Реактор для переработки тяжелого углеводородного сырья
Изобретение может быть использовано для переработки тяжелого углеводородного сырья и нефти, а также утилизации отходов нефтепереработки. Активирующий газ и тяжелое углеводородное сырье подают из средств хранения 4 и 5 компрессором 6 и насосом 7 на входы 8 и 9 реакционной секции 10. Тяжелое углеводородное сырье с большой скоростью поступает в двухфазный эжектор 18 и увлекает за собой активирующий газ, частично перемешиваясь с ним. Затем двухфазный пенообразный газосырьевой поток попадает в гидродинамический генератор механических колебаний, где он с большой скоростью ударяется в резонатор 21. Газосырьевой поток при этом активно перемешивается как за счет его турбулизации при движении по двухфазному эжектору 18 и при ударе в резонатор 21, так и под воздействием поля механических колебаний, создаваемых генератором. Изобретение позволяет повысить экологичность, эффективность и технические характеристики реактора. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области переработки тяжелого углеводородного сырья и сырой нефти, может быть использовано в любой области народного хозяйства. Предпочтительная область использования - утилизация отходов нефтепереработки и других остатков (отходов), содержащих органику.
Известен реактор, предназначенный для переработки тяжелого углеводородного сырья, содержащий корпус, средства хранения и подачи на вход реакционной зоны тяжелого углеводородного сырья, его отделения от конечного продукта и перемешивания с новой порцией сырья, последнее средство выполнено в виде гидродинамического генератора механических колебаний (см. патент РФ №2158288, МПК C10G 7/00, Фомин В.М. и др., опубл. 27.10.2000). Гидродинамический генератор роторного типа, используемый в указанном изобретении, имеет несколько окон, периодически перекрываемых движущимися частями ротора. Механические колебания, создаваемые отдельными окнами, при этом образуют по всей реакционной зоне сложное поле интерференционного взаимодействия с большими градиентом амплитуд, разностью фаз и разнообразием направлений движения отдельных волн механических колебаний. При этом также необходимо учитывать влияние на химические процессы в сырье и конечном продукте последовательности их перемещений в этом поле, а она является хаотичной и турбулентной. Отсутствие средств пространственного ограничения распространения механических колебаний и организации упорядоченного движения сырья в их поле приведет к непредсказуемому их воздействию на тяжелые нефтепродукты и получению конечного продукта сложного и труднопредугадываемого состава. Кроме этого, неограниченное по объему и времени продолжительное воздействие механических колебаний может вызвать не только выделение серы из сераорганических соединений, но также инициировать обратный процесс в зонах с пониженной интенсивностью воздействия указанных колебаний. Это также снизит потребительские качества конечного и товарного продукта.
Известен реактор для переработки вторичного тяжелого углеводородного сырья, содержащий корпус с установленной в нем, по меньшей мере, одной перфорированной перегородкой, разделяющей его реакционную зону на независимые секции, сообщенные между собой, средства соответственно: хранения и подачи на вход реакционной зоны активирующего газа и тяжелого углеводородного сырья; их отделения на выходе от конечного продукта; последующей рециркуляции тяжелого остатка, газообразной фракции и активирующего газа на вход реакционной зоны и смешения их с новыми порциями сырья, поступающими из средств хранения (см. патент РФ №2170754, МПК C10G 7/00, Крючков В.А. и др., опубл. 20.07.01). Низкая эффективность средств смешения в виде нескольких перфорированных перегородок приводит к значительному объему и габаритам реактора из-за низкой диспергации, малых реакционной поверхности и соответственно реакционного объема, что ведет к низкой эффективности работы реактора по конверсии тяжелых углеводородов, при этом невозможность выделения серы из сераорганических соединений обусловлена низкой температурой сырья в нем.
Задачей, решаемой приведенным предложением, является повышение экологичности, эффективности и технических характеристик реактора, расширение его функциональных возможностей и арсенала используемых средств.
