кавитационных пузырьков, по существу в результате перехода кинетической энергии движущихся при охлопывании пузырька навстречу друг другу частиц жидкости в энергию разрыва внутримолекулярных связей.

Недостатками последних двух способов является низкая интенсивность процесса крекинга, как следствие необходимость повышения времени обработки сырья или необходимость его многократной обработки, что снижает производительность установки. Кроме того, схлопывающиеся кавитационные пузыри взаимодействуют с элементами конструкции и приводят к их эрозии, что снижает срок службы оборудования для реализации данных способов. Т.е понижение надежности оборудования для реализации данных способов является вторым недостатком этих двух способов.

Известен способ разрушения молекулярных и межмолекулярных связей в жидкостях, при котором потоки обрабатываемой жидкости преобразуют в высокоскоростные струи и направляют их навстречу друг другу для обеспечения периодического лобового удара. (Пат. RU №2344874 C1, кл. B01F 7/28).

Данный способ является наиболее близким к заявляемому техническому решению и является его прототипом. Способ согласно сути данного прототипа осуществляется следующим образом.

Изначально формируют циркулирующий поток жидкости в замкнутом контуре с заданными поперечным сечением и скоростью движения, периодически этот поток перекрывают и тем самым обеспечивают условия для повышения давления за счет возникновения гидравлического удара. Из потока с повышенным давлением забирают часть жидкости, которую делят на два или более парных потоков. В каждой паре потоки направляют в сопла, ориентированные навстречу друг другу. На выходе из сопел формируют высокоскоростные встречные струи, которые испытывают периодическое лобовое столкновение в приемной камере с частотой, равной частоте перекрытия циркулирующего потока. В результате лобового столкновения струи разбиваются, при этом, как показывает опыт, происходит не только раздробление жидкости на мелкодисперсные капли, т.е разрыв межмолекулярных связей, но и, в случае если жидкость представляет собой смесь углеводородов или высокомолекулярных соединений, частичное разрушение внутримолекулярных связей, т.е происходит изменение химического состава жидкости. В случае со смесью с углеводородами, наблюдается расщепление молекул с большим количеством атомов углерода на молекулы меньшей молекулярной массы, т.е. происходит крекинг углеводородов.

При данном способе для увеличения интенсивности разрушения внутримолекулярных связей в жидкости необходимо увеличивать скорость циркулирующего потока, что связано с повышением скорости вращения ротора. Для этого ротор и элементы его крепления (втулки, опоры, подшипники) должны быть выполнены с очень высокой точностью и сбалансированы. Кроме того, должна быть сбалансирована в целом система ротор-циркулирующая присоединенная масса жидкости, что в условиях переменных и турбулентных потоков с увеличением скорости вращения становится затруднительным. Таким образом, данному способу присущи внутренние ограничения, порождающие его недостаток.

Недостатком данного способа является низкая интенсивность процесса разрушения внутримолекулярных связей, связанная с ограничением потока энергии передаваемой жидкости в единицу времени и обусловленная сложностью значительного увеличения скорости циркулирующего потока в реальных конструкциях.

Известно также устройство для реализации способа - прототипа на основе диспергатора роторного типа.

Диспергатор состоит из вращающегося двухкамерного ротора и неподвижного статора, между которыми выполнен минимальный рабочий зазор (по цилиндрической поверхности). В статоре размещен входной патрубок для приема входящей жидкости в камеру. Ротор разделен сплошной перегородкой на две камеры: накопительная камера предназначена для приема и передачи циркулирующей жидкости через патрубок (полый вал ротора), а приемная камера - для сбора готовой продукции и вывода ее через патрубок.

Подачу жидкости из камеры статора осуществляют через канал, из которого жидкость поступает либо в широкий канал, либо в узкий канал с переходом в сопло и приемную камеру. Поток жидкости формируют с помощью насоса, на вход которого по трубопроводу подают исходную обрабатываемую жидкость и по трубопроводу жидкость подают из накопительной камеры через патрубок. Готовый продукт из приемной камеры через патрубок выводят по трубопроводу.

Так как при работе данного устройства поток жидкости периодически перекрывается и образуется гидроударная волна, то элементы конструкции подвергаются гидроударному воздействию, что ведет к постепенному накоплению усталостных деформаций и последующему разрушению конструкции.

