CC BY
11С.С. Цыганков
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ МЕХАНОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СЫРЬЯ НА УСТАНОВКАХ ЗАМЕДЛЕННОГО КОКСОВАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ НЕФТЯНЫХ ОСТАТКОВ
В статье рассматривается проблема повышения эффективности установок замедленного коксования тяжелых нефтяных остатков. Предложена предварительная механохимическая обработка сырья, которая способствует повышению выхода наиболее маржинальных и ценных продуктов - дистиллятов.
Ключевые слова: УЗК, замедленное коксование, механохимическая обработка, кавитация, жидкие продукты, дистилляты, светлые углеводороды, переработка, оборудование.
Значительно повысить выход дистиллятов при переработке тяжелых нефтяных остатков (гудронов, мазутов, смолы пиролиза, экстрактов масляных производств) можно при помощи предварительной меха-нохимической обработки сырья, которая основана на явлении кавитации.
Кавитацией называют процесс образования и последующего схлопывания в жидкости пузырьков газа. На возникновение кавитации влияет наличие ядер кавитации. В качестве кавитационных ядер могут выступать различные примеси, такие как нерастворенные в жидкости газы или твердые частицы, а также трещины на стенках, ограничивающих жидкость, на которых образуются микроскопические пузырьки газа. На интенсивность и развитие кавитации оказывают влияние множество факторов, таких как внешнее давление и температура, вязкость и поверхностное натяжение, содержание воздуха и других газов в потоке жидкости, а также масштабные эффекты (время, размеры). [2]
Механизм протекания кавитации
Предполагается, что процессы кавитации начинают протекать при условиях, когда давление на некоторых участках потока жидкости снижается до давления ее насыщенных паров. На практике давление, при котором возникает кавитация, существенно зависит от физического состояния жидкости. Если жидкость содержит большое количество растворенных газов, уменьшение давления приводит к выделению этого газа и образованию газовых полостей (каверн), давление в которых выше давления насыщенных паров жидкости. В тех случаях, когда жидкость содержит микроскопическое количество пузырьков, кавитация может возникать при давлениях, превышающих давление насыщенного пара. Образовавшийся из ядра кавитации пузырек растет до конечных размеров, после чего схлопывается. Предполагается, что весь процесс жизни пузырька занимает нескольких миллисекунд.
Сразу после схлопывания каверна вновь начинает расти, достигая несколько меньшего размера, чем при первом цикле, а затем вновь схлопывается. Этот процесс повторяется несколько раз, при этом в каждом последующем цикле каверна достигает все меньших размеров. Следует так же отметить, что заключительная стадия первого схлопывания происходит с очень большой 21 скоростью, а последующие повторные циклы более симметричны - скорости роста и схлопывания в них почти равны.
Помимо повышения температуры и давления процесс кавитации сопровождается и другими физическими явлениями. За счет высоких давлений при схлопывании пузырька, находящийся в нем газ нагревается, и наблюдается свечение пузырька. Вспышка длится от 1/20 до 1/1000 с, а интенсивность света зависит от количества газа в пузырьке. Возникающие при схлопывании пузырька ударные волны, в свою очередь, создают шум. По существу, это «белый шум», занимающий широкую полосу частот, простирающуюся вплоть до 1 МГц, причем, по некоторым сопровождается и другими физическими явлениями. За счет высоких давлений при схлопывании пузырька, находящийся в нем газ нагревается, и наблюдается свечение пузырька. Вспышка длится от 1/20 до 1/1000 с, а интенсивность света зависит от количества газа в пузырьке. Возникающие при схлопывании пузырька ударные волны, в свою очередь, создают шум. По существу, это «белый шум», занимающий широкую полосу частот, простирающуюся вплоть до 1 МГц,
© С.С. Цыганков, 2022.
Научный руководитель: Мохов Владимир Михайлович - доктор химических наук, доцент, Волгоградский государственный технический университет, Россия
причем, по некоторым данным, пузырьки меньших размеров создают высокочастотный шум, а низкие частоты связаны с коллапсом больших пузырьков. [3]
Повышение температуры и давления в жидкости не может не сказаться на составе жидкости, в которой протекает кавитация. Выделяют шесть типов превращений:
1) окислительно-восстановительные реакции, протекающие в жидкой фазе между растворенным веществом и продуктом, образовавшимся в кавитационных пузырьках;
2) реакции между растворенными газами и веществами с высоким давлением пара внутри кавита-ционных пузырьков;
3) цепные реакции в растворе, инициируемые возникающими в кавитационном пузырьке радикалами;
4) реакции, с участием макромолекул: деструкция, сополимеризация и др.;
5) инициирование взрыва жидких или твердых взрывчатых веществах;
6) реакции, направленные на увеличение селективности процесса: выделение энергии в микроскопических областях и последующее быстрое охлаждение могут приводить к локальному возрастанию скорости химических реакций и последующей «закалке» продуктов, причем последние не успевают разлагаться, так как вся жидкость остается практически холодной. Данный тип реакций имеет место только для неводных систем. [4]
Так как в результате схлопывания кавитационного пузырька в окрестности точки схлопывания происходит резкое возрастание температуры и возникает перепад давления. Под действием выделившегося тепла в сырье возможно протекание различных процессов. Если механохимической активации подвергаются нефтепродукты, можно предположить протекание реакций крекинга, изомеризации, циклизации и уплотнения.
