CC BY
97
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.today 2019, №3, Том 11 / 2019, No 3, Vol 11 https://esi.todav/issue-3-2019.html URL статьи: https://esi.todav/PDF/63NZVN319.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Надиров Н.К., Ширинских А.В., Нуржанова С.Б., Солодова Е.В., Абилмагжанов А.З. Новое в подготовке тяжелой нефти к переработке // Вестник Евразийской науки, 2019 №3, https://esj.today/PDF/63NZVN319.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Nadirov N.K., Shirinskikh A.V., Nurzhanova S.B., Solodova E.V., Abilmagzhanov A.Z. (2019). New on preparation of heavy oil to its refining. The Eurasian Scientific Journal, [online] 3(11). Available at: https://esj.today/PDF/63NZVN319.pdf (in Russian)
УДК 665.62 ГРНТИ 61.51.13
Надиров Надир Каримович
Национальная инженерная академия Республики Казахстан, Алматы, Республика Казахстан
Первый вице-президент, академик Академик «Национальной академии наук Республики Казахстан»
E-mail: РКnnk32@mail.ru
Ширинских Александр Васильевич
АО «Институт топлива, катализа и электрохимии им. Д.В. Сокольского», Алматы, Республика Казахстан
Главный научный сотрудник Кандидат химических наук E-mail: shirinskix40@bk.ru
Нуржанова Сауле Бакировна
АО «Институт топлива, катализа и электрохимии им. Д.В. Сокольского», Алматы, Республика Казахстан
Старший научный сотрудник Кандидат химических наук E-mail: nurzhanova.s@mail.ru
Солодова Елена Владимировна
АО «Институт топлива, катализа и электрохимии им. Д.В. Сокольского», Алматы, Республика Казахстан
Кандидат биологических наук Ведущий научный сотрудник E-mail: solodova.e@mail.ru
Абилмагжанов Арлан Зайнуталлаевич
АО «Институт топлива, катализа и электрохимии им. Д.В. Сокольского», Алматы, Республика Казахстан
Кандидат химических наук Первый заместитель генерального директора E-maila.abilmagzhanov@ifce.kz
Новое в подготовке тяжелой нефти к переработке
Аннотация. Одним из важных элементов в общей технологической линии внешнего воздействия на сырье, различающееся высокими показателями плотности, вязкости, температуры застывания является подготовка его к переработке. В статье приведены результаты гидродинамического воздействия на тяжелую нефть с использованием роторного активатора жидкости, дана оценка метода при подготовке сырья к последующему переделу. Проведены полные анализы, в частности, с определением фракционных, углеводородных,
элементных и фрагментных составов высоковязкой битуминозной нефти месторождения "Каражанбас". Показана зависимость температуры образцов с показателями концентраций фракций - при более низких температурах фиксируется увеличение легких фракций по сравнению с исходными образцами. Установлено, что происходящее при этом самопроизвольное повышение температуры обрабатываемого сырья (на 100 и более 0С выше комнатной) может быть использовано для подготовки тяжелого нефтяного сырья к переработке. Предложена технологическая схема процесса.
Ключевые слова: тяжелая нефть; нефтяные остатки; гидродинамическая обработка сырья; активация; вязкость; асфальтены; металлы; сера
Введение. Запасы тяжелого углеводородного сырья, такого как высоковязкие нефти, асфальты, битуминозные пески, в мире значительны и по объему сопоставимы, а возможно и превосходят традиционные нефтяные. По данным экспертов, мировые запасы тяжелой нефти составляют более 800 миллиардов тонн [1,2]. Переработка тяжелого нефтяного сырья (ТНС) может осуществляться по классической схеме с целью получения топлива, но процесс достаточно трудоемкий и высокозатратный [3], а в ряде случаев низкорентабельный и невозможный. Такая нефть содержит низкое количество «светлых» (топливных) фракций. На установках с существующей технологией переработки возможен отбор этих фракций по отношению к нефти не более 25-30%. Высокое содержание серы и смолистых веществ сокращает ресурс оборудования НПЗ, затрудняет процесс транспортировки по трубопроводам. Вместе с тем для интенсификации желательных направлений процесса, и прежде всего деструкции указанного сырья, кроме классических могут использоваться альтернативные методы такие, как кавитационно-акустическое, вакуумно-волновое и др. воздействие на сырье
Однако всегда на первом месте стоит задача подготовка сырья к переработке, особенно если вопрос касается тяжелых, битуминозных нефтей и нефтяных остатков, отличающихся высокими значениями вязкости, плотности, температуры застывания [2,4]. Перевод их в жидкое состояние с возможным получением смесей, например, при компаудировании сырья, требует гомогенизации или унификации сырья перед вовлечением его в подходящий для этого технологический процесс.