Таким образом, недостатком данного устройства является его недостаточная надежность, обусловленная наличием ударного воздействия на элементы конструкции.

Целью настоящего изобретения является создание способа разрушения молекулярных связей в жидкостях, обеспечивающего повышение интенсивности разрушения молекулярных связей, а также создание устройства, реализующего данный способ и обеспечивающего большую надежность за счет исключения ударных воздействий на элементы конструкции.

Поставленная цель достигается следующим образом. Жидкость, межмолекулярные или внутримолекулярные связи которой нужно разрушить, с помощью насоса высокого давления подвергают сжатию, после чего обеспечивают непрерывное столкновение встречных высокоскоростных струй сжатой жидкой среды, при этом в каждой паре взаимодействующих встречных струй постоянно поддерживают по существу равные значения скорости течения и площади поперечного сечения струй жидкой среды.

Современные серийно выпускаемые насосы высокого давления способны развивать давления до 6000 атм. при этом держать его в течение, по существу, сколь угодно длительного времени, по существу, на постоянном по времени уровне. Отдельные опытные образцы насосов могут развивать давление до 14000 атм. При этом конструкции данных насосов исключают возникновение гидроударных явлений, что обуславливает их длительную работоспособность, т.е. надежность.

Определим типичные параметры процесса столкновения струй.

Скорость истечения жидкости оценим по формуле Бернулли:

где V - (м/с) скорость потока жидкости,

ρ - (кг/м³) плотность жидкости,

P - (Па) давление, развиваемое в насосе,

ΔP - (Па) потери полного давления в магистралях и сопле.

При P=2500*10⁵ Па, потерях давления ΔP=500*10⁵ Па и плотности ρ=800 кг/м³ из формулы (1) получим значение скорости:

Так как при лобовом столкновении струй относительная скорость струй удваивается, то по той же формуле Бернулли получим значение полного давления, реализуемого в зоне столкновения струй:

При расходе жидкости G=10 л/мин=1,67*10^-4 м³/с, что является типичным для насосов высокого давления, получим площадь сечения одной струи (при столкновении двух струй):

И энергию, передаваемую жидкости в единицу времени

Т.е. поверхностная плотность потока энергии, передаваемая жидкости

что на порядок больше, чем у аналогов.

Энергия потока в общем случае после столкновения струй распределяется следующим образом:

где U_t - часть энергии струй, идущая на нагрев жидкости,

U_s - часть энергии струй, идущая на разрыв межмолекулярных связей в жидкости и переходящая в потенциальную энергию поверхностного натяжения образующихся при столкновении капель жидкости,

U_r - энергия, идущая на разрушение и перестройку внутримолекулярных связей,

U_k - остаточная кинетическая энергия жидкости после столкновения.

Из данной формулы видно, что энергия, затрачиваемая на разрыв межмолекулярных связей, будет расти, если энергия тормозящихся при столкновении струй будет расти быстрее, чем энергия, затрачиваемая на нагрев жидкости и ее раздробление на капли. Т.е. увеличение потока энергии есть необходимое условие повышения интенсивности процесса разрушения внутримолекулярных связей.

Целесообразно в каждой паре взаимодействующих встречных струй постоянно поддерживать по существу равные значения скорости течения и площади поперечного сечения струй жидкой среды. Поведение струй жидкости до и после лобового столкновения проиллюстрировано на примере фиг.1-3.

На фиг.1 изображено столкновение струй жидкости в случае, если их сечения одинаковы, но скорости различны. На фиг.2 скорости одинаковы, но сечения различны. На фиг.3 и скорости, и сечения одинаковы и постоянны. В случае на фиг.1, место столкновения струй смещено в сторону места истечения более медленной струи. В некоторых случаях при нестабильном значении скоростей место столкновения струй может сместиться к месту истечения и в результате может произойти нарушение целостности конструкции, обеспечивающей формирование и столкновение струй. Кроме того, на фиг.1 видно, что скорость струй после соударения имеет составляющую, направленную в сторону места истечения более медленной струи. При одинаковой суммарной кинетической энергии струй, изображенных на фиг.1 и 3, при столкновении, изображенном на фиг.1, кинетическая энергия струи после соударения будет больше, чем при одинаковых скоростях струй, изображенных на фиг.3. Т.е. согласно формуле (4) на разрыв молекулярных связей пойдет меньше энергии и интенсивность процесса разрушения молекулярных связей будет меньше. В случае, изображенном на фиг.2, из - за того, что сечение одного потока больше сечения другого, не вся часть жидкости струи с большим сечением непосредственно сталкивается со встречной струей, что также увеличивает кинетическую энергию струй после столкновения и уменьшает долю общей кинетической энергии, идущей на разрыв связей.

