RU2574732C1 - Method of evaporation of high temperature hydrocarbon liquids and device for its implementation - Google Patents
Method of evaporation of high temperature hydrocarbon liquids and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2574732C1 RU2574732C1 RU2015111460/04A RU2015111460A RU2574732C1 RU 2574732 C1 RU2574732 C1 RU 2574732C1 RU 2015111460/04 A RU2015111460/04 A RU 2015111460/04A RU 2015111460 A RU2015111460 A RU 2015111460A RU 2574732 C1 RU2574732 C1 RU 2574732C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid
- heavy hydrocarbons
- low boiling
- boiling point
- evaporation
- Prior art date
Links
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 title claims abstract description 112
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 84
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 title claims abstract description 41
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 claims abstract description 77
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims abstract description 52
- 239000000295 fuel oil Substances 0.000 claims abstract description 38
- 238000004157 plasmatron Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 claims description 40
- 235000010599 Verbascum thapsus Nutrition 0.000 claims description 38
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 16
- 230000001808 coupling Effects 0.000 claims description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 5
- 230000037250 Clearance Effects 0.000 claims description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000035512 clearance Effects 0.000 claims description 4
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 4
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 4
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 8
- 239000012530 fluid Substances 0.000 abstract description 7
- 238000005336 cracking Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 17
- 239000000047 product Substances 0.000 description 15
- 238000004517 catalytic hydrocracking Methods 0.000 description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 7
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 5
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 4
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 description 2
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 210000004279 Orbit Anatomy 0.000 description 1
- 239000003570 air Substances 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004523 catalytic cracking Methods 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 239000002283 diesel fuel Substances 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000003502 gasoline Substances 0.000 description 1
- 239000010763 heavy fuel oil Substances 0.000 description 1
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 1
- 238000005511 kinetic theory Methods 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 238000004227 thermal cracking Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к глубокой переработке тяжелых углеводородов в светлые нефтепродукты и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности при плазмохимическом гидрокрекинге.The invention relates to the deep processing of heavy hydrocarbons into light petroleum products and can be used in the oil refining industry with plasma chemical hydrocracking.
Во всех известных способах переработки тяжелых углеводородов в светлые нефтепродукты (каталитический крекинг, термокрекинг, гидрокрекинг) отделение светлых нефтепродуктов от тяжелого остатка производится путем преобразования их в парообразное состояние. Для этого весь объем тяжелых углеводородов, подлежащих переработке, нагревают, как минимум, до температуры кипения, что требует немалых затрат тепловой энергии.In all known methods of processing heavy hydrocarbons into light oil products (catalytic cracking, thermal cracking, hydrocracking), light oil products are separated from the heavy residue by converting them to a vapor state. To do this, the entire volume of heavy hydrocarbons to be processed is heated, at least, to the boiling point, which requires considerable expenditures of thermal energy.
Известен способ гидрокрекинга тяжелых углеводородных фракций, в котором предварительно подогретую до 60-370°С тяжелую углеводородную фракцию подвергают «бомбардировке» ионами водорода и ионами гидроксильной группы в реакторе без доступа кислорода, при этом ионы водорода и ионы гидроксильной группы подают в камеру в виде плазмы, и устройство для гидрокрекинга тяжелых углеводородных фракций, содержащее реактор, имеющий датчик уровня, датчик температуры, патрубок выхода не прореагировавшей части тяжелых фракций в жидком состоянии, патрубок выхода прореагировавшей части углеводородных фракций в парообразном состоянии, при этом в верхней части реактора установлен плазматрон с соплом, а в нижней его части патрубок подачи тяжелых углеводородных фракций с форсункой, установленной с возможностью регулирования расстояния от сопла плазматрона до ее верхней части (RU 2319730, 20.03.2008).A known method of hydrocracking of heavy hydrocarbon fractions in which a heavy hydrocarbon fraction is preheated to 60-370 ° C is subjected to "bombardment" with hydrogen ions and hydroxyl group ions in the reactor without oxygen, while hydrogen ions and hydroxyl group ions are supplied into the chamber in the form of plasma and a device for hydrocracking of heavy hydrocarbon fractions, comprising a reactor having a level sensor, a temperature sensor, an outlet pipe for the unreacted portion of the heavy fractions in a liquid state, a pipe ok the exit of the reacted part of the hydrocarbon fractions in a vapor state, with a plasmatron with a nozzle installed in the upper part of the reactor and a nozzle for supplying heavy hydrocarbon fractions with a nozzle installed with the possibility of controlling the distance from the plasmatron nozzle to its upper part (RU 2319730, 03/20/2008).
