Изобретение относится к глубокой переработке тяжелых углеводородов в светлые нефтепродукты и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности при плазмохимическом гидрокрекинге.
Во всех известных способах переработки тяжелых углеводородов в светлые нефтепродукты (каталитический крекинг, термокрекинг, гидрокрекинг) отделение светлых нефтепродуктов от тяжелого остатка производится путем преобразования их в парообразное состояние. Для этого весь объем тяжелых углеводородов, подлежащих переработке, нагревают, как минимум, до температуры кипения, что требует немалых затрат тепловой энергии.
Известен способ гидрокрекинга тяжелых углеводородных фракций, в котором предварительно подогретую до 60-370°С тяжелую углеводородную фракцию подвергают «бомбардировке» ионами водорода и ионами гидроксильной группы в реакторе без доступа кислорода, при этом ионы водорода и ионы гидроксильной группы подают в камеру в виде плазмы, и устройство для гидрокрекинга тяжелых углеводородных фракций, содержащее реактор, имеющий датчик уровня, датчик температуры, патрубок выхода не прореагировавшей части тяжелых фракций в жидком состоянии, патрубок выхода прореагировавшей части углеводородных фракций в парообразном состоянии, при этом в верхней части реактора установлен плазматрон с соплом, а в нижней его части патрубок подачи тяжелых углеводородных фракций с форсункой, установленной с возможностью регулирования расстояния от сопла плазматрона до ее верхней части (RU 2319730, 20.03.2008).
Скорость парообразования при испарении в данном способе значительно ниже, чем при кипении, и поэтому производительность этого способа низкая.
Известен плазменный пиролиз деструкции отходов, в котором вводимые отходы дробятся с помощью плазменной дуги, тем самым ионизируются, затем освобожденные разряженные они поступают в реакционное пространство, которое охлаждается, и воссоединяются в газовый продукт и вещество макрочастиц. Рекомбинируемые продукты закалены. Щелочной дробимый распылитель, произведенный разбрызгивающим кольцом, нейтрализует рекомбинируемые продукты и увлажняет вещество макрочастицы. Газ продукта извлекается от воссоединяющихся продуктов, используя газоочиститель, и газ продукта тогда сожжен или используется для топлива (US 4644877, 24.02.1987).
Недостатками данного способа являются сложность процесса переработки сырья, использование дорогостоящего оборудования и низкая производительность.
Известен способ плазмохимического гидрокрекинга тяжелых углеводородных фракций, в котором предварительно подогретую до 60-350°С тяжелую углеводородную фракцию подвергают воздействию плазмы для расщепления в зоне высокой температуры углеводородных молекул на атомы без доступа кислорода, последующей «бомбардировке» ими других углеводородных цепочек, дроблению их и гидрированию в зоне реакции, приводящему к образованию легких углеводородных фракций, при этом плазма представляет собой ионизированный высокотемпературный газ. Также известно устройство для плазмохимического гидрокрекинга тяжелых углеводородных фракций, содержащее реактор, имеющий датчик уровня, датчик температуры, патрубок выхода прореагировавшей части углеводородных фракций в парообразном состоянии и патрубок подачи сырья, при этом внутри реактора расположен вращающийся с продольными щелями барабан для образования в реакторе вращающегося слоя тяжелых углеводородных фракций, прилегающего к внутренним стенкам реактора, а в верхней части реактора установлен плазмотрон с соплом для вхождения струи плазмы в тяжелые углеводородные фракции, поданные в реактор (RU 2343181, 10.01.2009).
Хотя при этом способе затраты тепловой энергии на подогрев тяжелых углеводородов значительно ниже, однако скорость парообразования при испарении также значительно ниже, чем при кипении, и поэтому производительность этого способа низкая.
Известно устройство для плазмохимического гидрокрекинга углеводородных фракций, содержащее реактор и плазмотрон, состоящий из нижнего и верхнего завихрителей, катодного фланца, внутри которого расположен полый катод с электромагнитной катушкой, анодного фланца с установленным в нем расширяющимся соплом-анодом, при этом в реакторе под анодным фланцем расположен цилиндр, который используют в качестве анода при отключенном от «массы» анодном фланце, цилиндр имеет канал для подвода встречного потока водяного газа в плазменную струю, создающего изменение направления потока плазменной струи с осевого на радиальный, канал для подвода встречного потока водяного газа в плазменную струю соединен с трубой для подачи воды, причем реактор содержит патрубок подвода углеводородного сырья и патрубок выхода продуктов реакции (RU 2411286, 10.02.2011).