Только в случае, изображенном на фиг.3, максимальная доля общей кинетической энергии идет на разрушение молекулярных связей и при этом исключается возможность разрушения конструкции. Таким образом, обеспечение постоянного равенства скоростей и поперечных сечений сталкивающихся струй способствует повышению интенсивности процесса разрушения межмолекулярных связей, т.е. достижению цели заявляемого изобретения.

Так как при изменении угла между векторами скоростей сталкивающихся струй изменяется кинетическая энергия струй после столкновения, а также давление в месте столкновения струи, то соответственно изменяется и доля энергии, идущая на разрыв связей. Таким образом, степень разрушения молекулярных связей можно регулировать путем изменения угла встречи взаимодействующих высокоскоростных струй α (фиг.4). Кроме того, при обеспечении углов встречи α в диапазоне 120-180º можно обеспечить исключение взаимного воздействия струй на элементы конструкции в случае возникновения нестабильности параметров струй.

Из формул (2), (6) следует также, что изменяя давление сжатия жидкости в насосе высокого давления, можно изменять скорость жидкости в сталкивающихся струях и соответственно изменять долю энергии, идущую на разрыв молекулярных связей. Таким образом, степень разрушения молекулярных связей регулируется путем изменения значения давления сжатия жидкой среды в насосе высокого давления. На практике это можно осуществлять, например, изменяя скорость вращения электродвигателя насоса высокого давления, управляя двигателем посредством преобразователя частоты.

Некоторые вязкие жидкости перед сжатием в насосе высокого давления целесообразно предварительно нагреть. Как правило, это ведет к снижению кинематической вязкости жидкости. Например, для нефти при изменении ее температуры с 20°C до 50°C кинематическая вязкость может уменьшиться более чем в 2 раза. Снижение вязкости способствует увеличению кпд насоса высокого давления, уменьшению потерь давления в магистралях установок. Кроме того, при вязкостях выше 10 мм²/с работа насосов высокого давления вообще становится проблематичной, так как конструкция насосов рассчитана на определенный диапазон вязкостей. Для большинства нефтей вязкость величиной 8 мм²/с достижима при температурах до 50°C. Такая величина вязкости приемлема для насосов высокого давления, поэтому это значение принято за максимально необходимое, что и нашло свое отражение в формулировке одного из пунктов заявляемого изобретения. Таким образом, нагрев жидкости перед сжатием способствует увеличению кпд насоса высокого давления и, следовательно, интенсификации процесса разрушения молекулярных связей, что является целью данного изобретения.

Из формулы (1) видно, что скорость жидкости в сталкивающихся струях зависит от потерь давления в магистралях. При этом потери существенно зависят не только от вязкости жидкости, но и от режима течения, ламинарный или турбулентный. При турбулентном режиме потери давления больше. Из гидродинамики известно, что переход от ламинарного течения в турбулентный происходит, когда число Рейнольдса

где V - скорость потока в трубе,

d - диаметр трубы,

ν - кинематическая вязкость жидкости,

становится больше критического. Известно (эффект Томса), что, осуществляя добавки в жидкость некоторых высокомолекулярных полимерных соединений, например полиакриламида, в объеме не более 0,1% можно существенно изменить в сторону увеличения значение критического числа Re и на всей магистрали течения жидкости обеспечить ее ламинарное течение, уменьшив потери давления в магистралях. По формуле (1) это ведет к увеличению скорости истечения жидкости. Из опыта также известно, что значение потерь давления таким образом можно с 500*10⁵ Па снизить примерно до 150-200*10⁵ Па, что по формуле (2) соответствует увеличению скорости на 50-60 м/с. Таким образом, ввод в обрабатываемую жидкость перед ее сжатием высокомолекулярных полимерных добавок способствует увеличению скорости сталкивающихся струй и, следовательно, увеличивает интенсивность разрушения молекулярных связей в жидкости, что является одной из целей заявляемого изобретения.

Оценим в формуле (6) член Us.

