Способ переработки нефтяного сырья и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение относится к способу переработки нефтяного сырья и устройству для его осуществления и может быть использовано в нефтепереработке и нефтехимии и в отраслях, потребляющих жидкое топливо для сжигания. Техническая задача: повышение эффективности способа переработки нефтяного сырья и создание устройства для его осуществления. Сущность изобретения: способ переработки нефтяного сырья включает механическую обработку в гидродинамическом роторно-пульсационном аппарате между ротором и статором, причем сырье предварительно подвергают ударно-кавитационному активированию между поверхностями статора и двух участков лопаток ротора. Устройство для осуществления способа включает корпус с патрубками для ввода и вывода сырья и установленные в корпусе цилиндрические статор и ротор с лопатками, имеющими поверхности, примыкающие к поверхности статора, причем поверхности лопаток состоят из двух граничащих между участков, выполненных таким образом, что один из участков расположен напротив прорези ротора имеет зазор с поверхностью статора, равный зазору между ротором и статором, причем длина этого участка больше ширины прорезей статора, но меньше расстояния между ними, а другой участок имеет зазор переменной величины к поверхности статора, возрастающей в направлении вращения лопаток. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. 1 табл.

Изобретение относится к способу переработки нефтяного сырья и устройству для его осуществления и может быть использовано в нефтепереработке, нефтехимии, в отраслях промышленности, потребляющих жидкое нефтяное топливо для сжигания.

Известен способ переработки углеводородного сырья, в котором сырье перед основным процессом окислением предварительно подвергают кавитационной обработке в кавитаторе-активаторе в режиме частичной кавитации, затем проводят окисление в кавитаторе-реакторе в режиме суперкавитационного вентилирования и далее продукт окисления дегазируют в кавитаторе-дегазаторе в режиме развитой кавитации [1] Однако данный способ обладает недостатками: многостадийность переработки углеводородного сырья (три стадии кавитации); энергоемкость, так как на каждой стадии применяется отдельный аппарат-кавитатор; сложность в эксплуатационном исполнении и регулировании режимов кавитации.

Известен способ энергетической активации нефтяных остатков в дезинтеграторе [2] Для обработки мазута и гудрона использовали высокоскоростную ударно-механическую установку ДУ-42 с частотой от 50 до 300с, что соответствует частоте вращения ротора от 3000 до 18000 об/мин. Такие высокие частоты для обработки тяжелых остатков связаны с большими энергетическими затратами, что является значительным недостатком способа. Вследствие этого способ дорогостоящ и сложен в практической реализации.

Известен способ подготовки жидкого топлива к сжиганию путем его смешения с водой и получения водотопливной эмульсии, в котором весь обьем воды, добавляемой в топливо, смешивают с частью топлива при избытке воды 1,5 2,0, а оставшееся топливо добавляют в полученную эмульсию [3] Однако данный способ малоэффективен, так как в способе используют три стадии смешения: на первом смесителе смешивают воду с частью топлива, затем на втором смесителе-дезинтеграторе получают концентрированную эмульсию, которую далее направляют в третий смеситель для смешения эмульсии с остальным топливом и получения целевой водотопливной смеси. Поэтому способ отличается высокими энергетическими затратами. Кроме того, известно, что концентрированные эмульсии типа масло/вода неустойчивы без эмульгаторов, вследствие чего она может расслоиться до смешения с остальной частью топлива, что приведет к неравномерности сжигания топлива в форсунках и их выводу из строя.

Наиболее близким техническим решением является способ переработки тяжелых нефтяных остатков [4, прототип] включающий механическую обработку остатка в диспергирующей машине роторного типа, в качестве которой используют гидродинамический роторно-пульсационный аппарат, и обработку ведут 3 10 мин в присутствии водорода со скоростью подачи 1,0 2,0 л/мин.

Данный способ позволяет повысить выход светлых фракций за счет длительного времени обработки (3 10 мин при частоте вращения ротора 8600 об/мин) и проведения ее в среде водорода.

Однако способ малоэффективен: низкая предельная частота прерывания сплошности потока (15 кГц) и отсутствие более высоких и низких частот создают малую интенсивность кавитационного эффекта при обработке тяжелых остатков; введение дорогостоящего водорода для создания газообразной среды при переработке остатков и повышения степени механодеконструкции увеличивает затраты на переработку; длительное время пребывания нефтяных остатков в аппарате с высокой частотой вращения ротора (8600 об/мин) приводит к высоким энергетическим затратам.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности способа переработки нефтяного сырья и создание устройства для его осуществления.