Указанная задача решается тем, что реактор для переработки тяжелого углеводородного сырья содержит корпус с установленной в нем, по меньшей мере, одной перфорированной перегородкой, разделяющей его реакционную зону на независимые секции, сообщенные между собой, средства соответственно: хранения и подачи на вход реакционной зоны активирующего газа и тяжелого углеводородного сырья; их отделения от конечного продукта на выходе из реакционной зоны; выделения из конечного продукта жидких светлых фракций товарного продукта, а также газообразных фракций и тяжелого остатка; повторной их рециркуляции на вход реакционной зоны и смешения с новыми порциями активирующего газа и тяжелого углеводородного сырья, поступающими из средств хранения. При этом средство смешения газообразных фракций конечного продукта, активирующего газа, тяжелых остатков и тяжелого углеводородного сырья выполнено в виде гидродинамического генератора механических колебаний, снабженного встроенным двухфазным эжектором. Причем, по меньшей мере, одна перфорированная перегородка реакционной зоны изготовлена из материала, активно поглощающего энергию механических колебаний, а, по меньшей мере, одна из секций снабжена термоизоляцией.
Высокая эффективность последовательной совместной работы двухфазного эжектора и гидродинамического генератора механических колебаний по смешению и диспергации тяжелого углеводородного сырья в газожидкостной смеси (пене), состоящей из активирующего газа и эмульсии тяжелого углеводородного сырья, диспергированной в легких светлых жидких фракциях, получаемых в процессе и создающих очень большую поверхность контакта ее составляющих, заключается в следующем. Сначала указанная смесь перемешивается за счет турбулизации при эжекции высокоскоростным потоком тяжелого углеводородного сырья активирующего газа и газообразной фракции конечного продукта и в последующем процессе их движения в двухфазном эжекторе. Затем она дополнительно интенсивно диспергируется при ударе о резонатор гидродинамического генератора. После этого подвергается воздействию генерируемых им механических колебаний в реакционной секции и перемешивается с возникающими в процессе светлыми фракциями, создавая указанную выше эмульсию, что позволяет достичь большой площади поверхности взаимодействия активирующего газа и жидкости, необходимой для повышения общего активного реакционного объема. Очевидно, что чем меньше путь и время движения газосырьевой смеси между турбулентным перемешиванием в эжекторе и диспергацией в генераторе, тем меньше ее расслоение при поступлении в генератор и выше эффективность диспергации в генераторе механических колебаний, поэтому будет наиболее эффективным и предпочтительным выполнение эжектора встроенным в генератор. Последующее воздействие на указанную смесь в ограниченном перфорированной перегородкой объеме первой реакционной секции реакционной зоны механических колебаний с активацией в ней конверсии диспергированных мелких капель тяжелых углеводородов первичного сырья с получением легкокипящих светлых фракций конечного продукта позволяет достичь указанные эффекты в реакционной зоне со сравнительно малым объемом с высокой эффективностью преобразования (конверсии) тяжелого углеводородного сырья в более легкие виды углеводородов конечного и товарного продуктов из-за комплексного взаимодополняющего действия всех указанных диспергирующих воздействий.
Механические колебания, ограниченные перфорированной перегородкой, выполненной из материала, активно поглощающего их энергию, не могут свободно распространяться по всему объему реакционной зоны, что позволяет сократить объем реакционной секции и максимально уменьшить объем остальных соседних секций реакционной зоны, а также повысить в них качество конечного продукта путем быстрого завершения под действием активирующего газа процесса конверсии тяжелого углеводородного сырья на необходимой стадии получения стабильных светлых фракций и выделения в них серы и ее простейших производных.
Перфорация перегородки может быть сквозной, в которой часть падающей на ее поверхность волны будет свободно проходить через ее отверстия, однако при этом для полной изоляции реакционной секции потребуется, по меньшей мере, вторая аналогичная перегородка, в которой отверстия перфораций смещены относительно отверстий первой и взаимно с ними не пересекаются. Или же она может быть несквозной, то есть перекрывающей такое распространение волн механических колебаний, например, выполненной путем изготовления в ней выштамповок в виде выступов с боковыми просечками, поглощающих или отражающих указанную часть волны обратно в реакционную секцию и не препятствующих свободному движению конечного продукта в последующие секции через просечки. Последнее выполнение формы перегородки и ее перфораций является наиболее простым и предпочтительным для использования.