Заметим, что после столкновения струй происходит их распад на капли, т.е по сути происходит диспергирование обрабатываемой жидкости. Примем, что секундный расход жидкости при диспергировании составляет литров в секунду. Величину объема диспергированной частицы радиуса R найдем из формулы

Решая это уравнение относительно R, получим

Величина поверхности этого шара равна

S=4·π·R²

Определим поверхность диспергированной частицы до уровня 5·10^-9 м, в этом случае размер диспергированной частицы равен 10 нанометрам.

S=4·3,14·(5·10^-9)²=314·10^-18·М²,

объем этой частицы равен

Количество дисперсных частичек в расходуемой жидкости, равной 0,17 л, за секунду равно

работа, затрачиваемая на увеличение поверхности, равна

Us=σ·dS=0,073·3,2·10²⁰·314·10^-18=7400 Дж/с.

Таким образом, эта доля энергии может составлять при описываемом способе разрушения до 25% общей кинетической энергии. Поэтому изменяя поверхностное натяжение жидкости, можно уменьшить Us и таким образом увеличить долю энергии, идущую на разрыв внутримолекулярных связей. Вводя в жидкость поверхностно-активные вещества, можно в несколько раз уменьшить поверхностное натяжение жидкости и пропорционально уменьшить Ur. Таким образом, вводя в жидкую среду перед сжатием поверхностно-активные вещества, можно увеличить интенсивность разрушения молекулярных связей в жидкости, что является одной из целей заявляемого изобретения.

Известно (Смидович Е.В. Технология переработки нефти и газа. Крекинг нефтяного сырья и переработка углеводородных газов (ч.2). - М.: Химия, 1980.), что при разрушении внутримолекулярных связей некоторых жидкостей, широко используются катализаторы для ускорения процессов разрушения. Например, при крекинге нефти широко используют алюмосиликаты. При их использовании наблюдается не только значительное ускорение расщепления углеводородов на более мелкие молекулы, но и их изомеризация, т.е. образование углеводородов с разветвленной цепью атомов углерода. Это ведет к увеличению детонационной стойкости получаемых впоследствии бензинов. Таким образом, вводя в жидкость перед столкновением мелкодисперсные твердые катализаторы, можно существенно увеличить интенсивность разрушения внутримолекулярных связей, что является целью данного изобретения. Кроме того, ввод катализаторов в отдельных случаях будет способствовать и повышению качеств выходного продукта. Естественно, для получения чистого продукта после обработки жидкости катализатор необходимо отделить от продукта.

Как показано формулой (4), при столкновении струй часть их энергии будет переходить в тепло. При наличии в составе жидкости горючих веществ, например углеводородов, и при наличии во внешней среде кислорода возможно возгорание обрабатываемой жидкости и собственно нарушение процесса обработки жидкости. Поэтому в отдельных случаях столкновение высокоскоростных струй жидкости целесообразно проводить в среде газа, не поддерживающего горение жидкости, например азота, если речь идет о жидкости-смеси углеводородов. Такое решение способствует повышению надежности устройств, реализующих заявляемый способ разрушения молекулярных связей в жидкостях, что является одной из целей описываемого изобретения.

Также поставленная цель достигается тем, что в установке для осуществления способа разрушения молекулярных связей в жидких средах, содержащей соединенные последовательно трубопроводом приемную емкость для хранения жидкой среды, насос подачи жидкой среды, насос высокого давления и камеру, внутри которой осуществляют столкновение высокоскоростных струй, согласно заявляемому изобретению камера выполнена в виде закрытой емкости, внутри которой установлена, по меньшей мере, одна пара струйных головок, соединенных с насосом высокого давления с помощью трубопровода, формирующие струи сопла которых имеют равные диаметры выходных отверстий, а струйные головки сориентированы таким образом, чтобы формируемые их соплами струи пересекались. Такое расположение струйных головок обеспечивает столкновение струй обрабатываемой жидкости, а равенство диаметров выходных отверстий сопел обеспечивает более эффективное торможение струй при столкновении и, как показано выше, приводят к повышению степени (интенсивности) разрушения молекулярных связей при столкновении, что и является целью заявляемого изобретения.