Скорость парообразования при испарении в данном способе значительно ниже, чем при кипении, и поэтому производительность этого способа низкая.The evaporation rate during evaporation in this method is significantly lower than during boiling, and therefore the productivity of this method is low.
Известен плазменный пиролиз деструкции отходов, в котором вводимые отходы дробятся с помощью плазменной дуги, тем самым ионизируются, затем освобожденные разряженные они поступают в реакционное пространство, которое охлаждается, и воссоединяются в газовый продукт и вещество макрочастиц. Рекомбинируемые продукты закалены. Щелочной дробимый распылитель, произведенный разбрызгивающим кольцом, нейтрализует рекомбинируемые продукты и увлажняет вещество макрочастицы. Газ продукта извлекается от воссоединяющихся продуктов, используя газоочиститель, и газ продукта тогда сожжен или используется для топлива (US 4644877, 24.02.1987).Known plasma pyrolysis of waste destruction, in which the input waste is crushed using a plasma arc, thereby ionizing, then released discharged waste enter the reaction space, which is cooled, and reunited in the gas product and particulate matter. Recombination products are hardened. The alkaline crushable atomizer produced by the spray ring neutralizes the recombined products and moisturizes the particulate matter. Product gas is recovered from the reuniting products using a gas scrubber, and the product gas is then burnt or used for fuel (US 4644877, 02.24.1987).
Недостатками данного способа являются сложность процесса переработки сырья, использование дорогостоящего оборудования и низкая производительность.The disadvantages of this method are the complexity of the processing of raw materials, the use of expensive equipment and low productivity.
Известен способ плазмохимического гидрокрекинга тяжелых углеводородных фракций, в котором предварительно подогретую до 60-350°С тяжелую углеводородную фракцию подвергают воздействию плазмы для расщепления в зоне высокой температуры углеводородных молекул на атомы без доступа кислорода, последующей «бомбардировке» ими других углеводородных цепочек, дроблению их и гидрированию в зоне реакции, приводящему к образованию легких углеводородных фракций, при этом плазма представляет собой ионизированный высокотемпературный газ. Также известно устройство для плазмохимического гидрокрекинга тяжелых углеводородных фракций, содержащее реактор, имеющий датчик уровня, датчик температуры, патрубок выхода прореагировавшей части углеводородных фракций в парообразном состоянии и патрубок подачи сырья, при этом внутри реактора расположен вращающийся с продольными щелями барабан для образования в реакторе вращающегося слоя тяжелых углеводородных фракций, прилегающего к внутренним стенкам реактора, а в верхней части реактора установлен плазмотрон с соплом для вхождения струи плазмы в тяжелые углеводородные фракции, поданные в реактор (RU 2343181, 10.01.2009).A known method of plasmachemical hydrocracking of heavy hydrocarbon fractions, in which a heavy hydrocarbon fraction is preheated to 60-350 ° C, is subjected to plasma to break down hydrocarbon molecules into atoms in the high-temperature zone without oxygen, followed by their "bombardment" of other hydrocarbon chains, crushing them and hydrogenation in the reaction zone, leading to the formation of light hydrocarbon fractions, the plasma being an ionized high-temperature gas. A device for plasma-chemical hydrocracking of heavy hydrocarbon fractions is also known, comprising a reactor having a level sensor, a temperature sensor, an outlet pipe for the reacted portion of the hydrocarbon fractions in the vapor state and a feed pipe, while a drum rotating with longitudinal slots is arranged inside the reactor to form a rotating layer in the reactor heavy hydrocarbon fractions adjacent to the inner walls of the reactor, and a plasma torch with a nozzle for entry is installed in the upper part of the reactor jet of plasma into heavy hydrocarbon fractions fed to the reactor (RU 2343181, 01/10/2009).
