RU2142496C1

RU2142496C1 - Method and apparatus for initiating chemical reactions in petroleum and petroleum product processing

Info

Publication number: RU2142496C1
Application number: RU97107263A
Authority: RU
Inventors: Б.П. Чесноков; Надир Каримович Надиров; О.А. Кирюшатов; А.И. Кирюшатов; Юрий Александрович Зайкин; Раиса Фуатовна Зайкина; А.Н. Вайцуль
Original assignee: Чесноков Борис Павлович
Priority date: 1997-05-05
Filing date: 1997-05-05
Publication date: 1999-12-10

Abstract

FIELD: chemical engineering. SUBSTANCE: raw material is fed into reaction zone and is irradiated by electrons or protons simultaneously with gamma-quantum activation. Apparatus has charged-particle accelerator and working chamber with, built-in therein, device for introducing particle beam and inlet and outlet connection pipes. In front of this device, there is tungsten target mounted in the chamber to generate secondary gamma-emission. Target is made in the form of a barrier separating working chamber into reaction zone and activation zone. EFFECT: enhanced processing efficiency and enabled production of high-quality narrow-fraction products. 7 cl, 2 dwg, 3 ex

Description

Изобретение относится к способам получения продуктов переработки нефти и может быть использовано в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. The invention relates to methods for producing oil refining products and can be used in the refining and petrochemical industries.

Известен способ переработки нефти и ее фракций, включающий процесс очистки и разложения, при котором происходит отбор различных фракций, в том числе: бензина (авиационный или автомобильный), реактивное топливо, осветительный керосин, дизельное топливо, мазут и т.д. [И.П.Мухленов и др. Общая химическая технология: Учеб. для химико-техн.спец.вузов. Т.2. Важнейшие химические производства - М.: Высш. шк. 1984. с.55-71]. A known method of processing oil and its fractions, including the purification and decomposition process, in which the selection of various fractions occurs, including: gasoline (aviation or automobile), jet fuel, lighting kerosene, diesel fuel, fuel oil, etc. [IP Mukhlenov and others. General chemical technology: Textbook. for chemical and technical specialized universities. T.2. The most important chemical industries - M .: Higher. school 1984. p. 55-71].

К недостаткам описанного способа следует отнести невысокий выход целевых продуктов за счет малой эффективности технологического процесса. The disadvantages of the described method include a low yield of target products due to the low efficiency of the process.

Известны способы переработки углеводородного сырья с использованием различных видов излучений, например способ последовательного извлечения фракций из углеводородного материала с использованием электромагнитной энергии частотой 300 МГц-300 ГГц, которую подают в дефлектор. Направленная на углеводородный материал энергия способствует процессу переработки. Контроль температуры процесса и регулировка ее осуществляется путем изменения положения дефлектора. Углеводороды и другие продукты переработки последовательно разделяются на фракции и удаляются [2.Патент США N 5055180, МКИ C 10 G 1/00, НКИ 208-402, опубл. 08.10.91.]
Недостатком способа является необходимость постоянного регулирования электромагнитной энергии в процессе крекирования продуктов реакции.Known methods for processing hydrocarbon materials using various types of radiation, for example, a method for sequentially extracting fractions from a hydrocarbon material using electromagnetic energy with a frequency of 300 MHz-300 GHz, which is supplied to the deflector. The energy directed to the hydrocarbon material contributes to the refining process. The process temperature is controlled and adjusted by changing the position of the deflector. Hydrocarbons and other processed products are sequentially separated into fractions and removed [2. US Patent N 5055180, MKI C 10 G 1/00, NCI 208-402, publ. 10/08/91.]
The disadvantage of this method is the need for constant regulation of electromagnetic energy in the process of cracking reaction products.