Для решения поставленной технической задачи необходимо использовать устройство специальной конструкции.

Наиболее близким к этому устройству является устройство, используемое в прототипе [4] а именно гидродинамический роторно-пульсационный аппарат (ГРПА) типа ГАРТ (гидродинамический аппарат роторный) [5, 6] Известное устройство включает корпус с патрубками для ввода и вывода продукта и установленные в корпусе цилиндрические статор и ротор. Однако оно не позволяет решить техническую задачу изобретения, так как механическая обработка проходит в основном между статором и ротором и не обеспечивает необходимой степени разрушения структуры и дисперсности нефтяного сырья сложного химического и фракционного состава.

Техническая задача решается использованием предлагаемого нового устройства, включающего корпус с патрубками для ввода и вывода сырья и установленные в корпусе цилиндрические статор и ротор с лопатками, имеющими поверхности, примыкающие к поверхности статора, отличающегося тем, что поверхности лопаток состоят из двух граничащих между собой участков, выполненных таким образом, что один из участков расположен напротив прорези ротора и имеет зазор с поверхностью статора, равный зазору между ротором и статором, причем длина этого участка больше ширины прорезей статора, но меньше расстояния между ними, а другой участок имеет зазор переменной величины к поверхности статора, возрастающей в направлении вращения лопаток.

Устройство изображено на фиг. 1 (общий вид), на фиг. 2 разрез по AA, на фиг. 3 элемент Б с фиг. 2. Оно содержит корпус 1 с патрубками 2, 3 ввода и вывода сырья соответственно. Внутри корпуса 1 на валу 4 установлен ротор 5 с лопатками 6, выполненный в виде цилиндра с прорезями 7 на боковой стенке. Между внутренней поверхностью ротора 5 и поверхностью лопаток 6 размещен с радиальным зазором 8 статор 9, выполненный в виде цилиндра с прорезями 10 на боковой стенке и закрепленный на стенке корпуса 1.

Поверхности лопаток 6 ротора 5, примыкающие к внутренней поверхности статора 9, имеют два граничащих между собой участка 11, 12 (см. фиг. 3). Один из участков 11 расположен напротив прорезей 7 ротора 5 с постоянным зазором 13 к внутренней поверхности статора 9, равным зазору 8 между ротором 5 и статором 9, а длина этого участка больше ширины прорезей 10 статора 9, но меньше расстояния между ними.

Другой участок 12 выполнен к внутренней поверхности статора 9 с зазором 14 переменной величины, возрастающей в направлении вращения лопаток 6 (на фиг. 3 показано стрелкой).

Способ в описанном выше устройстве осуществляют следующим образом.

Нефтяное сырье (мазут, нефть, смесь топлив с водой, смесь нефтяных фракций с растворителями и др.) подают в корпус 1 по патрубку 2, где сырье предварительно подвергают ударно-кавитационному активированию между поверхностями статора 9 и двух участков 11, 12 лопаток 6 ротора 5, после чего предварительно активированное сырье подвергают механической обработке между ротором 5 и статором 9 и выводят его из корпуса 1 по патрубку 3.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Сырье, поступающее в корпус 1, под давлением, создаваемым лопатками 6 при вращении ротора 5, попадает в переменный по величине зазор 14 и далее в постоянный радиальный зазор 13 между поверхностями двух участков 11, 12 лопаток 6 и поверхностью статора 9.

При прохождении с высокой скоростью участка 11 лопаток 6 относительно поверхности статора 9 между прорезями 10 происходит ударное повышение давления и скорости жидкости в зазоре 13, резко снижающиеся за участком 12 на нерабочей поверхности лопаток 6, что приводит к возникновению эффекта кавитации. Таким образом, при вращении лопаток 6 относительно статора 9 происходит активация нефтяного сырья за счет периодического ударного и кавитационного воздействия в высокочастотном пульсирующем режиме. По-видимому, в результате предварительной ударно-кавитационной активации сырья между поверхностями участков 11, 12 лопаток 6 и поверхностью статора 9 происходит более глубокое структурное изменение углеводородной системы и повышается степень его механической обработки между ротором 5 и статором 9, в кольцевом радиальном зазоре 8 между ними, куда затем отбрасывается жидкость.

Таким образом, предварительная ударно-кавитационная активация в предлагаемом устройстве способствует повышению эффективности гидродинамических и кавитационных процессов последующей механической обработке сырья в прорезях и зазорах ротора и статора.