Использование указанного механизма (при котором химические реакции протекают в условиях высокодиспергированной газосырьевой смеси) проведения процесса по конверсии тяжелых углеводородов повышает его производительность, снижает удельные энергетические затраты на его проведение и позволяет более точно регулировать получение нужного диапазона свойств конечного продукта, а также уменьшить объем и габаритные размеры реактора.
Кроме этого, высокая диспергирующая способность механических колебаний, ограниченная по объему и времени воздействия, и изотермическая выдержка в конце предложенного процесса в, по меньшей мере, одной из последующих секций, снабженной термоизоляцией, препятствует глубокой деструкции тяжелого углеводородного сырья и образованию коксообразных отложений. Случайно полученные сажеобразные продукты легко удаляются из реактора и/или вовлекаются в повторные циклы процесса. Термоизоляция секции позволяет уменьшить теплоотдачу конечного продукта и оптимизировать температурный режим изотермической выдержки, а также снизить температурный градиент по объему секции, что должно привести к равномерному и полному завершению реакций конверсии тяжелого углеводородного сырья.
Результат такого процесса зависит от времени и интенсивности воздействия на сырье механических колебаний, их энергетической насыщенности по амплитуде, модуляции и частоте, состава сырья и активирующего газа, режима и равномерности изотермической выдержки и соотношения всех указанных параметров (приведенный перечень которых не является исчерпывающим). Ввиду отсутствия широко известных источников технической литературы, описывающей в необходимой полноте указанные явления, сложно без дополнительных исследований точно предсказать, описать и рассчитать состав конечного продукта, который определяется и регулируется опытным путем. Но при этом вариации указанных параметров расширяют функциональные возможности и арсенал средств, используемых реактором для реализации процесса.
Процесс может происходить как при атмосферном давлении, так и при избыточном. Наименьшие затраты на производство оборудования будут требоваться для его атмосферного варианта, что является предпочтительным для широкого использования в промышленности. При избыточном давлении эффективность процесса и затраты на его проведение, расход активирующего газа, глубина переработки сырья и стоимость оборудования будут повышаться.
Наличие избыточного количества парогазовой составляющей в жидком сырье снижает объем распространения и повышает градиент параметров механических колебаний из-за интенсивного поглощения их энергии развитой перемежающейся поверхностью, разделяющей указанные фазы, которые в двухфазной, неоднородной среде растут при увеличении дисперсности пены или газожидкостной смеси, повышая при этом указанный градиент распределения по объему реакционной секции параметров механических колебаний, снижая из-за этого эффективность конверсии сырья и расширяя диапазон получаемых на выходе видов углеводородов конечного продукта, а также создавая возможность образования вновь сераорганических соединений. По этой причине будет возникать необходимость увеличения объема и диапазона рабочих температур разгонки ректификационной колонны. Наилучшим видом среды, способствующей распространению указанных колебаний с наименьшим затуханием, является чистая жидкая или твердая фаза. Поэтому очевидно, что для каждого вида среды имеется свое соответствующее оптимальное соотношение газовой и другой фаз, необходимое для интенсивного и избирательного проведения процесса.
Как известно, энергия разрыва связи серы с углеродом в сераорганических соединениях меньше энергии разрыва связи углерод-углерод или углерод-водород. Следовательно, можно подобрать энергию и другие параметры способа механического воздействия на газосырьевую смесь, при котором в первую очередь будет разрываться указанная связь серы в сераорганических соединениях тяжелого углеводородного сырья и сера будет выделяться в виде отдельного продукта или ее простейших соединений с водородом или кислородом. При этом улучшатся условия для выделения растворенного в сырье сероводорода.
Как уже указывалось, размеры и форма первой реакционной секции, параметры состава активирующего газа, условия работы двухфазного эжектора и генератора механических колебаний позволяют получить различные по составу варианты конечного продукта. При этом отдельно взятые последующие секции могут быть снабжены устройствами для отделения от конечного продукта серы, ее окислов и сероводорода, а также другими известными химико-технологическими аппаратами для выделения ее производных, например серной, сероводородной или сернистой кислот. Все это позволяет расширить функциональные возможности реактора и арсенал средств для реализации его возможностей.