В данном устройстве происходит испарение воды за счет подогрева ее в обвязке и во встречной струе плазмы. Пар, поступая в реактор, предназначен для закалки образовавшихся нефтепродуктов, как и во всех процессах вторичной переработки нефти.
Недостатком данного устройства является низкая производительность.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, заключается в повышении скорости интенсификации парообразования при испарении, что будет способствовать повышению производительности плазмохимического гидрокрекинга.
С точки зрения молекулярно кинетической теории процессы парообразования при испарении и кипении в корне отличаются друг от друга. При испарении молекула на поверхности жидкости, получив более высокую кинетическую энергию, в сравнении с окружающими ее молекулами и достаточную для преодоления сил молекулярного притяжения, покидает жидкость, превращаясь в пар. Парообразование происходит при любой температуре, математически скорость испарения описывается формулой Стефана, температура жидкости при этом понижается. С большой степенью вероятности можно предположить, поскольку испарение происходит при любой температуре, то кинетическую энергию молекулы на поверхности жидкости, отличающуюся от окружающих в большую сторону, можно получить не только в результате сталкивания при хаотическом движении самих молекул, но и за счет принудительного ограничения кинетической энергии окружающих молекул, что также приведет к парообразованию.
При кипении, молекула жидкости, приобретя кинетическую энергию, эквивалентную температуре кипения и увеличив свою внутреннюю энергию за счет продолжающегося подогрева жидкости, превращается в пар, преодолевая силы молекулярного притяжения. Парообразование происходит по всему объему жидкости при постоянной температуре (температуре кипения), температура жидкости при этом остается постоянной.
Данное изобретение основано именно на этом отличии процессов парообразования при испарении и кипении.
Указанный технический результат достигается в способе испарения тяжелых углеводородов, в котором на предварительно разогретую поверхность тяжелых углеводородов распыляют жидкость с низкой температурой кипения для образования микрозон с перепадом температуры между поверхностным слоем тяжелых углеводородов и жидкостью с низкой температурой кипения, и при достижении перепада температур, численно превышающей отношение удельной теплоты парообразования к удельной теплоемкости испаряемой жидкости, возникает интенсивный процесс испарения углеводородных молекул и жидкости с низкой температурой кипения, при этом для поддержания непрерывности процесса к поверхности испарения осуществляют непрерывный подвод тепла.
Кинетическая энергия углеводородных молекул, появляющихся на границах микрозон, выше кинетической энергии соседних молекул жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования.
Соотношение поверхности тяжелых углеводородов, заполняемой жидкостью с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования ко всей поверхности тяжелых углеводородов, принимают в пределах от 1:3 до 1:2.
Тяжелые углеводороды представляют собой мазут.
В качестве жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования используют воду.
Тяжелые углеводороды нагревают свыше 200 градусов Цельсия.
В процессе испарения образуется смесь паров из жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования и тяжелых углеводородов, в результате чего происходит конденсация углеводородных молекул на группе молекул пара из жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования, которая преобразуется в устойчивую газожидкостную эмульсию, которая разрушается при ее охлаждении ниже 100°С или при контакте с углеводородной жидкостью.
Распыляют жидкость с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования по поверхности тяжелых углеводородов путем подачи ее в струю плазмы по кольцевому зазору в непосредственной близости от поверхности потока тяжелых углеводородов.
Данный технический результат достигается в устройстве испарения тяжелых углеводородов, содержащем плазмотрон косвенного действия и реактор с верхней и нижней крышками, реакционной камерой, патрубком для подачи тяжелых углеводородов, штуцером подачи жидкости с низкой температурой кипения и патрубком для выхода продуктов крекинга, при этом подачу жидкости с низкой температурой кипения осуществляют так, чтобы ее поток в контакте с плазменной струей распылялся по поверхности подаваемых в реактор тяжелых углеводородов для образования микрозон с перепадом температуры между поверхностным слоем тяжелых углеводородов и жидкостью с низкой температурой кипения.
Плазматрон содержит анод, установленный под соплом плазматрона для придания плазменной струе радиальное направление.
Внутренняя часть анода заполнена или выполнена из огнеупорного диэлектрика.
Полый катодный патрубок ввинчен в диэлектрическую втулку и зафиксирован в ней с обеих сторон гайками.
На нижний конец катодного патрубка навинчен трубчатый катод с несколькими небольшими отверстиями у его основания.
В нижней части диэлектрической втулки надето резиновое уплотнение.
К корпусу плазмотрона приваривается штуцер для подачи воздуха, установленный так, чтобы поток воздуха в корпусе плазмотрона имел вращательное движение.
На корпус плазмотрона навинчена теплоотводящая муфта, при этом корпус плазмотрона нижним концом ввинчен в верхнюю крышку реактора.
