Дипломная работа: Модификация нефтяного сырья в аппарате с вихревым слоем

Типичный ИК-спектр фракции мазута М-100 показан на рис. 16. По данным ИК-спектров рассчитано относительные содержание алканов, нафтенов и ароматических углеводородов в каждой фракции.

Рис. 16. ИК-спектр фракции мазута М-100.

Расчет оптической плотности призводился по следующей формуле:

, (25)

Значения I находили по ИК-спектру (рис.15), а рассчитывали, используя уравнения линейной алгебры и зная координаты точек вершин А, В, С (рис.16). Согласно [36, 37], уравнение прямой, проходящей через две точки с координатами (x₁;y₁) и (x₂;y₂):

, (26)

Отсюда находим:

, (27)

Координаты точек А(x₁;y₁) и В(x₂;y₂) известны, а вместо х подставляем абсциссу точки С(х₃;у₃) и находим искомую ординату у₄. Тогда .

Рис. 17. Пик поглощения ИК-спектра.

Относительное содержание искомых классов углеводородов было рассчитано по следующей формуле:

, (28)

где C_i - относительное содержание основных классов углеводородов, , D_i - оптическая плотность данного класса углеводородов, УD_i - сумма оптических плотностей основных классов углеводородов.

3. Результаты исследований и их обсуждение.

3.1 Топочный мазут марки М-100

3.1.1 Обработка только во вращающемся электромагнитном поле

В ходе экспериментальной работы нами выявлялось воздействие вращающегося магнитного поля на образец в отсутствии ферромагнитных элементов. Нами изучалось и фиксировалось влияние времени механоактивации на характеристики исходного образца и конечных продуктов вакуумной перегонки (табл. 16).

Исходя из экспериментальных данных, получаем следующие закономерности (рис. 18-32)

Отмечено (рис. 18), что с увеличением времени воздействия электромагнитного поля на образец мазута, его плотность, изменяясь неоднозначно, в сравнении с начальным значением (от -0,1 до 0,8 % отн.), имеет тенденцию к снижению. Температура начала кипения (рис. 19) при этом изменяется в более широком пределе (от -5 до 7 % отн.). Однако, при отмеченной неоднозначности фактических показаний плотности и температуры начала кипения, взаимосвязь между ними (рис. 20) коррелируется с высокой точностью.

Вышеописанное можно объяснить тем, что при воздействии электромагнитного поля на образец мазута, происходит упорядочение его дисперсной структуры из-за наличия в тяжелых нефтяных остатках парамагнитных центров (ПМЦ). Отмеченный эффект снижения температуры начала кипения (при 30 сек) наблюдается вследствие квазирасслаивания мазута, обработанного в электромагнитном поле и формировании новой структуры. Следует отметить, что тепловое движения частиц, возрастающее с увеличением обработки электромагнитным полем, противодействует упорядочиванию дисперсной структуры. Мазут М-100 - это продукт смешения остатка гудрона и газойлевой фракции процесса висбрекинга. При воздействии электромагнитного поля на образец более тяжелые компоненты (смолистоасфальтеновые вещества) уплотняются, а компоненты с более низкой температурой начала кипения, являющиеся дисперсионной средой, отгоняются в первую очередь, так как облегчается их переход из жидкой в паровую фазу. При этом, однако, наблюдается снижение выхода дистиллатных фракций (рис. 21-24) и увеличения выхода кубового остатка (рис. 25).

Выявлено увеличение относительного содержания аренов при одновременном снижении концентрации нафтенов и алканов в широкой фракции НК-500°С от времени воздействия электромагнитного поля (рис.26).

В соответствии с увеличением содержания аренов в дистиллатных фракциях (рис.27), закономерно возрастают и показатели преломления данных фракций (рис.28). Отмеченные изменения в углеводородном составе дистиллатных фракций связаны, вероятно, с протеканием реакций циклизации и дегидроциклизации. При этом, т.к. образование газообразных продуктов (в частности, водорода) не зафиксировано, можно предположить, что выделившийся водород прореагировал со свободными радикалами, присутствующими изначально в качестве ПМЦ (табл. 10).

Дополнительным подтверждением формирования новой структуры под воздействием электромагнитного поля является характер изменения температуры размягчения тяжелого остатка. Отмечаем максимальное значение этого показателя при продолжительности воздействия электромагнитного поля 30 секунд. Точно такой же характер выявлен ранее (рис. 25) для выхода тяжелого остатка. Надежность указанной взаимосвязи иллюстрирует рис. 32.

Таким образом, при воздействии электромагнитного поля на образец мазута М-100, происходит увеличение содержания смолисто-асфальтеновых компонентов. В условиях нагрева при вакуумной перегонке в образце протекают термические реакции по радикально-цепному механизму. Длинные алкильные радикалы подвергаются крекингу с образованием алканов с меньшей длиной цепи и алкенов, которые в данных условиях склонны к полимеризации и дегидроконденсации. Дегидроконденсация аренов приводит к образованию продуктов уплотнения - смолисто-асфальтеновых веществ.