Целесообразно также приемную емкость для хранения жидкой среды снабдить нагревательным устройством. В случаях, когда вязкость обрабатываемой жидкости снижается с повышением температуры и начальная вязкость обрабатываемой жидкости выше приемлемой для работы насоса высокого давления, такое выполнение установки позволяет снижать вязкость обрабатываемой жидкости до значений, обеспечивающих работоспособность и приемлемый кпд работы насоса высокого давления, что способствует достижению цели заявляемого изобретения.

Целесообразно также приемную емкость для хранения жидкой среды снабдить устройством перемешивания жидкой среды.

В случаях, когда вязкость обрабатываемой жидкости снижается с повышением температуры и начальная вязкость обрабатываемой жидкости выше приемлемой для работы насоса высокого давления, такое выполнение установки позволяет обеспечить равномерно распределенное по объему снижение вязкости обрабатываемой жидкости, обеспечить стабильность работы и приемлемый кпд работы насоса высокого давления, что способствует достижению цели заявляемого изобретения.

Целесообразно также установку снабдить устройством ввода высокомолекулярного полимера в жидкую среду, содержащим емкость для хранения высокомолекулярного полимера, соединенную патрубком через насос-дозатор с приемной емкостью для хранения жидкой среды.

В случаях, когда в обрабатываемую жидкость допустимо введение некоторого количества высокомолекулярных полимерных добавок, такое выполнение установки позволит обеспечить ламинарное течение жидкости в трубопроводе на пути от насоса к струйным головкам и в соплах струйных головок, что приводит к снижению потерь давления в трубопроводах, увеличению скорости сталкивающихся струй и, следовательно, к увеличению интенсивности разрушения молекулярных связей обрабатываемой жидкости, что является одной из целей заявляемого изобретения.

Целесообразно также струйные головки установить с возможностью поворота и фиксации в плоскости расположения осей сопел, формирующих струи жидкой среды, на угол в пределах 30º.

Обеспечение такой возможности позволит регулировать степень торможения жидкости при столкновении и, следовательно, регулировать интенсивность разрушения молекулярных связей в обрабатываемой жидкости. Кроме того, возможность поворота струйных головок обеспечивает исключение воздействия встречной струи на конструкцию струйной головки в случаях несанкционированной нестабильности струй и предотвращает в таких случаях разрушение струйных головок. Это обеспечивает в данных случаях работоспособность и повышение надежности установки, что является целью заявляемого изобретения.

Целесообразно также снабдить установку для разрушения молекулярных связей в жидких средах бункером и устройством для дозирования катализатора, каждую струйную головку выполнить со смесительной камерой, в стенке которой выполнено боковое отверстие, соединенное посредством патрубка с дозирующим устройством, а дозирующее устройство посредством патрубка соединить с бункером.

Такое выполнение устройства позволяет обеспечить ввод в струю обрабатываемой жидкости катализаторов, наличие которых, как показывает опыт, может существенно увеличить скорость физико-химических превращений в сталкивающихся жидкостях и обеспечить повышение интенсивности разрушения внутримолекулярных связей в обрабатываемой жидкости, что также способствует достижению целей заявляемого изобретения.

Ниже изобретение поясняется на предпочтительных примерах его выполнения, не имеющих ограничительного характера, которые проиллюстрированы сопровождающими чертежами, на которых изображены:

фиг.5 - общий вид установки;

фиг.6 - вид камеры для столкновения струй;

фиг.7 - конструкция блока струйных головок.

Далее со ссылкой на сопровождающие чертежи описываются неограниченные варианты реализации способа разрушения молекулярных связей в жидкостях и установки для его осуществления по настоящему изобретению. По предпочтительному варианту реализация конструкции установки для осуществления заявляемого способа разрушения молекулярных связей в жидкостях содержит:

- емкость для предварительного хранения обрабатываемой жидкости с водяной рубашкой 1, (фиг.5),

- насос для циркуляции воды 2, соединенный патрубком одним концом с емкостью 1, а другим с проточным нагревателем 3,

- проточный нагреватель 3, соединенный патрубком одним концом с насосом для циркуляции воды 2, другим концом с водяной рубашкой емкости 1,

- перемешивающее устройство 4, установленное на верхней части емкости 1,

- насос-дозатор 5, соединенный патрубком с емкостью для хранения высокомолекулярного полимера 6,

- емкость для хранения высокомолекулярного полимера 6. В данном конкретном исполнении в качестве высокомолекулярного полимера используется высокомолекулярная противотурбулентная присадка ВИОЛ,

- насос подкачки 7, вход которого соединен трубопроводом с емкостью 1, а выход - с насосом высокого давления 8,

- насос высокого давления 8, соединенный трубопроводом входной частью с насосом подкачки 7, выходной частью с рабочей камерой 10, приводимый в действие электродвигателем 9,

- электродвигатель 9, выходной вал которого соединен с входным валом насоса высокого давления 8,

- рабочую камеру 10, соединенную трубопроводом с насосом высокого давления 8.