Известен способ сжижения и экстракции ископаемого твердого топлива с применением гамма-излучения и растворителя, который включает гидрогенизацию твердого топлива, смешением его с растворителем-донором водорода, облучение смеси ионизирующем излучением, а затем экстрагирование углеводородов из реакционной смеси. Облучение активирует донор водорода и облегчает его взаимодействие с молекулярной структурой углеводородного компонента, в результате чего образуются углеводороды меньшей молекулярной массы, что увеличивает выход целевых продуктов при переработке горючего сланца, битуминизированных песков и каменного угля [3.Патент США N 4772379, МКИ C 10 G 1/00, НКИ 208-402, опубл.1988.]
К недостаткам способа следует отнести то, что способ пригоден только для твердого топлива, при этом полученные углеводородные компоненты обладают недостаточно высоким качеством ввиду присутствия в них сернистых, смолистых и кислородсодержащих соединений.A known method of liquefying and extracting fossil solid fuels using gamma radiation and a solvent, which includes the hydrogenation of solid fuels, mixing it with a hydrogen donor solvent, irradiating the mixture with ionizing radiation, and then extracting the hydrocarbons from the reaction mixture. Irradiation activates a hydrogen donor and facilitates its interaction with the molecular structure of the hydrocarbon component, resulting in the formation of hydrocarbons of lower molecular weight, which increases the yield of the target products in the processing of oil shale, tar sands and coal [3. Patent US 4772379, MKI C 10 G 1/00, NKI 208-402, publ. 1988.]
The disadvantages of the method include the fact that the method is suitable only for solid fuel, while the resulting hydrocarbon components are not of high enough quality due to the presence of sulfur, resinous and oxygen-containing compounds in them.

Известен также способ регулирования режима работы реактора каталитического крекинга с использованием ионизирующего излучения, при котором излучение α,β,γ- частиц или поток нейтронов, направленный через зону перемещающегося продукта, позволяет измерить детектором его среднюю плотность, регулировать режим работы реактора и контролировать расход продуктов [4. Заявка Франции N 2655053, C 10 G 11/18, опубл. 31.05.91.]
Однако в предлагаемом способе ионизирующее излучение используется только для измерения плотности и не влияет на протекание самих реакций.There is also known a method of regulating the operating mode of a catalytic cracking reactor using ionizing radiation, in which the radiation of α, β, γ-particles or a neutron flux directed through the zone of the moving product, allows the detector to measure its average density, regulate the operating mode of the reactor and control the flow rate of products [ 4. French Application N 2655053, C 10 G 11/18, publ. 05/31/91.]
However, in the proposed method, ionizing radiation is used only to measure the density and does not affect the course of the reactions themselves.

Наиболее близким аналогом заявляемому способу является способ инициирования химических реакций энергией возбуждения плазмы СВЧ-разряда при проведении крекинга углеводорода; включающий введение в реакционную зону потока жидкого углеводорода, при этом зону подвергают облучению СВЧ-энергией для непрерывного поддержания внутри реакционной зоны плазмы СВЧ-разряда с малой плотностью потока энергии [5. Патент США N 5015349, МKИ C 10 G 15/00; 11/02, НКИ 204-166, опубл. 14.05.91.]
Недостатком этого способа является сложность удержания стабильности плазмы и соответственно обеспечения постоянства свойств получаемых продуктов и их высокого качества.The closest analogue of the claimed method is a method of initiating chemical reactions by the excitation energy of a microwave plasma discharge during hydrocarbon cracking; comprising introducing a liquid hydrocarbon stream into the reaction zone, the zone being irradiated with microwave energy to continuously maintain a microwave discharge plasma with a low energy flux density inside the reaction zone [5. U.S. Patent No. 5,015349, MKI C 10 G 15/00; 11/02, NKI 204-166, publ. 05/14/91.]
The disadvantage of this method is the difficulty of maintaining plasma stability and, accordingly, ensuring the constancy of the properties of the resulting products and their high quality.