Между крышкой реактора и теплоотводящей муфтой установлено регулировочное кольцо, с помощью которого подбирают необходимый зазор между соплом плазмотрона и анодом.
Сопло плазмотрона на небольшом расстоянии от выхода имеет горизонтальные прорези, а между корпусом плазмотрона и соплом установлено кольцо с минимальным зазором между ним и анодом.
Патрубок для подачи тяжелых углеводородов и удлинитель анода образуют зазор для прохода тяжелых углеводородов.
В нижней крышке реактора просверлены несколько отверстий для подачи тяжелых углеводородов в реактор.
В нижнюю крышку реактора ввинчена втулка с нарезанной на внутренней поверхности ленточной резьбой, в один или несколько заходов, в зависимости от мощности плазмотрона, для регулирования времени контакта тяжелых углеводородов с плазменной струей.
В верхнюю плоскость нижней крышки реактора впрессована втулка, образующая с крышкой внутреннюю полость с зазором для выхода жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования, которая подается через штуцер.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено устройство испарения тяжелых углеводородов.
Если по поверхности тяжелых углеводородов, обладающей низкой теплопроводностью и высокой температурой кипения (например, тяжелые углеводороды, 480 градусов Цельсия) и нагретой свыше 200 градусов Цельсия, распылить жидкость с низкой температурой кипения, высокой удельной теплоемкостью и большой удельной теплотой парообразования (например, вода 4,19 кДж·кг/град и 2440 кДж/кг соответственно), то в начальный момент времени поверхность будет состоять из большого количества микрозон (ограниченных областей/участков малого размера), состоящих из тяжелых углеводородов, например, мазута с высокой температурой кипения, и жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования, например, воды, с резким перепадом температур относительно друг друга. На границах таких микрозон появятся углеводородные молекулы, кинетическая энергия которых окажется выше кинетической энергии соседних молекул жидкости с низкой температурой кипения (воды), которые могут преодолеть силы молекулярного притяжения, т.е. возникнет процесс испарения.
Микрозоны с перепадом температур между жидкостями создаются путем распыления жидкости с низкой температурой кипения по поверхности нагретых до расчетной температуры тяжелых углеводородов. В технике широко используется способ распыления жидкости путем ввода ее в быстро движущийся газовый поток, независимо от природы газа и типа жидкости. Это всевозможные инжекторные устройства, простейшим из которых является бытовой пульверизатор, краскопульт и др. Происходит, как бы, смешивание небольшого объема жидкости с газовым потоком в значительно большем объеме. В конструкции устройства жидкость с низкой температурой кипения подается по кольцевому зазору в поток плазмы, которая движется в перпендикулярном направлении, упираясь в поверхностный слой тяжелых углеводородов. Подача жидкости не превышает 30 мл/с, скорость при этом составит 0,1-0,2 м/с. Скорость плазменной струи, как известно, составляет около 1000 м/с, а объем прокачиваемого плазмообразующего газа - 4000-5000 мл/с. Условия для распыления жидкости близки к идеальным.
Однако процесс испарения будет носить быстро затухающий характер из-за выполаживания резких перепадов температур между микрозонами. Чтобы предотвратить выполаживание температуры между микрозонами, необходим подвод тепла к поверхности извне. При этом поглощение тепла микрозонами с низкой температурой приведет к повышению температуры в них до температуры кипения жидкости из которой они состоят. Дальнейший рост температуры прекратится, все тепло будет уходить на повышение внутренней энергии этой жидкости (переход электронов в атомах на более высокую орбиту). Поглощение тепла тяжелыми углеводородами будет вызывать увеличение кинетической энергии молекул, т.е. повышение температуры, что будет препятствовать выполаживанию температур между микрозонами и процесс испарения будет продолжаться до выкипания микрозон с низкой температурой.
Образовавшаяся в реакторе смесь паров жидкости с низкой температурой (воды) и углеводородов с температурой 346°С (расчет приведен ниже), в результате конденсации углеводородных молекул на группе молекул пара жидкости с низкой температурой и высокой удельной теплотой парообразования (воды), преобразуется в достаточно устойчивую газожидкостную эмульсию, которая разрушается при ее охлаждении ниже 100°С или при контакте с жидкими углеводородами.
При оптимальном сочетании параметров технологического режима (расход и температура испаряемой жидкости и жидкости охлаждения, количество тепла, подводимое к поверхности испарения) достигается интенсивный процесс испарения.
