CN104114675B - 用于加工液态烃原料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油加工领域，并且可应用于燃料动力工程领域中的石油和石化工业。用于加工液态烃原料的方法包括对原料流进行初步预处理以及通过分馏进行进一步加工。通过形成以直管状层流为特征的初级流来进行预处理，从而迫使原料流沿着保持层流性的涡流轨迹进行定向渐进式旋转运动，为了该目的，将其导向螺旋管，同时迫使初级流以一定的速度运动，所述速度在涡轴区的边界上的最大值满足由液体管状流的临界值的雷诺数所达到的条件。

Description

用于加工液态烃原料的方法

技术领域

本发明涉及石油加工领域，并且可应用于燃料动力工程领域中的石油和石化工业。

背景技术

对精炼厂用原油(尤其是具有复杂流变结构的原油)的处理是决定整个石化工业的盈利能力的工艺。

基于处理(在进料至用于精炼的反应器之前对原油进行预加工)的可用性，石油原料的后续加工需要少得多的时间，从而增加了工艺的生产率。

进行原油的预加工具有以下目的：

-脱盐和脱水，

-降低油和石油产品的粘度(改进流变性能)，

-从原油中除去硫和硫化合物。

开发了一些预加工原油的方法，其集中于对烃链结构进行部分修饰，从而除了达到上述目的之外还使最早阶段中轻质馏分的产率尽可能地增加。

存在这样的方法(RU2158288，2000年10月27日)，其中在进料至精炼厂用塔之前，使原油在旋转-脉冲声学设备(rotary-pulsatingacousticapparatus)的转子与定子之间的间隙中以某一范围的速度暴露于复合的液压机械与声学处理。由于分散油状态的改变，油馏出物馏分的产率增加。该方法的缺点是高的能量和金属消耗。

存在这样的方法(US4323448，1982年4月6日)，其中通过使烃通过粉碎机并暴露于给定频率的冲击来进行烃的机械活化。

存在这样的方法(RU2122457，1998年11月27日)，其中将液体形式的烃化合物放置于人工重力场中，并通过机械元件向该液体供应机械能。这些方法的缺点是高的能量和金属消耗。

在不同液体的加工(包括用于强化烃原料的加工)中存在空化效应的方法。

专利(KZ14129，2004年3月15日)方法的特征在于这样的事实，当石油通过空化器(cavitator)时，空化气泡的形成和增长以及其后续的溃灭发生，并伴随着冲击波破坏烃的重质分子(包括石蜡和沥青-树脂状物质)的结构。

因为该过程发生得如此迅速以至于没有时间在气泡的内容物与周围液体之间建立热交换，所以空化气泡中的气体温度在溃灭结束时变得非常高。接触重质分子的热气将其加热至使原子间键的强度降低并且使分子分解成更简单化合物的温度。在石蜡分解成更简单的烃时，形成了轻质馏分(石蜡含量由于其分子分解而降低)。沥青-树脂状物质含量因被所形成的轻质馏分溶解而降低。

然而，由于使用了不同化学和馏分组成、不同粘度和其他物理化学特征的石油原料，因此对于其中的一些不能实现空化机制，并且在这种情况下可能无法实现这些原料的机械破坏。

发明内容

所公开方法涉及在主要工艺——形成轻质馏分的精馏和分馏之前对原油和石油产品进行预处理。

本发明的目的是开发高性能的高能效的技术，其用于加工轻质和重质原油二者以及石油产品，例如，高石蜡的原油和具有高含量的树脂和沥青质的油。

本发明所要达到的技术结果在于经加工液态烃原料的质量改进以及在降低能源成本的同时增加其处理的强度。

通过用于加工液态烃原料的方法实现了该技术结果，所述方法包括对原料流进行初步预处理以及通过分馏进行进一步加工，其不同之处在于，通过形成以直管状层流为特征的初级流进行预处理，从而迫使原料流进行保持层流性的定向渐进式旋转运动，为了该目的，将其导向螺旋管，同时迫使初级流以一定的速度运动，所述速度在涡轴区的边界上的最大值满足由液体管状螺旋流的临界值的雷诺数所达到的条件。

