CC BY
175
Р. А. Кемалов, А. Ф. Кемалов, А. Т. Файзрахманов,
Ш. А. Сабирзянов
ВОЛНОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ
Ключевые слова: волновая технология, микроволновое излучение, волновая нелинейная механика, объемно-резонансные взаимодействия, активирование молекулы, электро-
магнитное поле.
Традиционные методы интенсификации химико-технологических процессов нефтепереработки являются энергоемкими и зачастую величина достигнутого эффекта не покрывает затрат. В связи с этим возникает задача использования современных высоких технологий, обеспечивающих достижение требуемого эффекта без больших материальных и энергетических затрат, среди которых наиболее перспективным и эффективным являются волновые технологии.
Key words: wave technology, microwave radiation, the wave non-linear mechanics,
volume-resonant interactions, activation of molecule, electromagnetic field.
Traditional methods of intensification of chemical and technological processes of oil refining are energy intensive and often reached effect’s value does not cover the costs. In this regard, there is the task to use of modern high technologies, ensuring the achievement of the required effect without the high material and energy costs, among which most promising and effective are the wave of technologies.
Традиционные методы интенсификации химико-технологических процессов нефтепереработки являются энергоемкими и зачастую величина достигнутого эффекта не покрывает затрат. В связи с этим возникает задача использования современных высоких технологий, обеспечивающих достижение требуемого эффекта без больших материальных и энергетических затрат.
К их числу относятся и технологии, использующие волновые методы воздействия на химико-технологические процессы нефтепереработки. Они находят применение для улучшения физико-химических свойств, фракционного состава нефти и нефтепродуктов. Мы выделяем следующие волновые методы воздействия:
• Акустические (ультразвуковые),
• Электромагнитные,
• СВЧ,
• Объемно-резонансные взаимодействия
Следует отметить, что уже в 70-е -80-е годы коллективом НЦ НВМТ РАН были заложены научные основы нелинейной волновой механики и технологии, и был открыт ряд новых волновых и колебательных явлений и эффектов. Суть этих эффектов в преобразовании волновых и колебательных движений жидкостей и взвешенных в них включений в монотонные, односторонне направленные движения.
Общетеоретической основой исследования вопросов топливоподготовки с использованием электрических и магнитных полей послужили работы таких отечественных ученых, как: Чертков Я.Б., Вульфсон С.Г., Грановский М.Г., Микипорис Ю.А., Берковский Б.М., Морозов В.И., Восновский С.В., Лышко Г.П. и др.
Главный эффект акустической обработки нефтяного сырья и его продуктов связан с воздействием упругих колебаний звукового и ультразвукового диапозона частот на вещество и на течение различных реакций и процессов за счет явлений кавитации, звукового давления и звукового ветра.
При воздействии электромагнитного поля частотой 2450 МГц на вещество полярные или поляризуемые молекулы или ионы ориентируются в соответсвии с пульсациями поля. В связи с несоотвествием по фазе между колебаниями поля и вращением диполей энергия излучения превращается в кинетическую энергию молекул, происходит разогрев вещества изнутри и во всем объеме в отличие от традиционного нагрева поверхности при теплопередаче.
Особенный всплеск исследовательской активности в использовании микроволн в органической химии произошел после публикации в 1989 г. двух статей французских авторов, которые использовали бытовые микроволновые печи для нагрева реакционных смесей и, несмотря на трудности технического характера, наблюдали значительное сокращение продолжительности реакций Дильса - Альдера, Кляйзена, этерификации, окисления и др. при сравнимых выходах целевых продуктов. В таблице приведены результаты этих реакции в условиях микроволнового и традиционного термического нагрева.
Использование МВИ способствует значительному ускорению нефтехимических процессов, повышает селективность и выход продуктов, улучшает экологические характеристики промышленных процессов.
Сущность волновых методов обработки нефтяного сырья и нефтепродуктов сводится к накачиванию энергией молекулы (активирование молекулы), чтобы вызвать их превращения в позитивном направлении, воздействуя различными физическими полями на внутримолекулярные, молекулярные и межмолекулярные связи. Накачивание энергией молекулы (активирование молекулы) заключается в сообщении энергии с помощью электромагнитного излучателя, который бы излучал на таких частотах, которые находились бы в резонансе с частотами молекул нефтяного сырья или нефтепродуктов.