Определяем оптимальное сочетание вышеупомянутых параметров. В качестве исходных данных использованы значения, применявшиеся на опытной установке, на которой осуществлялась проверка действия предлагаемого способа интенсификации испарения. Значения удельной теплоемкости, удельной теплоты парообразования взяты из справочника нефтехимика под общей редакцией С.К. Огородникова, издательство «Химия» 1978 г.
1. Испаряемая жидкость - мазут, предварительно подогретый до 200 градусов Цельсия, удельная теплоемкость 1.9 кДж·кг/град. Удельная теплота парообразования принимается по фракциям дизельного топлива и составляет 360 кДж/кг.
2. Жидкость для создания микрозон с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования - вода комнатной температуры; удельная теплоемкость 4,19 кДж.кг/град; удельная теплота парообразования 2440 кДж/кг. Предполагаем, что нагрев воды во время подвода ее к поверхности испаряемой жидкости и за счет теплопередачи при контакте с мазутом достигнет 100 градусов Цельсия.
3. Источник тепла - плазма, создаваемая плазмотроном с потребляемой мощностью 4,9 кВт. С учетом КПД - 0,8 подводимое к поверхности количество тепла составит 4,9×0,8=3,92 кДж/с.
4. Максимальное количество микрозон на поверхности испаряемой жидкости, предположительно, будет при соотношении общей площади поверхности испарения к площади, занимаемой микрозонами с низкой температурой от 3:1 до 2:1. В проводимых опытах это соотношение принималось равным 3:1.
5. Определим, каким должен быть перепад температур между микрозонами, который обеспечит необходимую кинетическую энергию молекул для преодоления сил молекулярного притяжения.
Исходим из следующих рассуждений. Если для преодоления сил молекулярного притяжения при кипении молекула должна получить определенный запас внутренней энергии, то можно предположить, что на такую же величину должна превосходить соседние молекулы кинетическая энергия молекулы, способной преодолеть силы молекулярного притяжения при испарении. С учетом влияния внешних факторов, препятствующих испарению (в основном давление и скорость отвода образовавшихся паров) эта энергия должна быть увеличена в 1,2-1,3 раза.
Выразим вышеизложенное математически.
Количество тепла, необходимое для нагрева жидкости на расчетную температуру: Q=с×m×(t2-t1);
где С - удельная теплоемкость жидкости, кДж·кг/град;
m - масса нагреваемой жидкости, кг;
(t2-t1) - температура нагрева жидкости, °С.
Количество тепла, необходимое для перевода жидкости в пар: Qr=r×m; где
r - удельная теплота парообразования, кДж/кг;
m - масса жидкости, переводимая в пар, кг.
Т.к. мы допустили предположение, что молекулы жидкости способны преобразоваться в пар при испарении, если ими будет поглощена энергия, эквивалентная количеству теплоты Qr, т.е
Q=Qr или с×m×(t2-t1)=r×m.
После упрощения последнего уравнения получим:
(t2-t1)=r/с.
Итак, перепад температур между микрозонами для обеспечения интенсивного испарения должен быть численно равен отношению удельной теплоты парообразования жидкости к ее удельной теплоемкости:
360 кДж/кг/ 1,9 кДж·кг/град = 189,5°C с учетом коэффициента 1,3 необходимо поддерживать перепад температур 246°С.
Разница температур на границе контакта жидкостей удерживается подводом тепла к поверхности испарения. Попавшая на поверхность испарения частица воды нагревшаяся до 100°С будет иметь эту температуру до полного ее испарения поглотив при этом значительную энергию для перехода в другое агрегатное состояние. Так как подача воды осуществляется непрерывно, то на ее месте окажется другая частица воды, затем третья, четвертая и т.д. Температура мазута при подводе тепла к поверхности испарения будет увеличиваться до своего предела (480°С) или пока не испарится. По этой причине, выравнивание температур на границе разделения жидкостей, при непременном условии подвода тепла к поверхности испарения, весьма кратком промежутке времени протекания реакции и с учетом очень низкой теплопередачи мазута, невозможно.
6. Определим количество мазута и воды, которые смогут перейти в парообразное состояние при заданной мощности плазмотрона. Считая распределение подводимого тепла к поверхности испарения равномерным и учитывая принятое соотношение всей поверхности к поверхности, занимаемой водой (3:1) находим, что к поверхности, занимаемой мазутом будет подводиться тепло, в количестве: 3,92×2/3=2,6 кдж/сек., а количество тепла, подводимое к поверхности занимаемой водой - 1,32 кдж/сек.