Рабочая камера 10, в свою очередь, содержит (фиг.6):

- корпус 11 с закрывающейся крышкой 12, имеющий сливную полость 13,

- опорные салазки (опорная поверхность) 14, смонтированные внутри корпуса 11,

- блок струйных головок 15, установленный на опорных салазках 14.

Блок струйных головок 15, в свою очередь, содержит (фиг.7):

- опорную плиту 16,

- направляющее кольцо 17, закрепленное на опорной плите 16,

- поворотное кольцо 18, установленное внутри направляющего кольца 17 на опорной плите 16 с возможностью поворота вокруг своего центра и возможностью фиксации своего положения,

- струйную головку 19, с помощью крепежных деталей 20 закрепленную на поворотном кольце 18,

- струйную головку 21, с помощью крепежных деталей 22 закрепленную на направляющем кольце 18.

При этом струйные головки 19 и 21 трубками соединены через тройник 23 с трубопроводом от насоса высокого давления 8 (фиг.5). Струйные головки 19 и 21 выполнены одинаковыми для обеспечения равенства скоростей и площадей сечений струй, образуемых с помощью данных струйных головок. Ниже описана работа установки, где в качестве обрабатываемой жидкости используется нефть с добавленным в нее некоторым количеством ПАВ, и разрушение молекулярных связей в данной среде означает диспергацию нефти и разрыв внутримолекулярных связей в составляющих нефть углеводородах, т.е крекинг нефти с целью изменения ее фракционного состава в сторону увеличения содержания легких фракций нефти.

Работа представленной установки по способу согласно заявляемому изобретению осуществляется следующим образом.

Перед началом работы емкость 1 заполняется обрабатываемой нефтью, а емкость для хранения полимера 6 заполняется противотурбулентной присадкой ВИОЛ.

Струйная головка 19, установленная на поворотном кольце, устанавливается под требуемым углом к струйной головке 21.

Включается насос - дозатор 5, из емкости для хранения полимера в емкость 1 подается дозированное количество полимера. Включаются насос для циркуляции воды 2, проточный нагреватель 3 и перемешивающее устройство 4. Перемешивающее устройство в процессе работы установки обеспечивает равномерное распределение температур и концентрации полимера по объему обрабатываемой нефти, а с помощью проточного нагревателя 3 и насоса для циркуляции воды 2 поддерживается температура обрабатываемой нефти, при которой ее кинематическая вязкость составляет не более 10 мм²/с. Типичное значение этой температуры от 30°C до 50°C. Такое значение вязкости обеспечивает работу насоса подкачки 7 и насоса высокого давления 8 в штатном режиме, без нарушений сплошности потока обрабатываемой нефти. Далее включаются насос подкачки 7 и электродвигатель 9, приводящий в действие насос высокого давления 8. При этом подогретая нефть из емкости 1 через насос подкачки 7 по трубопроводу начинает поступать в насос высокого давления 8. Насос подкачки 7 в данном случае обеспечивает штатное заполнение насоса высокого давления нефтью без нарушения сплошности потока. Далее нефть в насосе высокого давления 8 сжимается до давления не менее 600 атм. Как показывает опыт, при данном значении давления обеспечиваются скорости встречных струй около 390 м/с, при которых начинается заметное разрушение внутримолекулярных связей в молекулах углеводородов, составляющих нефть. Величина давления регулируется путем изменения скорости вращения электродвигателя 9, посредством, например, преобразователя частоты. Способы регулирования скоростей вращения электродвигателей общеизвестны для соответствующих специалистов и не являются существенными для сущности данного изобретения. Далее сжатая нефть по трубопроводу высокого давления подается в рабочую камеру 10. Поток сжатой нефти разделяется на два потока, проходя через тройник 23, и в виде двух встречных струй проходит через сопла струйных головок, происходит столкновение струй.