Известна также принятая за прототип установка для облучения жидкости ускоренными электронами, содержащая электронный ускоритель с вертикально установленным раструбом, рабочую камеру в виде желоба с камерой охлаждения, патрубков для подвода и отвода облучаемой жидкости, патрубок для подвода хладагента в камеру охлаждения и выходной патрубок. На стенке камеры охлаждения расположен вибратор [6. Авторское свидетельство СССР N 1365135, M.кл. G 21 K 5/04, опубл. 07.01.88.]
Недостатком установки является ее невысокая эффективность, т.к. жидкость обрабатывается только электронами, вырабатываемыми ускорителем, отсутствует процесс дополнительной активации.Also known is a prototype installation for irradiating a liquid with accelerated electrons, containing an electronic accelerator with a vertically mounted bell, a working chamber in the form of a chute with a cooling chamber, pipes for supplying and discharging the irradiated liquid, a pipe for supplying refrigerant to the cooling chamber, and an outlet pipe. A vibrator is located on the wall of the cooling chamber [6. USSR author's certificate N 1365135, M.cl. G 21 K 5/04, publ. 01/07/08.]
The disadvantage of the installation is its low efficiency, because the liquid is processed only by electrons produced by the accelerator; there is no additional activation process.

Предлагаемые способ и устройство инициирования химических реакций в процессе переработки нефти и нефтепродуктов решают задачу обеспечения высокого качества и постоянства свойств получаемых продуктов и повышения эффективности процессов переработки. The proposed method and device for initiating chemical reactions in the process of refining petroleum and petroleum products solve the problem of ensuring high quality and constancy of the properties of the resulting products and increasing the efficiency of refining processes.

Поставленная задача решена путем введения облучения обрабатываемого сырья электронами или протонами, а также дополнительной активации процесса путем вторичного облучения сырья гамма-квантами. The problem is solved by introducing irradiation of the processed raw materials with electrons or protons, as well as additional activation of the process by secondary irradiation of the raw materials with gamma rays.

Для этого в заявляемое устройство, содержащее ускоритель заряженных частиц, рабочую камеру с входным и выходным патрубками, камеру охлаждения и защитный радиационный экран вводят вольфрамовую перегородку, которая установлена напротив устройства ввода пучка заряженных частиц ускорителя, вмонтированного в стенку камеры. Указанная мишень выполнена в виде перегородки и разделяет рабочую камеру на реакторную зону и зону активирования. For this, a tungsten baffle, which is installed opposite the input device of a beam of charged particles of the accelerator mounted in the chamber wall, is introduced into the inventive device containing a charged particle accelerator, a working chamber with inlet and outlet nozzles, a cooling chamber and a protective radiation screen. The specified target is made in the form of a partition and divides the working chamber into a reactor zone and an activation zone.

В устройство введена вторая перегородка, причем обе перегородки образуют окна для прохода потока обрабатываемого сырья, которые расположены у противолежащих стенок камеры так, что поток "змейкой" омывает обе перегородки. Кроме того, в зону активирования может быть введен катализатор. A second partition is introduced into the device, both partitions forming windows for the passage of the flow of processed raw materials, which are located at the opposite walls of the chamber so that the stream "snakes" washes both partitions. In addition, a catalyst may be introduced into the activation zone.

На фиг. 1 изображено устройство для инициирования химических реакций при переработке нефти и нефтепродуктов, на фиг. 2 - установка для пряной перегонки нефти. In FIG. 1 shows a device for initiating chemical reactions in the processing of oil and petroleum products, FIG. 2 - installation for spicy distillation of oil.

Устройство для инициирования включает ускоритель 1 заряженных частиц, устройство 2 ввода пучка заряженных частиц, представляющее берилловое окно, встроенное в стенку рабочей камеры 3, входной и выходной патрубки 4 и 5 для подвода и отвода обрабатываемого сырья, вольфрамовую мишень 6 с камерой охлаждения, размещенной во внутренней полости 7 мишени, перегородку 8 и защитный радиационный экран 9. Вольфрамовая мишень 6 выполнена в виде перегородки, установленной в рабочей камере 3 напротив устройства 2 ввода пучка заряженных частиц. The device for initiating includes an accelerator 1 of charged particles, a device 2 for introducing a beam of charged particles, representing a beryl window embedded in the wall of the working chamber 3, inlet and outlet pipes 4 and 5 for supplying and discharging the processed raw materials, a tungsten target 6 with a cooling chamber placed in the inner cavity 7 of the target, the partition 8 and the protective radiation screen 9. The tungsten target 6 is made in the form of a partition mounted in the working chamber 3 opposite the device 2 for inputting a beam of charged particles.