可通过原料初级流的经调节动态压力来提供所述速度。

对于大容量的预处理油，可形成多于一个的初级流。

可通过管线的几何改造来提供原料流沿涡流轨迹的定向运动。

在另一种特定的情况下，可通过将直流切向输入至涡流区中来提供流沿涡流轨迹的定向运动。

动态压力量保持在自然波动限制内。

在其自然波动限制内维持动态压力值的精确度。

先前形成的初级流通过以流体动力学分离的通道均匀地分成多个平行流。

此外，应注意，从属权利要求中包含的特征用于本发明方法实施的特定情况。

流体动力学定律，尤其是描述粘性流体(包括烃流)运动流态(regime)的定律，为所公开方法奠定了基础。

已知粘性流体的运动可以以两种流态进行：层流的，其特征在于稳定分层的流体运动并且没有颗粒的混合；以及湍流的，其中流体颗粒除了渐进运动外还进行旋转运动。

流态根据传热传质过程的强度不同而不同。认为管线操作的层流流态在能源方面是最有益的。湍流与层流的压差比较(基于粘性液体的泊肃叶(Poiseuille)方程进行)示出，在湍流中增加通过管的流体泵送速度需要的压差增加要比在层流中大得多。层流流态更有效地传热，此外，当湍流涡旋形成时，有效的流体阻力增加，这是造成沿管线长度的压力损失的原因。因此，使流保持层流性的能力(层流流态的流体动力稳定性，形成湍流流态的阻力)是输送和加工烃流的系统的重要运行特征(系统有效性量度)。

流体动力学流态的特征在于无量纲的雷诺数。与雷诺数直接或间接相关的变量是控制流动参数，并且流态改变取决于这些变量。

Re＝VLρ/η，(1)

其中：ρ-液体密度，

v-流速，

L-流动要素的特征长度(流管半径)，

η-分子粘度系数。

流态从层流转变为湍流的特征在于雷诺数的临界值。涡旋形成开始的该雷诺数相差很大，其不仅受制于流速、直径和流体粘性，而且还受制于有助于克服液体分子之间内聚力的势垒的另一些条件。

在方程(1)中的其他已知参数下，可确定瞬变流态区，其特征在于流速区间在标称值(上临界速度和下临界速度)的范围中。

从层流转变为湍流可被认为是一个自组织的过程，其在不稳定的非均匀体系中按照相转变规律或相转变顺序发生，所述体系可由烃流(不同结构基团组成的烃和具有宽范围物理化学性质的异源衍生物(heteroderivative)的复杂混合物)代表。

如果在部分烃流中可实现满足按照以下公式产生的能源密度/单位体积所需条件的速度：

$E_{\mathrm{\Π}}={2\mathrm{mc}}^2(1+\frac{m}{M}),---\left(2\right)$

其中：m-电子质量，

c-真空中的光速，

M-工作流体(烃流)的摩尔质量，

则临界流态下的相转变是向第五(正电子)介质状态的转变，其与大量能量的释放一起发生，从而成为该体系的内部能源(A.I.Akhiezer,V.V.Berestetsky“Quantumelectrodynamics”，Moscow，Nauka，1969)。

该陈述的基础是对狄拉克正电子介质状态的理解，其包括在专论P.A.M.Dirac，ThePrinciplesofQuantumMechanics,1930中。对工作流体的上述冲击为具有第五状态狄拉克介质的量子-机械共振创造了条件，在其中驱动了与电子-正电子对产生类似的极化过程。该过程是第一种相转变的特殊情况，并且是其所有自然规律的对象。

另一方面，已知涡流运动的特征在于通过工作介质一般的旋转流运动充分利用工作体的内部能量和额外的动态压力。在涡流(作为动态的非线性结构)中，能量和动量的传递显著增加，以数量级计。

流体动力学模型的研究已示出，涡轴区中大幅度能量增长的开始与层流中不稳定边界的形成几乎一致。

基于前文，本申请人做出了这样的假设(然后以实验证明)，可将烃的管式螺旋流视作涡流状的。基于使流保持在对应于临界流流态的状态下直至涡轴区的边界，以及防止管状流(管内流)中的工作流体从层流流态转变成湍流流态直至实现该边界的条件，可在没有大量能量消耗的情况下在涡轴区提供构成工作介质的微体积物质——相转变成第五状态介质并伴随有大量能量释放的条件。根据实验研究，通过伴随有短波辐射确定了所述相转变的事实。

在该上下文中，微体积与液体体积相比是物理上的小体积，但是与分子距离相比是大体积。

为了在其从直流模式转变成涡流模式时保持流的动力结构稳定性，保持流受控参数的精确度具有基本意义，其原因是上述相转变的温和途径确保了系统的瞬时稳定性。一些致力于第一种相转变的研究示出，所述转变由热力系统参数之一的自发波动开始，所述自发波动由热效应或量子-机械效应引起。因为由动态压力支持的流速是受控参数，所以可述及上述波动值。在该泵送系统中产生所需压力应满足维持参数的确定波动限制的平均值的刚性需求。可通过包括对受控参数的反馈来进行该维持。

烃流中的能量释放伴随有与由空化效应导致发生的那些过程相似而与上述不同的过程，其不依赖于原油的化学和馏分组成、粘度以及其他化学物理特性。工作体部分微物质相转变成第五介质状态的过程中释放的能量导致原子间键强度降低，因此使烃的重质分子结构分解，包括石蜡和沥青树脂状物质。由于因子的复杂相互作用，油品质增加，并且在该阶段中就已发生了部分轻质馏分分离，这指示加工强度增加。同时，流温度增加使油和水的密度差增加，从而有助于液体分馏过程。水均匀地分布在流中，溶解其中所包含的盐，并且作为蒸汽-流体混合物的一部分从重质残余物中提取出来。