В настоящей работе приводятся результаты исследований тяжелых нефтей и нефтяных остатков при гидродинамическом воздействии на них.
Экспериментальная часть. Тяжелое нефтяное сырье подвергали гидродинамическому воздействию с использованием реактора - роторного активатора жидкости, в виде вертикально расположенногостального цилиндра с размещенной внутри него мешалкой. Жидкофазное сырьепоступало в активатор самотеком с помощью воронки с краном, при этом была предусмотрена возможность возврата сырья на повторную обработку через трубку, соединенную со штуцером в нижней части реактора (рисунок 1).
[4-12].
Рисунок 1. Гидродинамический роторный активатор жидкости (фото авторов).
С момента повторного поступления обработанного сырья в зону реактора начинался отсчет циклов обработки. Частота вращения ротора (мешалки) изменялась в интервале 1000 -5000 об/мин.
Вращение ротора сопровождалось саморазогревом сырья от исходной температуры200С до более высокой 1300С, поэтому в технологическую линию возврата обработанного сырья была включенапромежуточная емкость (с мешалкой), через которую протекалавытекающая из активаторагорячая жидкость. Помещая в эту емкость малотекучее или твердое сырье, можно доводить его до жидкого состояния и подавать полученную смесь в активатор.
Были испытаны образцы тяжелой нефти месторождения «Каражанбас» с разным сроком хранения (обозначенные, как I и II), а также нефть с одного из месторождений Татарстана. На данном этапе исследований одновременно с обработкой нефтяного сырья осуществлялась совершенствование установки и доведение её до оптимального режима эксплуатации.
Обработанное сырье анализировали методом хроматографии,определяяего фракционный состав по содержанию атомов углерода (от С5до Сз8), и сравнивали с необработанным образцом.Значения концентраций компонентов во фракциях были просуммированы винтервалах значений: Сб-Сю(легкие фракции), С11-С20, С21-Сз0(средние), С31-С38(тяжелые) (табл. 1).
На рисунках 2,3,4 (рисунки авторов) приведены хроматограммы нефтей после обработки на установке с гидродинамическим роторным активатором
а) б)
Рисунок 2. Нефть месторождения Каражанбас (I)исходная (а) и после обработки (б)
а) б)
Рисунок 3. Нефть м. Каражанбас (П)исходная(а) и после обработки (б)
а) б)
Рисунок 4. НефтьТатарстан исходная (а) и после обработки (б)
Заметное различие в трех партиях нефтей, представленных хроматограммами и расчетными данными (№№ 1,2,3, таблица 1), проявляется уже на значениях температур начала кипения образцов исходного сырья ( по данным анализа) : 124,71; 177,27 и 63,81 0С.
Таблица 1.