Вольфрамовая мишень 6 и перегородка 8 контактируют каждая с тремя стенками рабочей камеры, образуя с четвертой стенкой камеры окна 10 и 11 для прохода потока обрабатываемого сырья. Окна 10 и 11 расположены у противолежащих стенок камеры, так что проходящий поток сырья омывает мишень и перегородку, которые разделяют рабочую камеру на три зоны: реакторную зону I, зону активирования II и выходную зону III. The tungsten target 6 and the baffle 8 are each in contact with the three walls of the working chamber, forming windows 10 and 11 with the fourth wall of the chamber for the passage of the processed feed stream. Windows 10 and 11 are located at the opposite walls of the chamber, so that a passing stream of raw materials washes the target and the partition, which divide the working chamber into three zones: reactor zone I, activation zone II and exit zone III.

Камера зоны активирования II выполнена в виде лабиринтного устройства, обеспечивающего многократное прохождения потока в зоне воздействия гамма-квантов. The chamber of activation zone II is made in the form of a labyrinth device, providing multiple passage of the flow in the zone of exposure to gamma rays.

В зоне активирования II между вольфрамовой мишенью 6 и перегородкой 8 при необходимости размещают гранулированный или порошковый катализатор, например, цеолитосодержащий. В этом случае рабочую камеру снабжают дополнительными патрубками для загрузки и выгрузки катализатора (на чертеже не показано). In the activation zone II between the tungsten target 6 and the partition 8, if necessary, a granular or powder catalyst, for example, a zeolite-containing, is placed. In this case, the working chamber is equipped with additional nozzles for loading and unloading the catalyst (not shown in the drawing).

Внутренняя полость 7 вольфрамовой мишени 6 снабжена каналами для подвода и отвода хладагента, (например воды). The inner cavity 7 of the tungsten target 6 is provided with channels for supplying and discharging refrigerant, (for example, water).

Описанное устройство инициации 12 подключают к любым установкам переработки нефти и нефтепродуктов, например к установке прямой перегонки нефти (фиг. 2), при этом выходной патрубок 5 рабочей камеры соединяют с нижней частью ректификационной колонны 13. The described initiation device 12 is connected to any oil and oil products processing plants, for example, to a direct oil distillation unit (Fig. 2), while the outlet pipe 5 of the working chamber is connected to the bottom of the distillation column 13.

Способ инициирования осуществляют следующим образом. The initiation method is as follows.

Поток подготовленной к переработке нефти или нефтепродуктов подводят через входной патрубок 4 и пропускают через устройство инициирования. При этом в реакторной зоне I поток сырья подвергают воздействию потока электронов иди протонов, проходящего в камеру от устройства 2 ввода пучка. При этом нефть или нефтепродукты разогреваются и начинается процесс их разложения. Далее поток сырья с ингредиентами - разложения через окно 10 попадает в зону активирования II, где происходит дополнительное активирование продуктов разложения как за счет воздействия гамма-квантов, выбиваемых из вольфрамовой мишени потоком электронов или протонов, так и за счет активационной способности катализатора. The stream of oil or oil products prepared for refining is fed through the inlet pipe 4 and passed through the initiation device. Moreover, in the reactor zone I, the flow of raw materials is exposed to the flow of electrons or protons passing into the chamber from the beam input device 2. At the same time, oil or oil products are heated and the process of their decomposition begins. Then, the flow of raw materials with decomposition ingredients through window 10 enters activation zone II, where the additional decomposition products are activated both by exposure to gamma quanta knocked out of the tungsten target by the electron or proton flux and by the activation ability of the catalyst.

Далее поток нефти и продуктов разложения поступает на следующую технологическую операцию для дальнейшей переработки. Next, the flow of oil and decomposition products goes to the next process step for further processing.