Т.к. начальная температура мазута 200 градусов Цельсия, а температура воды 100 градусов Цельсия, необходимо повысить температуру мазута до получения разности температур между микрозонами в 246 градусов Цельсия, т.е. на: (200-100)+(246-200)=146 градусов Цельсия. При количестве теплоты 2,6 кДж и удельной теплоемкости мазута 1,9 кДж·кг/град, масса мазута, нагретая на 146 градусов выше исходной составит: 2,6/1,9×146=0,0094 кг или 9,4 г.
Количество воды, превращенной в пар с начальной (и впоследствии неизменной) температурой 100 градусов, с удельной теплотой парообразования 2440 кдж/кг, под воздействием тепла в количестве 1,32 кДж составит: 1,32/2440=0,00054 кг или 0,54 г.
Необходимо отметить, вышеприведенный расчет является приближенным, без учета изменения энергии Гиббса, и с коэффициентами для конкретного технологического режима. Для практики расчет вполне приемлем, необходимую корректировку любого из расчетных параметров можно произвести, ориентируясь на максимальный выход продукции.
Очевидно, максимальная интенсивность парообразования будет при перепаде температур между микрозонами равной отношению (r/m×1,2), без учета подводимого тепла к поверхности испарения. Тогда вся энергия плазмы будет расходоваться на поддержание перепада температур между микрозонами и разрыв связей в углеводородных молекулах по углероду, однако, при этом возникает возможность перехода в пар длинных углеводородных молекул (мазута).
Так как при плазмохимическом гидрокрекинге происходит локальный подвод энергии к углеводородной молекуле (бомбардировка ионами плазмы), а не ко всей массе вещества, как при обычном крекинге, то затраты энергии на разрыв связей в молекуле окажутся на порядок меньше.
Если в качестве плазмообразующего агента используется воздух, необходимо учитывать дополнительно подвод тепла к поверхности испарения за счет реакции кислорода с углеводородами непосредственно в реакторе.
Обобщая вышеизложенное можно констатировать: способ интенсификации испарения тяжелых углеводородов характеризуется тем, что на поверхности испарения, путем распыления на ней жидкости с низкой температурой, создают микрозоны с перепадом температуры между ними численно превышающую отношение удельной теплоты парообразовании к удельной теплоемкости испаряемой жидкости.
Для поддержания непрерывности процесса к поверхности испарения осуществляют непрерывный подвод тепла.
Для создания микрозон используют жидкость с низкой температурой и высокой удельной теплотой парообразования.
Соотношение поверхности, заполняемой жидкостью с низкой температурой, ко всей поверхности испарения принимают в пределах от 1:3 до 1:2.
Устройство состоит из плазмотрона (детали 1-12 и 19) и реактора (детали 12-26). Плазмотрон имеет полый катодный патрубок 1, который ввинчивается в диэлектрическую втулку 3 и фиксируется в ней с обеих сторон гайками 2. На нижний конец катодного патрубка наворачивается трубчатый катод с несколькими небольшими отверстиями у его основания. В нижней части диэлектрической втулки надето резиновое уплотнение 5. Этот узел в сборе вставляется в корпус плазмотрона 6 и фиксируется в нем гайкой 4. К корпусу плазмотрона приваривается штуцер 7 для подачи воздуха. Штуцер устанавливается так, чтобы поток воздуха в корпусе плазмотрона имел вращательное движение. На корпус плазмотрона навинчивается теплоотводящая муфта 8 со штуцерами 9 для подвода и отвода жидкости охлаждения (воды). Корпус плазмотрона нижним концом ввинчивается в верхнюю крышку 25 реактора. Между крышкой 25 реактора и теплоотводящей муфтой устанавливается регулировочное кольцо 26, с помощью которого подбирают необходимый зазор между соплом 12 плазмотрона и анодом 19. Сопло 12, на небольшом расстоянии от выхода имеет горизонтальные прорези. Внутренняя часть анода заполняется огнеупорным диэлектриком. Между корпусом плазмотрона и соплом устанавливают кольцо 11 с минимальным зазором между ним и анодом. Корпус реактора 24 с помощью болтов 15 закрывается верхней 25 и нижней 23 крышками. Нижнюю крышку 23, для упрощения ее изготовления, делают из двух фланцев. В корпусе реактора имеется патрубок 14 для выхода продуктов крекинга и непрореагированого сырья. Снизу крышки 23 приваривается патрубок 18 со штуцером 22 для подачи тяжелых углеводородов (мазута). Патрубок 18 и удлинитель анода 21 образуют зазор для прохода тяжелых углеводородов (мазута). В нижней крышке 23 просверлены несколько отверстий, как показано на фиг. пунктирными линиями, для подачи тяжелых углеводородов (мазута) в реактор. Втулка 13, с нарезанной на внутренней поверхности ленточной резьбой (один или несколько заходов, в зависимости от мощности плазмотрона), ввинчивается в крышку 23 и предназначена для регулирования времени контакта тяжелых углеводородов (мазута) с плазменной струей. В верхнюю плоскость крышки 23 впрессовывается втулка 17, образующая с крышкой внутреннюю полость с зазором для выхода воды, которая подается через штуцер 16. Снизу, патрубок 18 герметизируется гайкой 20, которая навинчивается на удлинитель анода 21.
