Дипломная работа: Модификация нефтяного сырья в аппарате с вихревым слоем

Объектами исследования служили образцы западно-сибирских нефтей с различной плотностью, а также прямогонный мазут, выработанный из товарной смеси нефтей Западной Сибири и Татарстана.

В качестве нефтяного сырья с наибольшей степенью структурирования использовали прямогонный мазут, выработанный из товарной смеси нефтей Западной Сибири и Татарстана. Образец мазута с температурой 35 - 45єС подавали в диспергирующую головку лабораторного варианта устройства ДА-1 (охлаждение рабочей камеры не проводили) и обрабатывали под давлением 20МПа (5 кавитационных ударов в циклическом режиме).

При совмещении хроматограмм исходного мазута и мазута, подвергнутого обработке в агрегате ДА-1, было выявлено уменьшение после кавитационного воздействия относительного содержания «нафтенового горба» - смеси «неразделяемых» нефтяных углеводородов. Площадь «нафтенового горба» преобразованного мазута (91,50 отн.%) меньше, чем исходного (96,45 отн.%).

Под воздействием кавитационных ударов и сил гидравлического трения в агрегате ДА-1, вероятно, происходит разрушение дисперсной структуры мазута, частичный крекинг алкильных цепей и образование как относительно низкомолекулярных алканов (в первую очередь С₇ - С₁₅ ), так и соединений других классов.

Под вакуумом (при остаточном давлении 1 мм рт. ст.) в колбе Кляйзена, было проведено фракционирование исходного и преобразованного образцов мазута. Для фракций, выкипающих до 480єС, определили коэффициент преломления (), плотность (при 20єС) и рассчитали среднюю молекулярную массу.

Из полученных данных видно, что после обработки содержание фракции, выкипающей выше 480єС, заметно снижается при одновременном увеличении доли более легких (особенно кипящих при 350 - 480єС) фракций. Произошла деструкция высококипящих компонентов мазута.

Менее структурированным нефтепродуктом является отбензиненная нефть, полученная путем отбора из образца исходной нефти с плотностью 832,4 кг/м³ (при 20єС) фракции, выкипающей в пределах 49,8 - 127,0єС. Образец отбензиненной нефти был подвергнут обработке в циклическом режиме на лабораторной установке ДА-1 при температуре 23єС при давлении 30 МПа (3 кавитационных удара).

При фракционировании в стандартных условиях в аппарате для разгонки нефтепродуктов (АРНП-1) было зафиксировано количество отбираемых фракций (об.%) при повышении температуры от НК до 312єС через каждые 20є. Дифференциальные кривые выхода этих фракций показывают, что повышение выхода дистиллята в результате обработки высоким давлением обеспечивается в основном за счет фракции, выкипающей в пределах до 200єС. Дополнительное количество углеводородов этой фракции в количестве 2 масс.% (1,9 об.%) образовалась за счет разложения более высокомолекулярных соединений, выкипающих выше 312єС.

При обработке нефти марки «Западно-Сибирская» в ходе эксперимента одновременно изменяли два параметра (цикличность обработки и температуру сырья) при сохранении постоянным давления. Установлено, что сразу после воздействия на нефть при температуре 2єС плотность составила 0,8763 г/см³. Значение плотности указанное в табл.3, было получено спустя неделю после хранения при комнатной температуре, т.е. был зафиксирован эффект последействия, который связан, вероятно, с протеканием цепных реакций долгоживущих радикалов, возникающих в структурированной среде (плотность нефти при температуре 2єС - 0,8973 г/см³). Значение плотности образца, обработанного при 23єС, в течение недели не изменилось, так как среда была менее структурирована (плотность нефти при температуре 23єС - 0,8304 г/см³). В стандартных условиях на установке АРНП-1 был определен фракционный состав (до 300єС) исходного и обработанного образцов.

Из данных табл.9 можно установить, что под действием сил кавитации и гидравлического трения выход фракции, выкипающей до 300єС, увеличился на 2,1 об.% (5 кавитационных ударов при 23єС) и 3,9 об.% (1 кавитационный удар при 2 єС), а температура начала кипения снизилась соответственно на 4 и 9 єС по сравнению с исходным образцом.

В ходе анализа дифференциальных кривых атмосферной разгонки образцов нефти, обработанной при температуре около 2єС, в ходе полевых испытаний полупромышленной установки ДА-1 в Ханты-Мансийском автономном округе, было выявлено, что в результате совокупного воздействия кавитации и сил гидравлического трения заметно увеличилось содержание углеводородов, выкипающих до 100єС. Имеются предпосылки (резкое увеличение выхода продуктов, выкипающих в диапазоне 280 - 300єС) к тому, что при выделении более высококипящих фракций эффективность воздействия в условиях относительно низкой температуры окажется выше.

Таблица 9. Влияние режимов обработки (количество кавитационных ударов) на характеристики нефти при давлении 300 атм.

Таким образом, впервые для механохимической активации жидких нефтепродуктов различного фракционного состава успешно использован дезинтеграционный агрегат высокого давления (экструзионный диспергатор) как в лабораторных, так и в полевых условиях. Показано, что в условиях прямоточного режима и циклической работы при температуре от 0 до 25 єС за счет совместного воздействия сил кавитации и гидравлического трения происходит частичное разрушение структуры дисперсной системы и крекинг высококипящих компонентов сырья, приводящие к увеличению содержания легкокипящих углеводородов. Эффективность воздействия зависит от условий обработки (давления, цикличности) и степени структурированности нефтепродукта.

Как показано в работе [28], одним из перспективных направлений является применение кавитационно-вихревых аппаратов (КВА) в процессах получения битума.

На одной из действующих установок производства битума проводили промышленные испытания КВА.