Выходную мощность ускорителя заряженных частиц выбирают обычно в пределах от 1,5 до 10 МэВ, исходя из условий производительности и свойств сырьевого нефтепродукта. The output power of the charged particle accelerator is usually selected in the range from 1.5 to 10 MeV, based on the performance conditions and properties of the crude oil product.

При воздействии потока электронов, протонов и гамма-квантов в потоке обрабатываемого сырья происходят химические реакции. Under the influence of a stream of electrons, protons and gamma-quanta, chemical reactions occur in the stream of processed raw materials.

Причем первичные реакции расщепления содержащихся в сырье углеводородов идут в условиях высоких температур (450-900^oC) для известного способа.Moreover, the primary reaction of the decomposition of the hydrocarbons contained in the raw materials occur at high temperatures (450-900 ^o C) for the known method.

В предлагаемом способе парафиновые углеводороды расщепляются на более легкие при пониженных температурах (400-430^oC).In the proposed method, paraffin hydrocarbons are split into lighter at lower temperatures (400-430 ^o C).

Заявляемые способ и устройство могут быть использованы на любой стадии переработки и при любом процессе, например: при прямой перегонке, крекинге, риформинге, гидроочистке и перед любым из этих процессов. Устройство может быть установлено на самоходное шасси, перемещаться к любому оборудованию и для его включения в работу достаточно подключить входной и выходной патрубки в технологическую линию и включить ускоритель.

The inventive method and device can be used at any stage of processing and in any process, for example: in direct distillation, cracking, reforming, hydrotreating and before any of these processes. The device can be installed on a self-propelled chassis, navigated to any equipment and for its inclusion in the work it is enough to connect the input and output pipes to the production line and turn on the accelerator.

Пример 1. Исходное сырье (очищенная и обессоленная нефть) по входному патрубку 4 направляют в реакторную зону I, где оно контактирует с потоком электронов при мощности поглощенной дозы 65 кГр/с, нагреваясь до 400-420^oC и частично разлагаясь, а затем поток нефти с продуктами разложения поступает в зону активирования II, проходя через поток гамма-квантов и слой порошкового цеолитосодержащего катализатора, продукты крекинга дополнительно разлагаются. Затем весь поток направляют через выходную зону III и патрубок 5 в зону кипящего слоя реактора-сепаратора, и далее в зону десорбции, где осуществляют отдувку продуктов крекинга с поверхности катализатора водяным паром. При этом отпадает необходимость в разогреве, а глубина разложения увеличивается, что обеспечивает повышение выхода светлых нефтепродуктов.Example 1. The feedstock (refined and desalted oil) through the inlet pipe 4 is sent to the reactor zone I, where it is in contact with the electron stream at an absorbed dose rate of 65 kGy / s, heating to 400-420 ^o C and partially decomposing, and then the stream oil with decomposition products enters the activation zone II, passing through a gamma-ray stream and a layer of powder zeolite-containing catalyst, cracking products are further decomposed. Then, the entire stream is directed through outlet zone III and pipe 5 to the fluidized bed of the separator reactor, and then to the desorption zone, where the cracked products are blown off from the catalyst surface with water vapor. In this case, there is no need for heating, and the depth of decomposition increases, which ensures an increase in the yield of light oil products.

Пример 2. Предварительно обессоленную и обезвоженную нефть пропускают через устройство, нагревая ее в I зоне электронами при мощности поглощенной дозы 45 кГр/с до температуры 340^oC, облучают гамма-квантами во второй зоне, а затем производят атмосферно-вакуумную перегонку отдельных углеводородных групп.Example 2. Pre-desalted and dehydrated oil is passed through a device, heating it in the I zone by electrons at an absorbed dose rate of 45 kGy / s to a temperature of 340 ^o C, is irradiated with gamma rays in the second zone, and then atmospheric-vacuum distillation of individual hydrocarbon groups is performed .