Описанные выше процессы могут происходить при относительно низких температурах, намного ниже температуры точки начала активного термического и каталитического крекинга тяжелого углеводородного сырья, сравнимых с температурой точки начала кипения наиболее легкой его жидкой фракции. Это снижает энергопотребление, необходимое для разогрева тяжелого углеводородного сырья и эффективной работы реактора.
Все указанные особенности выполнения конструкции реактора для переработки тяжелого углеводородного сырья позволяют повысить эффективность его работы.
В качестве материала, активно поглощающего энергию механических колебаний, обычно используется композиционный материал. Например, армированный стекловолокном термостойкий полимер или биметаллический материал, такой как сталеалюминевый или покрытый свинцом лист, который должен включать два металла и/или материала с максимально отличающимися удельными характеристиками, например, такими как удельный вес и скорость распространения в них механических колебаний. Только при указанном требовании композиционный или биметаллический материал будет создавать условия для отражения волн механических колебаний на границе соединения материалов и поглощения энергии колебаний в более тяжелом материале при переходе ими границы разделения составляющих частей этого материала.
В современной технике существует только один тип монолитного вещества, активно поглощающего энергию механических колебаний, в качестве которого используется разработанная специалистами Японии и России алюмосодержащая сталь. Указанная сталь имеет особую структуру, позволяющую поглощать до половины энергии колебания за один его период.
В тяжелое углеводородное сырье могут вводиться катализаторы его конверсии в твердом, жидком или газообразном виде, например, такие как неорганические и органические соединения ванадия или других редкоземельных металлов, азот, водород или благородные газы, такие как аргон, криптон или неон. Однако жидкие и твердые катализаторы от конечного продукта отделяются с трудом, в связи с чем они будут иметь больший расход, чем активирующие газы, а их наличие в конечном и товарном продукте снизит его качество. Также возможно покрытие поверхности реакционной секции каталитическими соединениями, но при этом стоимость изготовления реактора будет значительно возрастать. По указанной причине наиболее предпочтительными для использования будут являться газообразные активирующие добавки, для работы с которыми необходимы соответствующие указанные выше средства.
При этом следует отметить, что при увеличении относительной массы компонентов (составляющих частей) активирующего газа, времени и интенсивности механического воздействия на тяжелое углеводородное сырье повышается выход светлых и газообразных конечных продуктов. И наоборот, уменьшение в активирующем газе каталитических составляющих, относительного содержания водорода, водороднодонорных компонентов и сокращение времени пребывания продуктов в реакционной секции, в секциях стабилизации и изотермической выдержки реакционной зоны повышает относительное количество более тяжелых, непредельных и нестабильных углеводородов.
В предложенном устройстве может быть переработана в легкое углеводородное топливо практически любая субстанция, содержащая органические вещества. Однако для этого она должна быть измельчена до состояния устойчивой суспензии или эмульсии в жидкой фазе. Жидкая фаза может быть органической или иной, желательно низкокипящей, например, на водной основе. При этом затраты на указанное измельчение будут весьма высокими. По этой причине наиболее предпочтительным является использование жидкого (от тяжелого до легкого) углеводородного сырья. Наибольший эффект достигается при использовании достаточно дешевого жидкого тяжелого углеводородного сырья. По этой причине указанный вид сырья будет наиболее предпочтительным для использования в реакторе.
Заявителю неизвестна указанная совокупность признаков, имеющих указанные свойства, по этой причине можно утверждать, что предложение соответствует критерию изобретения "новизна".
Заявителю неизвестны технические решения, в которых решается такая же техническая задача, такими же средствами и с достижением таких же технических результатов, поэтому можно утверждать, что предложение соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень".
Соответствие предложенного устройства критерию изобретения "промышленная применимость" показана в описании изобретения.
На приведенном чертеже показано схематичное выполнение реактора.