Результаты гидродинамического воздействия на сырьё
№№ Сырье Показатели
t ,С 0 начала кипения (данные анализа) Вращение ротора, об/мин//т,. продолжительность,м ин t , 0Ссаморазо-грева сырья,(макс) Доля фракций: до С10; до С20; до С30; до С38
1 2 3 4 5 6
1 Нефть м. Каражанбас, исходн. (образец I) 124,71 - - 1,6985/ 39,8666/ 41,3451/ 17,0895
1.1 « 111,43 1000/10 2000/1 67 3,3466/ 36,6849/ 42,9701/ 16,9984
2 Нефть м. Каражанбас, исходн. (образец II) 177,27 - - 0,5148/ 35,4640/ 47,3576 16,6635 (доС39)
2.1 « 169,47 1000/7 2000/1 3000/1 65 0,9627/ 32,7092/ 43,2551/ 23,0732(до С39)
2.2 « 183,66 1000/12 2000/10 102 0,171 46,791 40,8582 12,1817(до С37)
2.3 « - - термообработка (1000С) 0,3961 41,4534 46,3169 11,8343
2.4 « 181,37 122 0,3 44,0762 40,4151 15,2086
2.5 « 180,68 1000/13 2000/1 3000/1 4000/3 5000/9 До 76 « 82 « 95 « 106 « 127,5 0,2988 (от С8) 57,2923 42,3233 0,0857(доС31) (1,7418)
2.6*) « 149,67 1000/15 2000/1 3000/2,5 4000/3,5 5000/13 До 70 « 75 « 83 « 97 « 130 3,4603 54,1519 35,3036 7,0844
3 Нефть из Татарстана, исходн., пр.12 63,81 - - 11,9219 27,1166 49,2541 11,7074 (до С36)
3.1 « 100,01 1000/1 2000/4 >50 2,7466 30,4054 50,5255 16,3225 (до С36)
*) -на анализ были отобраны два образца обработанного сырья, обозначенные как верхний и нижний слив, в таблице приведен усредненный вариант.
Температурные показатели обрабатываемых образцов взаимосвязаны со значениями концентраций компонентов во фракциях - при более низких температурах саморазогрева фиксируется увеличение легких фракций по сравнению с исходными образцами (табл.1., первые строки столбца 6). Для средних и тяжелых фракций (С20-С38) значения температуры и концентрации выражены не с такой однозначной закономерностью. Здесь может проявляться не идентичность обработки сырья. Так, имело место замедление вытекания высоковязкого сырья из воронки, при этом более густая (до обработки) жидкая фаза замедляла вращение ротора до момента достижения усредненного значения вязкости при повышении температуры. Поэтому не всегда удавалось точно сопоставить продолжительность обработки с повышением температуры саморазогрева, - реальное вращение мешалки могло отличаться от задаваемой частоты вращения. Происходящий при этом перегрев двигателя вынуждал прерывать эксперимент, поэтому двигатель был заменен на более мощный. Не исключена также возможностьулетучивания легких компонентов.
Более существенное уменьшение легких фракций происходит при температуре саморазогрева свыше 1000С (табл.1). В двух экспериментах (2.4,2.5, табл.1 ) активатор работал в режиме, близком к оптимальному, хотя в эксперименте (№2.4,табл.1) обрабатывалась смесь от 4-хпреждевременно прерванных опытов, поэтому полученные результаты более правильносравнивать с другими по значению температуры саморазогрева сырья (1220С), а изменение фракционного состава оценивать как в некоторой степени качественный показатель.
Наиболее наглядно фракционные изменения наблюдаются в эксперименте 2.5 значительное сокращение (почти на 90%) фракции С31-С38, и существенное возрастание(~на 60%) фракции Сц-С2опо сравнению с исходной нефтью, т.е. происходят довольно глубокие превращения в обрабатываемом сырье. Необходимо уточнить: по технической причине значения компонентов легкой фракции при хроматографическом анализе начали фиксировать с С8, а не С5, как во всех остальных анализах.Поэтому если вставить три неучтенных показателя легкой фракции,-соответственно, на три значения увеличится сумматяжелой фракции - до величины 1,7418 (табл.2). Однако и в этом случае доля тяжелой фракции останется значительно ниже в сравнении с необработанной (исходной) нефтью.