Принцип действия устройства. К катодному патрубку 1 подсоединяют клемму «минус» а конструкцию соединяют с «массой». К катодному патрубку также подводят жидкость охлаждения (воду) с обратным шлангом и пропускают жидкость охлаждения через теплоотводящую муфту 8 со штуцерами 9. Через штуцер 7 в плазмотрон подают плазмообразующий газ (воздух, двуокись углерода, аргон, и т.д.) Включают в работу плазмотрон. Между трубчатым катодом 10 и кольцом 11 возникает электрическая дуга, которая потоком вращающегося воздуха перескакивает на анод 19. За счет вращающегося потока воздуха катодное и анодное пятна непрерывно перемещаются по торцам катода и анода. Отверстия у основания катода 10 не позволяют катодному пятну переместиться в центр катода, а через прорези у выхода сопла выходит большая часть объема не ионизированного плазмообразующего газа.
Через 1-2 с после включения плазмотрона, включают насос подачи тяжелых углеводородов (мазута). Тяжелые углеводороды (мазут), проходя через зазор между удлинителем анода 21 и патрубком 18 отводит излишнее тепло от нагреваемого при работе анода и поступает в реактор. Втулка 13 обеспечивает движение тяжелых углеводородов (мазута) по углублениям ленточной резьбы, что препятствуют выдуванию тяжелых углеводородов (мазута) плазменной струей. При контакте энергия плазменной струи передается тяжелым углеводородам (мазуту), разбивая при этом длинные углеводородные молекулы. Молекулы, соответствующие газовой фракции, выделяются из жидкой фазы углеводородов. Более длинные молекулы не смогут преодолеть силы молекулярного притяжения и вновь восстанавливают разорванные связи. После того как температура тяжелых углеводородов (мазута) на входе достигнет заданной величины, включают подачу расчетного количества воды. Жидкость с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования (вода), выходя из кольцевого зазора между втулкой 17 и крышкой 23, попадает в струю плазмы, которая разбрызгивает ее по поверхности тяжелых углеводородов (мазута), в результате чего образуются микрозоны с низкой температурой. Жидкость с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования (вода), нагревшись до 100 градусов Цельсия, начинает поглощать энергию плазмы, преобразуя ее во внутреннюю энергию молекул. Тяжелые углеводороды (мазут), в контакте с плазмой продолжит нагреваться, в контактных зонах тяжелых углеводородов (мазута) с жидкостью с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования (водой), где разность температур достигнет предельных значений, начнется интенсивное испарение углеводородных молекул. А так как нагрев углеводородных молекул является результатом воздействия на них ионов плазмы, то длинные углеводородные молекулы окажутся разорванными, и, таким образом, испаряться будут фракции, соответствующие светлым нефтепродуктам. В парообразном состоянии углеводородные молекулы будут конденсироваться на молекулах водяного пара, т.к. они имеют более низкую температуру. Углеводородоводная эмульсия в парообразном состоянии будет выходить из реактора через патрубок 14.
Устройство, включающее плазмотрон косвенного действия с полым катодом и принудительным перемещением катодного и анодного пятен и реактора, состоящего из корпуса, верхней и нижней крышек и реакционной камеры, характеризующееся тем, что анод плазматрона устанавливают под соплом, придавая таким образом плазменной струе радиальное направление.
Внутренняя часть анода выполнена из огнеупорного диэлектрика.
Распыление жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования (воды) по поверхности тяжелых углеводородов (мазута) достигается путем подачи ее в струю плазмы по кольцевому зазору в непосредственной близости от поверхности потока тяжелых углеводородов (мазута).
Пример практического осуществления изобретения.