具体实施方式

图1描述了所公开方法实际进行的实施例，其中示出了用于液态烃原料加工的设备的流程图，并且图2描述了所公开方法的有效性，其中示出了原油和使用所公开方法进行一次加工的油的数据。

该设备由以下组成：用于烃原料预处理的储液器1，用于在室中产生原料动态压力的泵2，用于载热剂供应的泵3，用于分离轻油馏分的蒸发器4，混合器5和分馏反应器6。此外，所述设备具有用于原料存储和收集所产生产品的不同装置(未示出)。

用于预处理的储液器1具有可维持任何流态的以流体动力学方式分开的通道(管状单元、管线)的系统。每个管状单元都具有直的起始部分，尽可能平滑地与原料储存器壁连接。其目的是最大程度地降低因管和储存器大小差异而发生的流体阻力，并且防止该区域中的涡旋(湍流)。

管线中直的部分平滑地转变成螺旋形。特别地，该部分形状可特别通过三维曲线来确定，其在与垂直轴正交的平面上的投射是例如，阿基米德螺线、对数螺线或双曲螺线。涡流经调节的计算形式确保了在其中公式(2)成立的轴区中实现很大的流动旋转速度。

从压力损失的角度看，由于不存在湍流的危险区，所以管平滑曲线被认为是最合适的。然而，应基于在轴区边界上实现流速临界值的条件来选择管曲线的最大半径，其中可实现进入该部分的流免于可能的涡旋层流性波动的流体动力稳定性。在该圆周速度值下，应将依赖于距旋转轴的距离的规则分布考虑在内。

对于整个通道系统(或管线)，自动地进行了为支持一个单独通道(或管线)进行的过程稳定性而发展的这些条件的集合。

该设备的其他元件与技术水平已知的没有差异。

通过以下方式来进行该方法。

将烃原料(油)从储存器通过泵2进料至用于预处理的罐1中。泵2产生流体动态压力，用于提供支持初级流层流性所需的流速区间。在根据公式(1)确定上述速度区间时，应将原料粘度和管线几何构型参数考虑在内。此外，初级流沿螺旋轨迹盘旋并保持计算的层流性，其通过入口歧管中原料的规则流体动态压力来维持，使得一方面能够充分利用旋转运动源动力以产生涡流，另一方面能够维持恒定的流动特性直至涡轴区边界(一般来说，其形成直至涡流半径的一半)。涡流中的速度分布具有轴对称特性，其中在涡轴区中速度增大至最大值并且压力降低至最小值，而且，自涡流形成那一刻开始，动量守恒定律就开始起作用。该涡流作为流体自组织结构的特征是这样的，使得轴区中的速度达到临界值，并且存在工作流体微体积相转变并释放大量能量所必需的条件，这有助于加强进一步将烃分离成多个馏分的分离过程。在其中烃流从储液室1的排料区进入的蒸发器4中，轻烃从脱水的重质组分中以气体-蒸气混合物的形式发生部分分离。此外，在混合器5中与由泵3供应的冷却剂混合的重烃进入反应器6中用于进行进一步精炼。

图2示出了通过所公开方法精炼的轻质和重质原油残余物与油的分离的比较结果，以轻烃馏分对总体质量的百分比计。加工了具有高含量树脂和沥青质的高粘度材料。

根据管线油品质的综合指标(K)作出的精炼油品质评价示出油品质增加了数倍，所述综合指标基于以上数据通过DegtiarevV.N.《OilQualityBank》，OilIndustry，1997年，第3期，第62页至第63页[3]的研究中所述的方法计算得到。精炼油品质的综合指标为N_ref＝0.455，初始油的指标为K_in＝2.92。品质综合指标的单位偏差的向下偏误导致加工成本降低。

工业实用性

所公开方法可用于加工轻质原油和重质原油二者以及石油产品，并且允许通过对烃流进行预处理来大幅改善制成品的品质，以及精馏工艺的强度和能量效率。

Claims (4)

1.一种用于加工液态烃原料的方法，包括对原料流进行初步预处理以及通过分馏进行进一步加工，其特征在于，通过形成以直管状层流为特征的初级流来进行所述预处理，从而迫使所述原料流进行保持层流性的定向渐进式旋转运动，为了该目的，将其导向螺旋管，同时迫使所述初级流以一定的速度运动，所述速度在涡轴区的边界上的最大值满足由液体管状螺旋流的雷诺数的临界值所达到的条件。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述速度通过原料初级流的经调节的动态压力来提供。

3.根据权利要求1所述的方法，其中形成多于一个的初级流。

4.根据权利要求2所述的方法，其中将所述动态压力量保持在自然波动限制内。