Исследования, как отмечено выше, проводились в условиях совершенствования установки, и в качестве примера приведена динамика изменения температуры сырья в реакторе от момента поступления до окончания эксперимента (табл.1, №№ 2.5., и 2.6, столбец 5). Так, вследствие медленного вытекания нефти из подающей воронкив реактор и еёпоследующий контакт с уже обработанным сырьем,поступающим из реактора по обратной трубке, т.е. до момента начала цикла (№ 2.5), потребовалосьпримерно 16 минут. Оставшийся промежуток времени -11 мин. - реактор работал в циклическом режиме, из них 9 минут при максимальной температуре саморазогрева (более 1270С). В опыте № 2.6 продолжительность обработки сырья при максимальном саморазогреве (до 1300С) составила всего 3 минуты, хотя общая продолжительность эксперимента в обоих случаях была сопоставимой (32 и 35 минут соответственно). В дальнейшем планируется увязывать период цикличной обработки сырья с максимальной температурой его саморазогрева, учитывая этот фактор при сравнении результатов экспериментов.
Сопоставление значений фракционного состава нефти, прошедшей стадию активации на установке ( саморазогрев до 1020С), и термически обработанной нефти (при 1000С), с продолжительностью эксперимента - 20 и 22 мин, соответственно, ( №№ 2.2 и 2.3, таблица 1), свидетельствует о возрастаниипри активации средних (С11-С20), иуменьшении доли фракций С21-С30. (таблица 2).
Таблица 2.
Сравнение результатов термообработки и гидродинамического воздействия
Нефть м. Каражанбас
(пр.2) Пр.14 Пр.15
Исходн. Активация Термообработка
Пр.8
0,5148/ 0,171 0,3961
35,4640/ 46,791 41,4534
47,3576 40,8582 46,3169
16,6635 (доС39) 12,1817(до С37) 11,8343
Термообработка наоборот, - способствует уменьшению доли фракций С11-С20 и увеличению С21-С30. Некоторая противоречивость значений по легким и тяжелым фракциям (разница < 0,4 единицы), по-видимому, обусловлена погрешностью анализа. В целом в заданных режимах воздействия на сырье разными способами имеет место изменение фракционного состава по сравнению с исходным образцом, однако в случае активации на установке возрастает доля более легких (С5-С20) фракций, что можно отнести к положительной характеристике гидродинамического воздействия по сравнению с просто термообработкой.
Таким образом, при гидродинамической обработке тяжелого нефтяного сырья происходит самопроизвольное повышение его температуры (на 100 и более 0С выше комнатной), и заметное изменение химического состава по сравнению с исходными образцами. Активированное, саморазогретое до относительно высокой температуры (более 1300С) сырье можно использовать в дальнейшем переделе с включением в удобный для этой цели технологический процесс.
На основании разработанных методик предложена технологическая схема подготовки сырья к переработке.
ИСХОДНОЕ СЫРЬЕ ^ ОБЕЗВОЖИВАНИЕ (метод) ^ОБЕССОЛИВАНИЕ(метод)
^ ОБРАБОТКА НА УСТАНОВКЕ (с повышением температуры до 1250с) ^ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ (с высоковязким, нетекучим компонентом в промежуточной емкости с переводом его в жидкое состояние) ^ ОБРАБОТКА СМЕСИ В АКТИВАТОРЕ УСТАНОВКИ^ ПЕРЕДЕЛ в технологическом процессе.
Повышение температуры обрабатываемого сырья можно использовать также для приготовления различных нефтяных смесей в случае использования высоковязких, не текучих при комнатной температуре компонентов экологически чистым способом, вовлекая их в переработку в качестве вторичного сырья.
ЛИТЕРАТУРА
1. Надиров Н.К., Браун А.Е., Трохименко М.С., Мусаев Г.А., Стрельникова В.Я. -Нефтебитуминозные породы Казахстана: проблемы и перспективы - Алма- Ата: Наука,1985. -376 с.
2. Надиров Н.К. Высоковязкие нефти и природные битумы. В 5-ти т. - Алматы: Еылым, 2001. - Т. 2. Добыча, подготовка, транспортировка. -341 с.
