Способ электромагнитной модификации жидких энергоносителей и устройство для его реализации

Изобретение относится к способу электромагнитной модификации жидких энергоносителей на основе эффекта ядерного магнитного резонанса, заключающемуся в облучении продукта одновременно ортогональными переменным электромагнитным и постоянным магнитным полями, изменяющими структуру молекул. Способ характеризуется тем, что на выходе реактора выполняют непрерывный контроль показателей качества продукта, по результатам которого в случае несоответствия получаемых параметров качества требуемым производят возвращение продукта обратно в реактор, при этом выбирают интенсивность излучаемого сигнала таким образом, чтобы получить ядерный магнитный резонанс для селективного воздействия только на ту группу компонентов продукта, которая влияет на достижение требуемых показателей качества. Использование настоящего изобретения позволяет повысить эффективность процедуры электромагнитной модификации углеводородных топлив с целью достижения заданных параметров качества при минимальных энергетических затратах и отходах производства. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к системам автоматического управления технологическими процессами и может быть использовано для технологии производства нефтепродуктов улучшенного качества, связанной с модификацией углеводородов, полученных в результате классических методов нефтепереработки.

Аналогами заявляемого изобретения являются устройства модификации углеводородов, основанные на электромагнитной, в том числе радиационной, рентгеновской, оптической, радиочастотной и магнитной обработке продукта (RU №2039789 C1 от 22.12.1992, опубл. 20.07.1995, МПК C10G 15/00; RU №2116330 C1 от 11.09.1996, опубл. 27.07.1998, МПК C10G 9/08, C10G 9/14; RU 2098454 C1 от 25.11.1993, опубл. 10.12.1997, МПК C10G 32/02, B01J 19/12, RU №2202593 С2 от 22.05.2001, опубл. 20.04.2003, МПК C10G 15/12, С01В 3/00; RU №2339678 С2 от 26.05.2006, опубл. 27.04.2008, МПК G05D 11/02; RU №73486 U1 от 27.12.2007, опубл. 20.05.2008, МПК G01N 24/08; US 5673674 C02F 1/48; US 5055180 C10G 1/00; US 3055814 C10G 35/16; US 8361282 B2 C07C 1/00 JP 55-153850 F02M 27/04), а также изобретения, основанные на материалах «Магнитная обработка жидкостей в нефтедобыче» Спиридонова Р.В, Демахина С.А., Кивокурцева А.Ю. Перечисленные способы и устройства основаны на использовании при модификации энергии электромагнитного поля, создаваемой генератором, нагревающей продукт, как правило, в присутствии катализатора, что в дальнейшем приводит к фракционным разделениям компонентов и к классическим термохимическим процессам изомеризации, связанной с изменением структуры молекул.

Недостатком аналогов является низкий КПД, связанный с нагревом продукта, при этом изменению подвергается весь компонентный состав, возникают дополнительные отходы производства, уменьшающие выход готового продукта. Недостатки прямой оптической и магнитной обработки топлив, которые проходят без нагревания, обусловлены их низкой эффективностью, так как не приводят к существенным изменениям основных показателей качества нефтепродуктов, таких как детонационная стойкость, плотность, вязкость.

Прототипом способа является способ электромагнитной модификации жидких энергоносителей на основе эффекта ядерного магнитного резонанса, реализованный в патенте RU 140192 U1 от 20.11.2013, опубл. 10.05.2014, МПК C10G 15/08, C10G 32/02, B01J 19/12, заключающийся в облучении нефтепродукта одновременно ортогональными переменным электромагнитным и постоянным магнитным полями, изменяющими структуру молекул.

Прототипом устройства является устройство для электромагнитной модификации углеводородов на частотах ядерного магнитного резонанса RU 140192 U1 от 20.11.2013, опубл. 10.05.2014, МПК C10G 15/08, C10G 32/02, B01J 19/12, которое содержит емкость с углеводородным сырьем, систему подвода и отвода нефтепродукта, генератор переменного тока, выход которого подключен к возбудителю переменного магнитного поля, источник постоянного магнитного поля, для возникновения эффекта ядерного магнитного резонанса (ЯМР) магнитный поток которого ортогонален магнитному потоку соленоида, блок контроля ЯМР, выполняющий измерения тока и коэффициента мощности, вход которого подключен к выходу генератора, и блок управления частотой, вход которого подключен к выходу блока измерения, а выход подключен к частотозадающему входу генератора. Недостатком прототипа является недостаточное качество продукта на выходе установки ввиду отсутствия контроля полученного результата в процессе работы устройства и невозможности повторной обработки в случае несоответствующего критериям качества химического состава.