В одну из колонн окисления битума были установлены кавитационно-вихревые аппараты. Сырье и воздух через распределительные устройства подавались непосредственно в аппарат для смешения, после которого газожидкостная струя попадала в пенную камеру, где происходило образование дисперсной системы пенного типа. Перфорированные трубы распределения воздуха были полностью исключены из схемы. Линия подачи сырья под уровень раздела фаз была отключена. Отвод газов окисления и готового продукта остался без изменений.

Сырье представляло собой смесь гудрона с установки АВТ и асфальта с установки деасфальтизации масел. Соотношение «гудрон: асфальт» составляло 3:1 - 4:1.

В ходе серии экспериментов по изучению изменения удельного расхода воздуха, подаваемого в колонну с аппаратом КВА, по сравнению с традиционной колонной, выявлено уменьшение удельного расхода воздуха на 30 - 40 % в колонне со встроенным КВА.

Применение кавитационно-вихревого аппарата, предназначенного для увеличения пощади контакта газовой и жидкостной фаз, позволило интенсифицировать процесс окисления битума, что выразилось в повышении температуры размягчения готового продукта по КиШ на 4 - 5 градусов, увеличении производительности колонны на 20 - 25% и уменьшении удельного расхода воздуха на 0,5 - 1 м3/(м2*мин) по сравнению с традиционной технологической схемой. Кроме того, понизилось остаточное содержание кислорода в газах окисления на 1,5 - 2 %, что свидетельствует о повышении степени использования кислорода воздуха при применении КВА.

Анализ и сопоставление информации, приведенной в [1 и 11] выявляет ее недостаточность в [11], что не позволяет судить обо всех факторах воздействия на тяжелое нефтяное сырье в аппарате с вихревым слоем. Отсутствуют данные о параметрах магнитного поля, размерах, материале и количестве ферромагнитных частиц, влиянии продолжительности воздействия на структуру и свойства остаточных компонентов газоконденсата. В то же время относительно высокие температуры не позволяют сделать вывод о вкладе собственно магнитного поля в зафиксированные изменения структуры и свойств сырья.

Для достижения цели работы, сформулированной на стр. 4, необходимо решить следующие задачи - установить характеристики магнитного поля в используемом нами аппарате с вихревым слоем периодического действия, выявить влияние продолжительности механоактивации на изменение, в первую очередь, фракционного состава тяжелого нефтяного сырья с различным содержанием ПМЦ при постоянной температуре (ниже 100°С).

2. Экспериментальная часть

2.1 Характеристики исходного сырья

В ходе экспериментальной работы в качестве сырья были использованы мазуты, отличающиеся способом получения, составом и физико-химическими показателями. Для исследования были выбраны товарный мазут марки М-100 (ГОСТ 10585 - 99), и два образца, выработанные на НПЗ при первичной переработке нефтей.

Топочный мазут марки М-100 (котельное топливо).

Товарный мазут марки М-100 получается в результате смешения нескольких компонентов: продуктов установки висбрекинга гудрона, масляного производства, легкого газойля каталитического крекинга и керосиновой фракции [29].

Основной компонент котельного топлива - так называемый комбинированный продукт установки висбрекинга гудрона, получаемый смешением остатка висбрекинга и газойлевой фракции. Остальные компоненты добавляются для достижения требуемой вязкости (не выше 118 мм²/с).

Процесс висбрекинга представляет собой легкий термический крекинг гудрона при температуре 320-470°С. В результате протекания реакций крекинга, образуются газы висбрекинга, фракции «светлых» нефтепродуктов и остаток висбрекинга. Наряду с реакциями крекинга протекают реакции полимеризации и конденсации, приводящие к образованию асфальтенов и кокса.

Мазут характеризуется следующими паспортными данными: кинематическая вязкость при 80 °С - 109 мм²/с, массовая доля серы - 0,82%, плотность при 20°С - 925 кг/м³.

Прямогонный мазут, выработанный на предприятии «Орскнефтеоргсинтез» из смеси нефтей Шкаповского месторождения Башкортостана.

В нефти, согласно [30] содержится (масс.):

· парафин - 4,10/Т_пл=55°С;

· смолы силикагелевые - 10,8 %;

· асфальтены - 3,30;

· сера 1,6 %.

При первичной переработке на НПЗ, выход дистиллатных фракций, выкипающих до 350°С, составил 52%.

Выработанный мазут характеризуется следующими показателями: плотность при 20°С - 943 кг/м³, температура начала кипения - 298 °С, содержание серы - 1,6 % масс., содержание парафина ~ 2 % масс., содержание смол и асфальтенов предположительно около 20 % и 7 % соответственно.

Прямогонный мазут, выработанный на предприятии ООО «ЛУКОЙЛ-Нижегороднефтеоргсинтез» из товарной смеси нефтей Западной Сибири и Татарстана.

Выработанный мазут характеризуется следующими показателями плотность при 20°С - 959 кг/м³, температура начала кипения - 272 °С, содержание серы - 1,1 % масс., содержание парафина ~ 0,5 % масс.

Сравнительная характеристика мазутов приведена в табл. 10.

2.2 Схема и описание установки

2.2.1 Общий вид и принцип работы установки

Лабораторная установка представляет собой индуктор (статор асинхронного электродвигателя), внутрь которого помещена рабочая камера с обрабатываемым образцом (рис.13). Электродвигатель характеризуется следующими показателями [31]:

· номинальная мощность - 2,2 кВт;

· номинальное напряжение - 380 В при частоте 50Гц;

· нормальная частота вращения - 2850 об/мин;

· число полюсов - 2;

· коэффициент полезного действия - 81,0%

· масса - 15,5 кг.

Таблица 10. Сравнительная характеристика исходных образцов.