В литературе имеются данные о механохимической активации нефтей, газойлей, мазутов различных марок. В ряде работ сообщается о снижении температуры начала кипения нефтепродуктов, а также о снижении температуры выкипания отдельных фракций. В некоторых работах было зафиксировано снижение температуры падения первой капли при перегонке нефти. Температура выкипания 10, 20, 30, 40 и 50% нефти также снижалась. В работе [5] указывается, что обработанная в роторно-импульсном аппарате нефть начинает перегоняться при температуре ниже на 10 °С и более, чем необработанная нефть, а температура перегонки 50 % нефти с 328 °С снижается до 265 °С. В то же время было зафиксировано повышение при перегонке температуры конца кипения вакуумных дистиллятов, что позволяет увеличить выход последних почти на 8 %. [2]
Большой интерес представляет влияние активации нефтепродуктов на их фракционный состав. В связи с тем, что в своих работах авторы берут разные интервалы температур выкипания фракций, сложно привести имеющуюся информацию к единому виду. Несмотря на это можно говорить о том, что в результате механохимической активации увеличивается выход легкокипящих компонентов и снижается выход более высококипящих
На установке замедленного коксования аппарат для механохимической обработки сырья оптимально располагать перед печами коксования, после прохождения сырья через фильтры. Схема узла кавитации представлена ниже (рис. 1):
Кавитационный узел аппарата ДА-1 состоит из корпуса (1) имеющего рубашку (2) для регулирования температуры, впускного патрубка с клапаном (3) и выпускного патрубка (4), крепления для установки манометра (5). Внутри узла расположены плунжер (6), толкатель (7), пружина (8), гайка (9), затвор (10) и седло (11). [2]
Сырье, за счет движения плунжера, через всасывающий клапан поступало в камеру высокого давления. При обратном ходе плунжера, происходило закрытие всасывающего клапана и находящийся в камере нефтепродукт, через щель, создаваемую корпусом седла и головкой, перемещался в камеру низкого давления. Градиент давления в узле обеспечивался за счет варьирования размеров щели между корпусом седла и головкой. Вывод активированного образца из узла осуществлялся через выпускной патрубок. Поддержание температуры нефтепродукта в узле происходило за счет подачи теплоносителя в термостатиру-ющую рубашку камеры.
Рис. 1. Схема кавитационного узла [2] 1 - корпус; 2 - термостатирующая рубашка; 3 - всасывающий клапан; 4 - выпускной патрубок;
5 — крепления для установки манометра; 6 - плунжер; 7 - толкатель; 8 - пружина; 9 - гайка;
10 - затвор; 11 - седло
Таким образом, можно сделать вывод, о том, что применение предварительной механохимической обработки на установках замедленного коксования позволяет повысить выход дистиллятов почти на 8 %, что может дать ощутимый положительный экономический эффект каждому нефтеперерабатывающему предприятию, на котором имеется установка замедленного коксования.
Библиографический список
1. Технологический регламент установки № 59 - установки замедленного коксования (УЗК - 1000) коксо-битум-ного производства // ООО «Лукойл - Волго-граднефтепереработка». - 2011. - 534 с.
2.Терентьева, В.Б. Применение механохимической активации тяжелых нефтяных остатков для повышения глубины переработки нефти: дис. ... канд. техн. наук: 02.00.13 : защищена 31.03.2020 / Терентьева В.Б. - Москва, 2020. -111 с.
3.Пат. 2067605 РФ, МПК С10В 55/00. Способ получения нефтяного кокса / В.В. Таушев.- Опубл. 10.10.2016.
4.Пат. 2338771 РФ, МПК С10В 55/00. Способ получения низкосернистого нефтяного кокса / В.З. Мордкович, А.Р. Караева, Е.Ю. Харитонова и др.- Опубл. 20.11.2018. - Бюл. № 32.
5.Опыт модернизации коксового производства в ООО "Лукойл-Волгограднефтепереработка" / B.C. Андреев [и др.] // Нефтехимия и нефтепереработка. - 2012. - №12. -с. 23-27.
ЦЫГАНКОВ СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ - магистрант, Волгоградский государственный технический университет, Россия.