Поставлена задача: повысить эффективность процедуры электромагнитной модификации углеводородных топлив с целью достижения заданных параметров качества при минимальных энергетических затратах и отходах производства.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе, заключающемся в облучении продукта одновременно ортогональными переменным электромагнитным и постоянным магнитным полями, изменяющими структуру молекул, согласно изобретению на выходе реактора выполняют непрерывный контроль показателей качества продукта, по результатам которого в случае несоответствия получаемых параметров качества требуемым производят возвращение продукта обратно в реактор, при этом выбирают интенсивность излучаемого сигнала таким образом, чтобы получить ядерный магнитный резонанс для селективного воздействия только на ту группу компонентов продукта, которая влияет на достижение требуемых показателей качества.

Для реализации предложенного способа в устройстве, включающем в себя емкость с углеводородным сырьем, генератор переменного тока, выход которого через блок контроля ядерного магнитного резонанса подключен к возбудителю переменного магнитного поля, источник постоянного магнитного поля, магнитный поток которого ортогонален магнитному потоку возбудителя переменного магнитного поля, блок контроля ядерного магнитного резонанса, информационный выход которого подключен к входу блока управления частотой, выход которого подключен к частотозадающему входу генератора, согласно изобретению в устройство дополнительно включены поточный анализатор качества продукта, гидравлический вход которого подключен к выходу емкости, а электрический выход сигнала подключен к блоку управления процессом, один выход которого подключен к блоку управления частотой, второй выход подключен к переключающему клапану, гидравлический вход которого подключен к выходу поточного анализатора, один гидравлический выход подключен к входу системы, а второй гидравлический выход является выходом готового продукта.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена структурная схема устройства электромагнитной модификации жидких энергоносителей. Устройство, реализующее способ, состоит из генератора электрических сигналов 1, выход которого через блок контроля ядерного магнитного резонанса 2 подключен к возбудителю переменного магнитного поля (индуктору) 3, охватывающему емкость реактора 4, расположенную между полюсами источника постоянного магнитного поля 5. С выхода блока контроля ядерного магнитного резонанса сигнал поступает в блок управления частотой 6, который непосредственно управляет частотой генератора. Также на блок управления частотой поступает сигнал с блока управления процессом 7, который, в свою очередь, получает данные с поточного анализатора качества продукта 8 и управляет переключающим клапаном 9.

Принцип модификации заключается в изменении конкретного показателя качества нефтепродукта путем реструктуризации молекул группы компонентов в заданном объеме при помощи электромагнитного сигнала. Поскольку импульсом электромагнитного излучения можно разорвать любую связь в молекуле, можно получить практически неограниченный ассортимент свободных радикалов. Модификация среды электромагнитным методом основана на энергетическом взаимодействии молекулы с излучением. При помещении углеводородного продукта в постоянное магнитное поле в среде создаются условия для возникновения ЯМР. ЯМР возникает как результат поглощения радиочастотного излучения веществом, находящимся в магнитном поле. Основное уравнение, определяющее частоту ядерного магнитного резонанса, имеет вид:

$$\omega =\frac{\gamma }{2\pi }{H}_0\left(1-\sigma \right)\text{ (1)}$$

где γ - гиромагнитное отношение, характеризующее данный вид ядер;

Н₀ - напряженность постоянного магнитного поля;

σ - константа экранирования, определяемая местом и химическими связями резонирующего ядра в молекуле.

При подборе частоты электромагнитного сигнала в емкости таким образом, чтобы она была резонансной для конкретной молекулы многокомпонентной смеси, происходит целенаправленное изменение и получение нужных свойств продукта практически без отходов производства.

Способ электромагнитной модификации заключается в следующем. Емкость реактора 4 располагается внутри соленоида 3, расположенного между полюсами источника постоянного магнитного поля 5, магнитный поток которого ортогонален магнитному потоку соленоида 3, в котором с помощью генератора 1 и электрических элементов соленоида создается переменное электромагнитное поле, воздействующее на обрабатываемый продукт.

Частота и интенсивность генератора электрических сигналов 1 первоначально устанавливаются по справочным данным таким образом, чтобы обеспечить ЯМР для модификации нужной группы компонентов, определяющих требуемые показатели качества углеводородного топлива. Топливо модифицируется по заданному показателю (например, октановому числу) в результате прохождения через соленоид 3, который находится между полюсами источника постоянного магнитного поля 5, магнитный поток которого ортогонален магнитному потоку соленоида.