Реактор содержит корпус 1 с установленной в нем, по меньшей мере, одной перфорированной перегородкой 2, разделяющей его реакционную зону 3 на независимые секции. Средства хранения 4 и 5 могут быть выполнены соответственно в виде газгольдера или баллона с композицией сжатого активирующего газа или составляющих частей его компонентов, цистерны или емкости для тяжелого углеводородного сырья. Средства подачи выполняются соответственно в виде компрессора 6 и насоса 7, подающих на входы 8 и 9 реакционной секции 10 соответственно активирующий газ и тяжелое углеводородное сырье. Средство 11 разделения конечного продукта на активирующий газ, газообразные фракции, тяжелый остаток и товарный продукт, размещенное на выходе 12 реакционной зоны 3, может быть выполнено, например, в виде ректификационной колонны 13, имеющей средства 14 и 15 для рециркуляции соответственно на входы 8 и 9 активирующего газа, газообразных фракций конечного продукта и тяжелых остатков. Средство смешения 16 служит для перемешивания газообразных фракций конечного продукта, активирующего газа, тяжелых остатков и тяжелого углеводородного сырья с новыми порциями, восполняющими расход активирующего газа и/или сырья, поступающими из средств хранения 4 и 5. Средство смешения 16 выполнено в виде гидродинамического генератора 17 механических колебаний, снабженного встроенным двухфазным эжектором 18. Конкретное выполнение отдельных конструкций указанных агрегатов не имеет значения и может быть любым, например, гидродинамический генератор может быть изготовлен в виде пластинки с острой кромкой, установленной в потоке жидкости с возможностью поперечных колебаний под действием турбулентных вихрей, генерируемых им, или типа генератора Гартмана с упруго подвешенным отражателем струи, являющимся резонатором для возникающих при этом его колебаний.
Перегородка 2, ограничивающая первую активную реакционную секцию 10, изготовлена из материала, активно поглощающего энергию механических колебаний.
По меньшей мере, одна вторая последующая секция 19 реакционной зоны 3, покрытая любой известной в современной технике термоизоляцией, необходима для завершения реакции конверсии тяжелого углеводородного сырья и предназначена для стабилизации свойств конечного продукта и частичного выделения компонентов активирующего газа, не участвующих в химических реакциях.
Последующих секций может быть несколько, и они могут быть оборудованы различным химико-технологическим оборудованием и различными аппаратами, предназначенными для различных целей. Но при этом, по меньшей мере, одну из секций 20 предпочтительно следует использовать для отделения от конечного продукта элементарной серы, сероводорода и/или других простейших соединений серы, выделенных в реакторе из сераорганических соединений.
Реактор для переработки тяжелого углеводородного сырья работает следующим образом.
При начале работы реактора первая порция активирующего газа и тяжелого углеводородного сырья подается из соответствующих средств хранения 4 и 5 компрессором 6 и насосом 7 на входы 8 и 9 реакционной секции 10.
Тяжелое углеводородное сырье с большой скоростью поступает в двухфазный эжектор 18 и увлекает за собой активирующий газ, частично перемешиваясь с ним. Затем двухфазный пенообразный газосырьевой поток попадает в гидродинамический генератор механических колебаний, где он с большой скоростью ударяется в резонатор 21. Конструкция гидродинамического генератора 17 и резонатора 21 может быть различной, выбранной из большого количества их известных вариантов. Наиболее часто используются генераторы типа Гартмана с упругоподвешенным резонатором 21, отражающим газосырьевой поток, начинающим колебаться под его воздействием с заданной частотой и амплитудой и создающим в реакционной секции 10 поле механических колебаний.
Газосырьевой поток при этом активно перемешивается как за счет его турбулизации при движении по двухфазному эжектору 18 и при ударе в резонатор 21, так и под воздействием поля механических колебаний, создаваемых генератором. Вследствие этого активирующий газ и тяжелое углеводородное сырье интенсивно перемешиваются, создавая высокодисперсную газосырьевую пенообразную смесь. Под действием указанных явлений и каталитического действия активирующего газа происходит расщепление больших по размерам молекул тяжелых углеводородов на радикалы и отделение от них по более слабым связям серы. Полученные углеводородные радикалы из-за сравнительно низкой общей температуры газосырьевой смеси с большей вероятностью соединяются в более короткие молекулы. Такому явлению должны способствовать вводимые в активирующий газ газообразные углеводороды типа метана, бутана или пропана, присоединяемые к указанным радикалам с отщеплением атома водорода, и собственно водород, который будет стремиться соединиться с незакрытой связью углеводородного радикала и образовывать с ним более легкие и простые, чем в сырье, молекулы.