Возможность осуществления изобретения проверена на лабораторной установке. Установка состоит из реактора, плазмотрона (в описании изобретения - устройство). Реактор соединен с циклоном, в котором происходит отделение паров от жидкой, непрореагированной фазы. Циклон одновременно служит рабочей емкостью для мазута (тяжелых углеводородов), который в подогретом до 80-90 градусов Цельсия состоянии заливается в нижнюю часть циклона. Из циклона, с помощью плунжерного насоса, в качестве привода которого служит бытовой электрический лобзик мощностью 700 Вт, мазут подается через печь в реактор. Контроль за технологическим режимом процесса осуществлялся двумя биметаллическими термометрами, установленными на выходе из печки и на выходе паров из циклона. Подача жидкости определена расчетным путем и составляла приближенно 19 кубических см/с. Подачу воды в реактор производили вручную, путем перемещения поршня насоса в цилиндре с помощью гайки с винтом. Подача воды составляла в среднем 0,5-0,8 кубических см/с. К плазмотрону, установленному на реакторе подводили воздух, воду для охлаждения и электроэнергию от источника питания мощностью 4,9 кВт (аппарат плазменной резки «Сварог»). Углеводородные пары, выходящие из циклона, проходя через холодильник, конденсировались и собирались в отстойник, а газ, то что не сконденсировалось, из отстойника, поступал в печь на обогрев мазута.
Порядок пуска в работу. Проверяют наличие циркуляции мазута в системе. На реактор устанавливают плазмотрон. Включают охлаждение плазмотрона и подают в него воздух от компрессора через редуктор (5-6 атм.). Поджигают дежурную горелку на входе в печь. Включают в работу плазмотрон, затем, через одну-две секунды, - подачу мазута. В начальный момент работы прогрев мазута и всей обвязки, происходит за счет работающего плазмотрона, горючий газ практически отсутствует. При достижении температуры на выходе из циклона около ста градусов Цельсия, в печь начинается интенсивный приток газа, который поджигается дежурной горелкой. Через полторы-две минуты мазут прогревается до 200 градусов Цельсия. При этом отмечается практически полное отсутствие в отстойнике сконденсированных светлых углеводородов.
С момента подачи воды в реактор, в результате возникновения на поверхностном слое мазута микрозон с необходимым перепадом температур, начинается интенсивный процесс испарения, одновременно бомбардировка ионами плазмы длинных углеводородных молекул, которые расщепляются (крекируют), приобретая при этом дополнительную кинетическую энергию, и продуктом испарения, появляющимся в отстойнике после конденсации, оказываются бензиновая, керосиновая и дизельная фракции.
Процесс переработки одного литра мазута (столько вмещает циклон-рабочая емкость) занимает 48-55 с.
Эксперимент повторялся несколько раз. Подача воды в реактор начиналась при температурах на выходе из печи 200, 210, 220, 230, 240 и 250 градусов Цельсия. Всякий раз, конденсат начинал поступать в отстойник лишь с момента начала подачи воды в реактор, что подтверждает выдвинутое нами предположение об интенсификации скорости испарения тяжелых углеводородов при появлении на поверхности испарения микрозон с большими перепадами температур.
Разделения переработанной продукции на фракции не входит в цель изобретения и описывается в способе плазмохимического крекинга.
Изобретение относится к способу испарения тяжелых углеводородов, характеризующемуся тем, что на предварительно разогретую поверхность тяжелых углеводородов распыляют жидкость с низкой температурой кипения для образования микрозон с перепадом температуры между поверхностным слоем тяжелых углеводородов и жидкостью с низкой температурой кипения, и при достижении перепада температур, численно превышающей отношение удельной теплоты парообразования к удельной теплоемкости испаряемой жидкости, возникает интенсивный процесс испарения углеводородных молекул и жидкости с низкой температурой кипения, при этом для поддержания непрерывности процесса к поверхности испарения осуществляют непрерывный подвод тепла. Также объектом изобретения является устройство для испарения высокотемпературных углеводородных жидкостей (мазута), содержащее плазмотрон косвенного действия с полым катодным патрубком и принудительным перемещением катодного и анодного пятен и реактор, состоящий из корпуса, верхней и нижней крышек и реакционной камеры, при этом анод плазматрона установлен под соплом плазматрона для придания плазменной струе радиального направления. Использование настоящего изобретения позволяет повысить скорость интенсификации парообразования при испарении, что способствует повышению производительности плазмохимического крекинга. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.
1. Способ испарения тяжелых углеводородов, характеризующийся тем, что на предварительно разогретую поверхность тяжелых углеводородов распыляют жидкость с низкой температурой кипения для образования микрозон с перепадом температуры между поверхностным слоем тяжелых углеводородов и жидкостью с низкой температурой кипения, и при достижении перепада температур, численно превышающей отношение удельной теплоты парообразования к удельной теплоемкости испаряемой жидкости, возникает интенсивный процесс испарения углеводородных молекул и жидкости с низкой температурой кипения, при этом для поддержания непрерывности процесса к поверхности испарения осуществляют непрерывный подвод тепла.