3. Щепалов А.А. Тяжелые нефти, газовые гидраты и другие перспективные источники углеводородного сырья: Учебно-методическое пособие. - Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет. 2012. - с., 26 рис.,13 табл., ист. 93 С 7.
4. Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа. М.:Химия,2001. 568с.,
5. Суханов В.П. Каталитические процессы в нефтепереработке. М.:Химия. 1979. с.235-247.
6. Халикова Д.А., Петров С.М., Башкирцева Н.Ю. Обзор перспективных технологий переработки тяжелых высоковязких нефтей и природных битумов // Вестник Казан. технол. ун-та., 2013. Т. 16, №3. С. 217-221.
7. Ершов М.А. Снижение вязкости нефти методом гидродинамической кавитации: Дис. на соискание уч. ст. к.т.н. - М., 2011.
8. Жуйко П.В. Разработка принципов управления реологическими свойствами аномальных нефтей: Дис. на соискание уч. ст. д.т.н.. - Ухта, 2003.
9. Байкенов М.И., Кусаиынов К., Сатыбалдин А.Ж., Хасенов А.К. Влияние электрогидроимпульсного воздействия на выход легкой и средней фракции до 3000С высоковязкой нефти месторождения Каражанбас. Химический журнал Казахстана. 2009, № 3(26).- С. 52-60.
10. Калыбай А.А. Энергоэффективная сверхглубокая гидроконверсия высоковязких углеводородов в моторные топлива. Нефть и газ,2014, - С.45-59.
11. Калыбай А.А., Жумагулов Б.А., Надиров Н.К., Абжали А.К. Альтернативная технология энергоэффективной переработки нефтяного сырья. // Нефть и газ. -2017. - №3(99). - С. 88-104.
12. Калыбай А.А., Жумагулов Б.А., Надиров Н.К., Абжали А.К. Обоснование целесообразности строительства четвертого НПЗ с учетом эффективной технологии переработки тяжелого нефтяного сырья. // Нефть и газ. - 2018. -№4(106). - С. 67-77.
Nadirov Nadir Karimovich
National engineering academy of Kazakhstan, Almaty, Republic of Kazakhstan
E-mail: nnk32@mail.ru
Shirinskikh Aleksandr Vasilevich
D.V. Sokolskiy institute of fuel, catalysis and electrochemistry, Almaty, Republic of Kazakhstan
E-mail: shirinskix40@bk.ru
Nurzhanova Saule Bakirovna
D.V. Sokolskiy institute of fuel, catalysis and electrochemistry, Almaty, Republic of Kazakhstan
0C E-mail: nurzhanova.s@mail.ru
Solodova Elena Vladimirovna
D.V. Sokolskiy institute of fuel, catalysis and electrochemistry, Almaty, Republic of Kazakhstan
E-mail: solodova.e@mail.ru
Abilmagzhanov Arlan Zainutallaevich
D.V. Sokolskiy institute of fuel, catalysis and electrochemistry, Almaty, Republic of Kazakhstan
E-mail: a.abilmagzhanov@ifce.kz
New on preparation of heavy oil to its refining
Abstract. The article describes the results of hydrodynamic influence on the heavy oil using a rotary fluid activator. Full analyses have been carried out, in particular, with the determination of fractional, hydrocarbon, elemental and fragment compositions of high viscosity bituminous oil from "Karazhanbas" field. It is established that on going spontaneous temperature increase of processed raw materials (for 100 or more 0C above room temperature) can be used for preparation of heavy oil to its refining. According to the analyses, the parameters of the technological regimes of their low-temperature (+ 70°C) hydroconversion have been calculated for fuel: liquid distillate heavy, medium and light (liquid fuel: for specific treatment processes). The proceeding flow chart is proposed.
Keywords: heavy oil; oil residues; hydrodynamic processing of raw materials; activation; viscosity; asphaltenes; metals; sulfur