В результате глубоких химических деструктивных превращений элементов сырья под воздействием электронов и гамма-квантов обеспечивается снижение в 1,2 раза остаточного содержания непредельных углеводородов и повышения выхода легких и бензиновых фракций в 1,4 раза. As a result of deep chemical destructive transformations of raw materials under the influence of electrons and gamma-quanta, a 1.2-fold decrease in the residual content of unsaturated hydrocarbons and a 1.4-fold increase in the yield of light and gasoline fractions are provided.

Пример 3. Нефть насосом последовательно прокачивают через теплообменник 14 (фиг. 2), установки прямой перегонки нефти, где она отнимает теплоту от дистиллятов, подогреваясь до 170-175^oC, и поступает в устройство инициирования 12 под избыточным давлением, которое создается насосом (на чертеже не показано). Из устройства 12 нефть при 300-350^oC в парожидкостном состоянии подается в нижнюю часть ректификационной колонны 13, где давление снижается, происходит испарение фракций и отделение их от жидкого остатка-мазута.Example 3. Oil is pumped sequentially through a heat exchanger 14 (Fig. 2), a direct distillation unit, where it removes heat from distillates, being heated to 170-175 ^o C, and enters the initiating device 12 under excess pressure, which is created by the pump ( not shown in the drawing). From the device 12, oil at 300-350 ^o C in a vapor-liquid state is supplied to the lower part of the distillation column 13, where the pressure decreases, the fractions evaporate and separate from the liquid residue-fuel oil.

Пример 4. Нефть, идущую из скважины, подвергают воздействию пучка электронов, нагревают ее до 45-90^oC, обрабатывают гамма-квантами до интегральной дозы 5•10³ Гр и осуществляют одновременно аэрацию.Example 4. Oil coming from a well is exposed to an electron beam, heated to 45-90 ^o C, treated with gamma rays to an integral dose of 5 • 10 ³ Gy and simultaneously aerated.

Использование предлагаемого технического решения улучшает качество нефти и снижает скорость коррозии нефтепроводов и резервуаров хранения, благодаря уменьшению образования сероводорода в добытой нефти. The use of the proposed technical solution improves the quality of oil and reduces the corrosion rate of oil pipelines and storage tanks, due to a decrease in the formation of hydrogen sulfide in the produced oil.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает увеличение глубины разложения нефтепродуктов с безусловным обеспечением постоянства и стабильности эффекта, гарантирующего стандартизацию качества получаемых узкофракционных продуктов с высокой степенью повторяемости. Все это в полной мере можно отнести к получению высококачественных моторных топлив, смазочных материалов и непредельных углеводородных соединений для химической промышленности. Thus, the proposed technical solution provides an increase in the depth of decomposition of petroleum products with the unconditional provision of constancy and stability of the effect, guaranteeing standardization of the quality of the obtained narrow-fraction products with a high degree of repeatability. All this can be fully attributed to the production of high-quality motor fuels, lubricants and unsaturated hydrocarbon compounds for the chemical industry.

Claims

1. A method of initiating chemical reactions in the process of refining petroleum and petroleum products, comprising introducing a feed stream into the reaction zone and irradiating it, characterized in that the irradiation is carried out by electrons or protons while simultaneously activating the process with gamma rays.

2. A device for initiating chemical reactions in the process of refining oil and oil products, containing a charged particle accelerator, a working chamber with inlet and outlet nozzles, a cooling chamber and a protective radiation screen, characterized in that the charged particle beam input device is built into the chamber wall, and the camera equipped with a tungsten target mounted opposite the charged particle input device and made in the form of a partition dividing the working chamber into the reactor zone and the activation zone.

3. The device according to claim 2, characterized in that an additional partition is installed in the working chamber in front of the outlet pipe.

4. The device according to PP.2 and 3, characterized in that the tungsten target and the additional partition are each connected to three walls of the chamber and form windows for the passage of the flow of processed raw materials.

5. The device according to claim 3, characterized in that the cooling chamber is located in the inner cavity of the tungsten target.

6. The device according to claim 2, characterized in that the working chamber is made in the form of a labyrinth device and guide partitions.

7. The device according to claim 2, characterized in that the catalyst is located in the working chamber between the partitions.