Устройство имеет два контура обратной связи. Первый контур на основе данных блока контроля ЯМР, измеряющего ток, напряжение и коэффициент мощности в соленоиде, производит с помощью блока управления частотой 6 точную настройку генератора на частоту ЯМР для конкретного типа молекул с целью поддержания наибольшего поглощения энергии электромагнитных волн в веществе.

Второй контур обратной связи включает в себя вводимые в устройство поточный анализатор качества продукта 8, переключающий клапан 9 и блок управления процессом 7. На выходе емкости 4 поточный анализатор 8 исследует химический состав, информация о котором передается в блок управления процессом 7. При несоответствии критериям качества готового продукта блок управления процессом с помощью переключающего клапана 9 возвращает продукт обратно в емкость, при этом для дальнейшей модификации задаются новые параметры частоты и мощности генератора для расщепления других типов молекул, мешающих достичь требуемых показателей качества. Продукт может многократно циркулировать через емкость реактора 4 и поточный анализатор 8 до достижения требуемых характеристик. Например, первоначально система настраивается на модификацию молекулы n-гексана. Поточным анализатором качества определяется октановое число продукта и если требуемое октановое число не достигнуто, то система перестраивается на модификацию молекулы n-гептана и т.д. Следует также отметить, что на чертеже, не показаны насосы, перекачивающие жидкость, наличие которых в схеме очевидно.

Основным отличием предложенного способа от известных является двухконтурная подстройка частоты ЯМР, где первый контур используется для точной настройки на частоту, разрывающей связи конкретного типа молекул, а второй контур с помощью анализатора качества позволяет выбрать тип молекул для модификации.

Предлагаемые способ и устройство могут быть применены для модификации товарных топлив, таких как бензин, керосин, дизельное топливо и прочих энергоносителей для изменения плотности, вязкости, октанового числа, температуры вспышки и других параметров. Например, гексан (С₆Н₁₄), один из компонентов бензина с октановым числом 24,8, путем электромагнитной модификации можно превратить в изогексан, который также является компонентом бензина и имеет ту же химическую формулу и октановое число 91.1, что повысит октановое число бензина в целом. Для возникновения ядерного магнитного резонанса молекул гексана авторами используется постоянное магнитное поле с индукцией 1.4±0.05 Тл и частотой электромагнитного поля 89560180±5 Гц, однако резонанс возможен и при других характеристиках полей.

Ввод в конструкцию поточного анализатора качества обеспечивает контроль качественных характеристик продукта на выходе емкости реактора. Ввод блока управления процессом и переключающего клапана позволяют проводить многократную обработку топлива, при этом в каждом цикле проводя настройку генератора на модификацию тех молекул, которые не позволяют достичь требуемых химических свойств выходного продукта. Тем самым достигается технический результат - многократная циркуляция продукта через емкость реактора с настройкой новых параметров электромагнитного излучения для постепенного доведения химических свойств готового продукта до требуемых значений, что повышает качество нефтепродукта на выходе установки.

1. Способ электромагнитной модификации жидких энергоносителей на основе эффекта ядерного магнитного резонанса, заключающийся в облучении продукта одновременно ортогональными переменным электромагнитным и постоянным магнитным полями, изменяющими структуру молекул, отличающийся тем, что на выходе реактора выполняют непрерывный контроль показателей качества продукта, по результатам которого в случае несоответствия получаемых параметров качества требуемым производят возвращение продукта обратно в реактор, при этом выбирают интенсивность излучаемого сигнала таким образом, чтобы получить ядерный магнитный резонанс для селективного воздействия только на ту группу компонентов продукта, которая влияет на достижение требуемых показателей качества.

2. Устройство, реализующее способ п. 1, включающее в себя емкость с углеводородным сырьем, генератор переменного тока, выход которого через блок контроля ядерного магнитного резонанса подключен к возбудителю переменного магнитного поля, источник постоянного магнитного поля, магнитный поток которого ортогонален магнитному потоку возбудителя переменного магнитного поля, блок контроля ядерного магнитного резонанса, информационный выход которого подключен к входу блока управления частотой, выход которого подключен к частотозадающему входу генератора, отличающееся тем, что в устройство дополнительно включены поточный анализатор качества продукта, гидравлический вход которого подключен к выходу емкости, а электрический выход сигнала подключен к блоку управления процессом, один выход которого подключен к блоку управления частотой, второй выход подключен к переключающему клапану, гидравлический вход которого подключен к выходу поточного анализатора, один гидравлический выход подключен к входу системы, а второй гидравлический выход является выходом готового продукта.