2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что кинетическая энергия углеводородных молекул, появляющихся на границах микрозон, выше кинетической энергии соседних молекул жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования.
3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что соотношение поверхности тяжелых углеводородов, заполняемой жидкостью с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования ко всей поверхности тяжелых углеводородов, принимают в пределах от 1:3 до 1:2.
4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что тяжелые углеводороды представляют собой мазут.
5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования используют воду.
6. Способ по п. 4, характеризующийся тем, что тяжелые углеводороды нагревают свыше 200 градусов Цельсия.
7. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в процессе испарения образуется смесь паров из жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования и тяжелых углеводородов, в результате чего происходит конденсация углеводородных молекул на группе молекул пара из жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования, которая преобразуется в устойчивую газожидкостную эмульсию, которая разрушается при ее охлаждении ниже 100°С или при контакте с углеводородной жидкостью.
8. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что распыляют жидкость с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования по поверхности тяжелых углеводородов путем подачи ее в струю плазмы по кольцевому зазору в непосредственной близости от поверхности потока тяжелых углеводородов.
9. Устройство испарения тяжелых углеводородов, характеризующееся тем, что содержит плазмотрон косвенного действия и реактор с верхней и нижней крышками, реакционной камерой, патрубком для подачи тяжелых углеводородов, штуцером подачи жидкости с низкой температурой кипения и патрубком для выхода продуктов крекинга, при этом подачу жидкости с низкой температурой кипения осуществляют так, чтобы ее поток в контакте с плазменной струей распылялся по поверхности подаваемых в реактор тяжелых углеводородов для образования микрозон с перепадом температуры между поверхностным слоем тяжелых углеводородов и жидкостью с низкой температурой кипения.
10. Устройство по п. 9, характеризующееся тем, что плазматрон имеет полый катодный патрубок и содержит анод, установленный под соплом плазматрона для придания плазменной струе радиального направления.
11. Устройство по п. 10, характеризующееся тем, что внутренняя часть анода заполнена или выполнена из огнеупорного диэлектрика.
12. Устройство по п. 10, характеризующееся тем, что полый катодный патрубок ввинчен в диэлектрическую втулку и зафиксирован в ней с обеих сторон гайками.
13. Устройство по п. 12, характеризующееся тем, что на нижний конец катодного патрубка навинчен трубчатый катод с несколькими небольшими отверстиями у его основания.
14. Устройство по п. 12, характеризующееся тем, что в нижней части диэлектрической втулки надето резиновое уплотнение.
15. Устройство по п. 9, характеризующееся тем, что к корпусу плазмотрона приваривается штуцер для подачи воздуха, установленный так, чтобы поток воздуха в корпусе плазмотрона имел вращательное движение.
16. Устройство по п. 15, характеризующееся тем, что на корпус плазмотрона навинчена теплоотводящая муфта, при этом корпус плазмотрона нижним концом ввинчен в верхнюю крышку реактора.
17. Устройство по п. 9, характеризующееся тем, что между крышкой реактора и теплоотводящей муфтой установлено регулировочное кольцо, с помощью которого подбирают необходимый зазор между соплом плазмотрона и анодом.
18. Устройство по п. 9, характеризующееся тем, что сопло плазмотрона на небольшом расстоянии от выхода имеет горизонтальные прорези, а между корпусом плазмотрона и соплом установлено кольцо с минимальным зазором между ним и анодом.
19. Устройство по п. 9, характеризующееся тем, что патрубок для подачи тяжелых углеводородов и удлинитель анода образуют зазор для прохода тяжелых углеводородов.
20. Устройство по п. 9, характеризующееся тем, что в нижней крышке реактора просверлены несколько отверстий для подачи тяжелых углеводородов в реактор.
21. Устройство по п. 20, характеризующееся тем, что в нижнюю крышку реактора ввинчена втулка с нарезанной на внутренней поверхности ленточной резьбой, в один или несколько заходов, в зависимости от мощности плазмотрона, для регулирования времени контакта тяжелых углеводородов с плазменной струей.
22. Устройство по п. 21, характеризующееся тем, что в верхнюю плоскость нижней крышки реактора впрессована втулка, образующая с крышкой внутреннюю полость с зазором для выхода жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования, которая подается через штуцер.
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ГИДРОКРЕКИНГА УГЛЕВОДОРОДНЫХ ФРАКЦИЙ | 2009 |
|
RU2411286C1 |
| СПОСОБ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ГИДРОКРЕКИНГА ТЯЖЕЛЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ФРАКЦИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ | 2007 |
|
RU2343181C1 |
| WO 2009040683 A3, 28.04.2011. | |||