Время и интенсивность воздействия указанных явлений на тяжелое углеводородное сырье, наличие и состав указанных добавок в активирующем газе определяют степень конверсии тяжелых углеводородов сырья, то есть преобладание бензинолигроиновой или газойлевой фракции в конечном продукте. Очевидно, что чем более продолжительным и интенсивным будет механическое воздействие, тем больше будет дисперсность пенообразной смеси, а в конечном продукте будет больше легких и газообразных фракций и выше затраты энергии на их получение.
При прохождении конечным продуктом перфорированной перегородки 2 и переходе его во вторую секцию 19 реакционной зоны 3, покрытую термоизоляцией и предназначенную для завершения конверсии сырья, его турбулизация постепенно успокаивается, процессы химического взаимодействия и конверсии заканчиваются. Активные углеводородные радикалы находят другие радикалы, атомы или ионы водорода, с которыми образуют неактивные молекулы. Для этого необходимо определенное время и пространство.
При этом кинетическая энергия движения турбулентных вихрей конечного продукта переходит в тепловую энергию, повышая его температуру. Таким образом, не потребуется дополнительный подогрев конечного продукта для целей его ректификации. Часть активирующего газа и других газообразных составляющих конечного продукта, таких как сероводород и легкие углеводородные газы, отделяются от пенообразной смеси. В верхней наиболее холодной части ректификационной колонны этот процесс завершается. В ее средней части из конечного продукта, состоящего из разнообразных углеводородов, выделяется товарный продукт, состоящий из газойлевых и/или бензинолигроиновых фракций, которые могут быть разделены на составляющие при выполнении соответствующим образом конструкции колонны, который направляется на дальнейшую переработку или использование. Товарный продукт откачивается насосом 22.
Смесь оставшейся части активирующего газа и газообразных фракций углеводородов из верхней части ректификационной колонны направляется средством подачи в виде компрессора 6 на вход 8 реакционной секции 10. Остаточные тяжелые углеводороды из нижней части колонны, составляющие тяжелые остатки и имеющие наибольшую температуру кипения, направляются средством подачи в виде насоса 7 на вход 9 реакционной секции 10, где они смешиваются с новыми порциями, восполняющими потери при работе реактора, как активирующего газа, так и тяжелого углеводородного сырья, подогревая их. Затем процесс повторяется.
При необходимости тепло товарного продукта может быть использовано для дополнительного подогрева сырья, бытовых нужд персонала или производственных потребностей предприятия.
1. Реактор для переработки тяжелого углеводородного сырья, содержащий корпус с установленной в нем, по меньшей мере, одной перфорированной перегородкой, разделяющей его реакционную зону на независимые секции, сообщенные между собой, средства соответственно: хранения и подачи на вход реакционной зоны активирующего газа и тяжелого углеводородного сырья; их отделения от конечного продукта на выходе из реакционной зоны; выделения из конечного продукта жидких светлых фракций товарного продукта, а также газообразных фракций и тяжелого остатка; повторной их рециркуляции на вход реакционной зоны и смешения с новыми порциями активирующего газа и тяжелого углеводородного сырья, поступающими из средств хранения, отличающийся тем, что средство смешения газообразных фракций конечного продукта, активирующего газа, тяжелых остатков и тяжелого углеводородного сырья выполнено в виде гидродинамического генератора механических колебаний, снабженного встроенным двухфазным эжектором, причем, по меньшей мере, одна перфорированная перегородка реакционной зоны изготовлена из материала, активно поглощающего энергию механических колебаний, а, по меньшей мере, одна из последующих секций снабжена термоизоляцией.
2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала, активно поглощающего энергию механических колебаний, используется биметаллический материал.
3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала, активно поглощающего энергию механических колебаний, используется алюмосодержащая сталь.
4. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала, активно поглощающего энергию механических колебаний, используется композиционный материал.
5. Реактор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен, по меньшей мере, одной дополнительной секцией для отделения серы и ее соединений.
6. Реактор по п.5, отличающийся тем, что он снабжен, по меньшей мере, одной дополнительной секцией для отделения газообразных соединений серы.