В пространстве рабочей камеры между струйными головками происходит столкновение струй и формирование радиально расходящегося шлейфа из нефти, диспергированной на капли при столкновении. Поскольку насосом высокого давления обеспечивается непрерывный во времени поток обрабатываемой нефти, также непрерывно происходит и столкновение струй. При выходе из струйных головок происходит резкое ускорение потока нефти и падение его давления практически от значения давлений в насосе высокого давления (600-4000 атм) до 1 атм, происходящее за время порядка 2*10^-6-5*10^-6 с, и резкое его торможение при столкновении с ростом давления от 1 атм до 2400-16000 атм (четырехкратное увеличение давления) за время, при расстоянии между выходными сечениями головок около 10 мм, в диапазоне 5*10^-6-13*10^-6 с. Такое «стрессовое» воздействие на нефть приводит к образованию ультрадисперсных капель нефти с поглощением энергии на разрушение межмолекулярных связей (раздробление на капли, диспергирование) и с поглощением энергии на разрушение внутримолекулярных связей, т.е на разрушение тяжелых молекул углеводородов - крекинг. Заметим, что несмотря на то, что в зоне столкновения струй реализуются давления до 16000 атм, эти давления ни воздействуют на элементы конструкции установки и принципиально могут быть обеспечены в течение сколь угодно длительного времени.

Оценку степени разрушения внутримолекулярных связей произведем из общеэнергетических соображений. Представим для простоты оценки нефть в виде смеси предельных углеводородов с общей формулой C_nH_2n+2. В нефти число n может быть в диапазоне от 5 до 50. При скорости столкновения молекул, достаточной для их разрушения, происходит разрушение молекулы углеводорода с образованием более легких молекул по общей формуле:

C_nH_2n+2→C_kH_2k+2+C_(n-k)H_2(n-k)

При этом происходит поглощение энергии в количестве 80 кДж/моль. Количество вещества, которое можно разрушить в единицу времени используя энергию U_r:

где ν - количество вещества молекулы, в котором можно расщепить (моль),

U_r=kW - энергия, идущая на разрушение межмолекулярных связей в единицу времени (Вт),

k - кпд установки - доля мощности насоса высокого давления, затрачиваемая на разрушение молекулярных связей,

W- мощность насоса высокого давления (Вт),

E_r - тепловой эффект реакции разрушения углеводорода (Дж/моль).

Количество вещества, истекающего из струйных головок в единицу времени (моль/с):

где G - объемный расход насоса высокого давления (л/мин),

ρ - плотность нефти (г/см³),

M_n - условная молярная масса нефти (г/моль).

За степень разрушения внутримолекулярных связей примем отношение количества разрушенных молекул к их общему количеству:

Здесь N_a - число Авогадро. При к в пределах от 0,25 до 0,5, при W=40000 Вт, Er=80000 Дж/моль, G=10 л/мин, p=0,8 г/см³ M_n=250 г/моль получим степень разрушения молекулярных связей от 0,23 до 0,47, что на практике означает увеличение доли легкой фракции нефти, из которой можно путем перегонки получить бензин и дизельные топлива, с 50% до 60-75% при однократной обработке, а при двукратной обработке это значение может составить до 90%. При этом энергозатраты на 1 кг нефти составят не более 0,6 мДж/кг, что существенно меньше энергозатрат при других способах переработки нефти. Это говорит об эффективности данного технического решения.

Подводя итог вышеизложенному описанию изобретения, следует заметить, что для специалиста в данной области техники, в общем, очевидны различные модификации и усовершенствования изобретения, не выходящие из его объема, который определяется исключительно формулой изобретения.

Изобретение может найти применение на предприятиях химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, пищевой, фармацевтической промышленности, при получении жидких композиционных материалов, в том числе наноструктурированных жидкостей, или при разрушении молекул смесей жидкостей, таких как, например, нефть.