В способе переработки нефтяного сырья этот эффект зависит от природы сырья и его физико-химических характеристик. Например, при переработке тяжелых нефтяных остатков (мазута, гудрона) снижается вязкость, увеличивается выход светлых нефтяных фракций; при переработке смесей дистиллятов с растворителями улучшаются условия их очистки от нежелательных примесей; для водотопливных смесей значительно увеличивается дисперсность системы, в результате чего получается стойкие смеси с более высоким содержанием воды, что приводит к стабилизации процессов их сжигания и экономии топлива, при этом улучшается экологическая ситуация за счет более полного сжигания топлива и меньших выбросов в атмосферу.

Осуществление предлагаемого способа в устройстве новой конструкции и сравнение его с известным иллюстрируется конкретными примерами 1 4 (см. таблицу).

Примеры 1 3 осуществляют по предлагаемому способу в предлагаемом устройстве. Пример 4 для сравнения с примером 3 осуществляют на аналогичном сырье водотопливной смеси (80% об. мазута и 20% об. воды) в известном гидродинамическом роторно-пульсационном аппарате типа ГАР [5] Как видно из приведенных в таблице данных, осуществление способа по предлагаемому техническому решению, заключающемуся в том, что сырье предварительно подвергают ударно-кавитационному активированию между поверхностями статора и двух участков лопаток ротора, в предлагаемом гидродинамическом роторно-пульсационном аппарате новой конструкции, отличающейся тем, что смонтированные на роторе лопатки имеют поверхности, примыкающие к поверхности статора и состоящие из двух граничащих между собой участков, выполненных таким образом, что один из участков расположен напротив прорези ротора и имеет зазор с поверхностью статора, равный зазору между ротором и статором, причем длина этого участка больше ширины прорезей статора, но меньше расстояния между ними, а другой участок имеет зазор переменной величины к поверхности статора, возрастающей в направлении вращения лопаток, позволяет значительно повысить эффективность обработки нефтяного сырья по сравнению с прототипом, снизить энергозатраты на его переработку.

Так, при обработке мазута выход дистиллятных фракций 240 420''C по сравнению с прототипом при одинаковом времени (3 мин) увеличивается в три раза (на 10,4% в примере 1 и на 3,3% в [4] причем в прототипе расходуют водород - для данного сравнения 6 л на 400 г мазута (15 л водорода/кг). Для достижения уровня увеличения выхода светлых в предлагаемом способе (26,2% мас. в примере 1 и прототипе 25,1% (см. таблицу) в последнем необходимо проводить более длительную обработку 5 мин с расходом водорода 12,5 л/кг и в энергетически более жестких условиях (8600 об/мин [4] и 3000 об/мин пример 1). Поэтому общие энергетические затраты по предлагаемому способу могут быть снижены в несколько раз с одновременным увеличением выработки более ценных дистиллятных нефтепродуктов.

Обработка гудрона по предлагаемому способу приводит к значительному снижению условной вязкости (на 19 с (пример 2)), что облегчает его компаундирование с другими компонентами при приготовлении котельных топлив.

При использовании предлагаемого способа и устройства для обработки водотопливных смесей, например мазута с водой (пример 3) по сравнению с обработкой по известному способу [4] в известном устройстве [5] (пример 4) получают устойчивую смесь, не расслаивающуюся длительное время (более 5 суток), что дает возможность накапливать и хранить смесь в отдельной емкости, расходуя ее по мере необходимости. Кроме того, при прохождении смеси по трубопроводу и змеевикам печи к форсункам исключается ее расслоение и процесс горения становится более стабильным.

Таким образом, предлагаемое техническое решение, отличающееся от известных, обеспечивает достижение цели, заключающейся в повышении эффективности способа переработки нефтяного сырья и создании устройства для его осуществления.

Формула изобретения

1. Способ переработки нефтяного сырья путем механической обработки в гидродинамическом роторно-пульсационном аппарате между ротором и статором, отличающийся тем, что сырье предварительно подвергают ударно-кавитационному активированию между поверхностями статора и двух участков лопаток ротора.

2. Устройство для переработки нефтяного сырья, включающее корпус с патрубками для ввода и вывода сырья и установленные в корпусе цилиндрические статор и ротор с лопатками, имеющими поверхности, примыкающие к поверхности статора, отличающееся тем, что поверхности лопаток состоят из двух граничащих между собой участков, выполненных таким образом, что один из участков расположен напротив прорези ротора и имеет зазор с поверхностью статора, равный зазору между ротором и статором, причем длина этого участка больше ширины прорезей статора, но меньше расстояния между ними, а другой участок имеет зазор переменной величины к поверхности статора, возрастающей в направлении вращения лопаток.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5