Нефть представляет собой чрезвычайно сложную смесь различных классов углеводородов, гетероатомсодержащих соединений, причем они находятся в сложных межмоле-кулярных связях, образовывая дисперсную систему со сложной внутренней структурой, можно ожидать широкий диапазон колебательного спектра самой нефти. Отсюда следует, что для целенаправленного воздействия на компоненты нефти необходимо выбрать объект воздействия. В этом плане существенный интерес представляет, прежде всего, квантовохимический анализ связи «углерод-углерод» (С-С) и «углерод-водород» (С-Н), проводимый не на молекулярном, а на атомном уровне. Этот анализ тем более важен в связи с тем, что термодеструктивные, термокаталитические и многие другие способы воздействия на нефтяное сырье основаны на возбуждение, разрыве и образовании этих связей.
Направления использования электромагнитной активации при переработке традиционных нефтей, ТН, ПБ и разработке композиционных топлив:
• Увеличение выхода светлых фракций;
• Повышение дебита скважин;
• Понижение вязкости традиционных нефтей, ТН и ПБ;
• Уменьшение плотности традиционных нефтей, ТН и ПБ;
• Активация химических процессов (получение окисленного битума);
• Улучшение эксплуатационных характеристик топлив.
Сущность ОРВ-технологии заключается:
1. в регистрации частотных электромагнитных спектров системы, испытывающей химические и (или) физические превращения в тех или иных технологических процессах;
2. модуляции этих спектров в определенном желательном направлении;
3. сверхслабом резонансном воздействии на эту систему тем же частотным электромагнитным промодулированным спектром.
Таблица
Реакция Целевой продукт Время реакции Выход, % Коэффициент ускорения
МВИ термин. МВИ термин.
Гидролиз бенза-мида СаИбОООН 10 мин 1 ч 99 90 6
Окисление толуола СаИбСООН 5 мин 25 мин 40 40 5
Этерификация бензойной кислоты метанолом СаНбСООСНэ 5 мин 8 ч 76 74 96
Этерификация бензойной кислоты пропанолом СаНбСООСэНу 18 мин 7,5 ч 86 89 25
Этерификация бензойной кислоты бутано-лом СаНбСООС^д 7,5 мин 1 ч 79 82 8
Синтез фенил- бензилового эфира СаН5ОСН2СаН5 3 мин 12 ч 74 72 240
В результате такого автоколебательного воздействия можно добиться интенсификации протекания того или иного технологического процесса. Так например, увеличение амплитуды колебания молекул фракций легких углеводородов при дистилляции нефтяных фракций способствует ослаблению межмолекулярного взаимодействия, отрыву этих молекул от сольватных оболочек надмолекулярных структур и переходу в паровую фазу, что ведет к увеличению выхода светлых нефтепродуктов. Наоборот, уменьшение этой ампли-
туды может быть использовано в процессах кристаллизации различных растворов или расплавов для достижения оптимальных свойств системы.
Использование волновых методов воздействия является эффективным способом интенсификации химико-технологических процессы нефтепереработки.
Литература
1. Ганиев, Р. Ф. Нелинейная волновая механика и технологии/ Р. Ф. Ганиев, Л. Е. Украинский - М.: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2GGB. - 712 с.
2. Муфазалов, Р.Ш. Акустическая технология в нефтехимической промышленности/ Р.Ш. Муфазалов и др. - Казань: Изд-во «Дом печати», 2GG1. - 152 с.
3. Фридман, В. М. Ультразвуковая химическая аппаратура/ В. М. Фридман - М.: Изд-во
«Машиностроение», 19б7. - 212 с.
4. Сюняев, З. И. Нефтяные дисперсные системы/ З. И. Сюняев и др. - М.: Химия, 199G. -22б с.
5. Рахманкулов Д. Л. Микроволновое излучение и интенсификация химических процессов/ Д. Л. Рахманкулов и др. - М.: Химия, 2GG3. - 22G с.
6. Gedye R. N. Tetrahedron Lett/ R. N. Gedye и др., 19B6, v. 27, № 3, p. 279—2B2.
7. Giguere R. J. Ibid/ R. J. Giguere и др., 19B6, v. 27, № 41, p. 4945—494B.
B. Пат. № 229BG27 РФ, МПК C1GG7/GG. Способ фракционирования углеводородного сырья и установка для его осуществления / Н. Г. Шляхтин; заявитель и патентообладатель Н. Г. Шляхтин - № 2GG511554B/GG; заявл. 24.G5.G5; опубл. 2G.11.G6.
9. Суязов, Н.В. Исследование резонансных взаимодействий электромагнитных волн в жидких средах с периодическими и случайно распределенными объемными возмущениями/ Н.В. Суязов и др., Информационный бюллетень РФФИ. 1996. Т. 4. № 2. С. 557.
© Р. А. Кемалов - канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии переработки нефти и газа КГТУ; А. Ф. Кемалов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; А. Т. Файзрахманов - студ. КГТУ, tataregete@ramber.ru; Ш. А. Сабирзянов - студ. КГТУ.
б53