Изобретение относится к области переработки жидких сред, в частности к физико-химическому изменению исходного жидкого углеводородного сырья, например нефти и нефтепродуктов, получению жидких композиционных материалов, в том числе наноструктурированных жидкостей, и может использоваться в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей пищевой, фармацевтической промышленности. Способ осуществляют при непрерывном столкновении встречных высокоскоростных струй сжатой с помощью насоса высокого давления жидкой среды. В каждой паре взаимодействующих встречных струй обеспечивают равные значения скорости течения и площади поперечного сечения струй. Установка содержит соединенные последовательно трубопроводом приемную емкость для хранения жидкой среды, насос подачи жидкой среды, насос высокого давления и рабочую камеру, выполненную в виде закрытой емкости, внутри которой попарно установлены струйные головки. Выходные отверстия струйных головок направлены навстречу друг другу. Сопла имеют равные диаметры выходных отверстий. Технический результат состоит в повышении интенсивности разрушения молекулярных связей, а также повышении надежности устройства за счет исключения ударных воздействий на элементы конструкции. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ разрушения молекулярных связей в жидких средах путем ударного взаимодействия встречных высокоскоростных струй жидкой среды, отличающийся тем, что с помощью насоса высокого давления жидкую среду подвергают сжатию, после чего обеспечивают непрерывное столкновение встречных высокоскоростных струй жидкой среды, при этом в каждой паре взаимодействующих встречных струй постоянно поддерживают, по существу, равные значения скорости течения и площади поперечного сечения струй жидкой среды.

2. Способ разрушения молекулярных связей в жидких средах по п.1, отличающийся тем, что степень разрушения молекулярных связей регулируют путем изменения угла встречи взаимодействующих высокоскоростных струй жидкой среды в диапазоне от 120 до 180°.

3. Способ разрушения молекулярных связей в жидких средах по п.1, отличающийся тем, что степень разрушения молекулярных связей регулируют путем изменения значения давления сжатия жидкой среды в насосе высокого давления.

4. Способ разрушения молекулярных связей в жидких средах по п.1, отличающийся тем, что перед сжатием жидкой среды осуществляют ее предварительный нагрев.

5. Способ разрушения молекулярных связей в жидких средах по п.1, отличающийся тем, что в жидкую среду перед сжатием вводят высокомолекулярные полимерные добавки.

6. Способ разрушения молекулярных связей в жидких средах по п.1, отличающийся тем, что в жидкую среду перед сжатием вводят поверхностно-активные вещества.

7. Способ разрушения молекулярных связей в жидких средах по п.1, отличающийся тем, что перед столкновением высокоскоростных струй в них вводят мелкодисперсные твердые катализаторы, а после столкновения катализатор отделяют от жидкой среды.

8. Способ разрушения молекулярных связей в жидких средах по п.1, отличающийся тем, что столкновение высокоскоростных струй производят в среде газа, не поддерживающего горения жидкой среды.

9. Установка для осуществления способа разрушения молекулярных связей в жидких средах, содержащая соединенные последовательно трубопроводом приемную емкость для хранения жидкой среды, насос подачи жидкой среды, насос высокого давления и рабочую камеру, внутри которой осуществляют столкновение высокоскоростных струй, отличающаяся тем, что рабочая камера выполнена в виде закрытой емкости, внутри которой установлена, по меньшей мере, одна пара струйных головок, соединенных с насосом высокого давления с помощью трубопровода, формирующие струи сопла которых имеют равные диаметры выходных отверстий, а струйные головки сориентированы таким образом, чтобы формируемые их соплами струи пересекались.

10. Установка для разрушения молекулярных связей в жидких средах по п.9, отличающаяся тем, что приемная емкость для хранения жидкой среды снабжена нагревательным устройством.

11. Установка для разрушения молекулярных связей в жидких средах по п.9, отличающаяся тем, что приемная емкость для хранения жидкой среды снабжена устройством перемешивания жидкой среды.

12. Установка для разрушения молекулярных связей в жидких средах по п.9, отличающаяся тем, что снабжена устройством ввода высокомолекулярного полимера в жидкую среду, содержащим емкость для хранения высокомолекулярного полимера, соединенную патрубком через насос-дозатор с приемной емкостью для хранения жидкой среды.

13. Установка для разрушения молекулярных связей в жидких средах по п.9, отличающаяся тем, что струйные головки установлены с возможностью поворота и фиксации в плоскости расположения осей сопел, формирующих струи жидкой среды.

14. Установка для разрушения молекулярных связей в жидких средах по п.9, отличающаяся тем, что содержит бункер с мелкодисперсным катализатором, устройство для дозирования катализатора, при этом каждая струйная головка выполнена со смесительной камерой, в стенке которой выполнено боковое отверстие, соединенное посредством патрубка с устройством для дозирования катализатора, которое посредством патрубка соединено с бункером.