Таблица 16. Результаты обработки образца М-100 во вращающемся электромагнитном поле в отсутствии ферромагнитных элементов.

Рис. 18. Характер изменения плотности мазута от времени воздействия вращающегося магнитного поля.

Рис. 19. Характер изменения температуры начала кипения от времени воздействия вращающегося магнитного поля.

Рис. 20. Взаимосвязь между температурой начала кипения и плотностью обрабатываемого в АВС мазута.

Рис. 21. Характер изменения выхода фракции, выкипающей в пределах НК-360°С, от времени воздействия магнитного поля.

Рис. 22. Характер изменения выхода фракции, выкипающей в пределах 360-430°С, от времени воздействия магнитного поля.

Рис. 23. Характер изменения выхода фракции, выкипающей в пределах 430-500°С, от времени воздействия магнитного поля.

Рис. 24. Характер изменения выхода широкой фракции, выкипающей в пределах НК-500°С, от времени воздействия магнитного поля.

Рис. 25. Характер изменения выхода остатка, выкипающего выше 500°С, от времени воздействия магнитного поля.

Рис. 26. Характер изменения относительного содержания основных классов углеводородов в широкой фракции НК-500єС мазута от времени воздействия магнитного поля.

Рис. 27. Характер изменения относительного содержания аренов в дистиллатных фракциях мазута от времени воздействия магнитного поля.

Рис. 28. Характер изменения показателя преломления n_d²⁰ дистиллатных фракций мазута М-100 от времени воздействия магнитного поля.

Рис. 29. Характер изменения относительного содержания алканов в дистиллатных фракциях мазута от времени воздействия магнитного поля.

Рис. 30. Характер изменения относительного содержания нафтенов в дистиллатных фракциях мазута от времени воздействия магнитного поля.

Рис. 31. Характер изменения температуры размягчения по методу КиШ от времени воздействия магнитного поля для остатков выше 500°С.

Рис. 32. Взаимосвязь между выходом тяжелого остатка вакуумной разгонки мазута и его температурой размягчения по методу КиШ.

3.1.2 Обработка в присутствии ферромагнитных элементов

Результаты обработки мазута М-100 в аппарате с вихревым слоем в присутствии ферромагнитных элементов представлены в табл. 17,18.

Таблица 17. Результаты обработки мазута М-100.

Таблица 18. Относительное содержание основных классов углеводородов в дистиллатных фракциях мазута М-100.

Введение в реакционную систему ферромагнитных элементов, которые под влиянием внешнего электромагнитного поля начинают взаимодействовать между собой и средой, создает вихревой слой. Совокупность факторов воздействия (в первую очередь, ультразвуковые колебания и вызванные ими явления кавитации) должна препятствовать упорядочению элементов системы и формированию новой надмолекулярной структуры под воздействием собственно электромагнитного поля. Кроме этого, выделение энергии при схлопывании кавитационных пузырьков приводит к появлению свободных радикалов [11] и создает предпосылки для свободнорадикальных реакций уже на этой стадии.

Такое антогонистическое влияние на образец нефтепродукта приводит, по нашему мнению, к изменению показателей процесса более хаотичному, чем только при воздействии электромагнитного поля.

В отличие от отмеченных ранее тенденций введение ферромагнитных частиц при увеличении времени обработки в АВС приводит к одновременному возрастанию плотности (рис.33) и температуры начала кипения (рис.34). В качестве позитивного влияния ферромагнитных элементов отметим устойчивую тенденцию к увеличения выхода широкой дистиллатной фракции НК-500°С (рис.35) и антибатный характер изменения выхода тяжелого остатка (рис. 36).

Следствием одновременного воздействия электромагнитного поля и механодеструкции под воздействием кавитации (ф=200с) можно считать пусть и незначительное (с 11,2 до 13,9 % отн.) увеличение по сравнению с исходным образцом аренов в широкой дистиллатной фракции, полученной при фракционировании мазута М-100 (рис.37).

На рис. 38 - 41 приведены зависимости относительного содержания аренов, алканов и нафтенов в узких дистиллатных фракциях, а также показателей преломления этих фракций с увеличением продолжительности воздействия.

Относительно температуры размягчения (метод КиШ) тяжелого остатка >500°С можно отметить, что за счет наличия ферромагнитных элементов диапазон изменения этого показателя составляет 4°С, в то время как под влиянием только электромагнитного поля он изменяется в интервале 6°С (рис.42, 31). В последнем случае температура размягчения при увеличении выхода кубового остатка возрастает более заметно (рис.32, 43).

Таким образом, показано, что суммарное воздействие электромагнитного поля и вихревого слоя ферромагнитных элементов более выгодно с точки зрения увеличения выхода широкой фракции НК - 500°С. Поэтому для обработки мазутов другого состава целесообразно применять комплексное воздействие электромагнитного поля и помещенных в него элементов.