Хотя при этом способе затраты тепловой энергии на подогрев тяжелых углеводородов значительно ниже, однако скорость парообразования при испарении также значительно ниже, чем при кипении, и поэтому производительность этого способа низкая.Although in this method the cost of thermal energy for heating heavy hydrocarbons is much lower, however, the rate of vaporization during evaporation is also much lower than when boiling, and therefore the productivity of this method is low.
Известно устройство для плазмохимического гидрокрекинга углеводородных фракций, содержащее реактор и плазмотрон, состоящий из нижнего и верхнего завихрителей, катодного фланца, внутри которого расположен полый катод с электромагнитной катушкой, анодного фланца с установленным в нем расширяющимся соплом-анодом, при этом в реакторе под анодным фланцем расположен цилиндр, который используют в качестве анода при отключенном от «массы» анодном фланце, цилиндр имеет канал для подвода встречного потока водяного газа в плазменную струю, создающего изменение направления потока плазменной струи с осевого на радиальный, канал для подвода встречного потока водяного газа в плазменную струю соединен с трубой для подачи воды, причем реактор содержит патрубок подвода углеводородного сырья и патрубок выхода продуктов реакции (RU 2411286, 10.02.2011).A device for plasmachemical hydrocracking of hydrocarbon fractions is known, comprising a reactor and a plasmatron consisting of lower and upper swirlers, a cathode flange, inside of which there is a hollow cathode with an electromagnetic coil, an anode flange with an expanding anode nozzle installed in it, while in the reactor under the anode flange a cylinder is located, which is used as an anode with the anode flange disconnected from the “mass”; the cylinder has a channel for supplying a counter flow of water gas into the plasma jet, ayuschego change of the plasma jet flow direction from the axial to the radial channel for supplying water oncoming flow of gas into the plasma jet is connected with a pipe for supplying water, wherein the reactor comprises the hydrocarbon feedstock supply tube and exit nozzle of the reaction products (RU 2411286, 10.02.2011).
В данном устройстве происходит испарение воды за счет подогрева ее в обвязке и во встречной струе плазмы. Пар, поступая в реактор, предназначен для закалки образовавшихся нефтепродуктов, как и во всех процессах вторичной переработки нефти.In this device, water evaporates due to its heating in the strapping and in the oncoming plasma stream. The steam entering the reactor is designed to quench the resulting petroleum products, as in all processes of secondary oil refining.
Недостатком данного устройства является низкая производительность.The disadvantage of this device is its low performance.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, заключается в повышении скорости интенсификации парообразования при испарении, что будет способствовать повышению производительности плазмохимического гидрокрекинга.The technical result achieved by the implementation of the claimed invention is to increase the rate of intensification of vaporization during evaporation, which will increase the productivity of plasma chemical hydrocracking.
С точки зрения молекулярно кинетической теории процессы парообразования при испарении и кипении в корне отличаются друг от друга. При испарении молекула на поверхности жидкости, получив более высокую кинетическую энергию, в сравнении с окружающими ее молекулами и достаточную для преодоления сил молекулярного притяжения, покидает жидкость, превращаясь в пар. Парообразование происходит при любой температуре, математически скорость испарения описывается формулой Стефана, температура жидкости при этом понижается. С большой степенью вероятности можно предположить, поскольку испарение происходит при любой температуре, то кинетическую энергию молекулы на поверхности жидкости, отличающуюся от окружающих в большую сторону, можно получить не только в результате сталкивания при хаотическом движении самих молекул, но и за счет принудительного ограничения кинетической энергии окружающих молекул, что также приведет к парообразованию.From the point of view of the molecular kinetic theory, the processes of vaporization during evaporation and boiling are fundamentally different from each other. Upon evaporation, the molecule on the surface of the liquid, having received higher kinetic energy, in comparison with the molecules surrounding it and sufficient to overcome the forces of molecular attraction, leaves the liquid, turning into steam. Vaporization occurs at any temperature, mathematically the evaporation rate is described by the Stefan formula, while the temperature of the liquid decreases. It can be assumed with a high degree of probability, since evaporation occurs at any temperature, the kinetic energy of the molecule on the surface of the liquid, which differs upward from surrounding ones, can be obtained not only as a result of collision of the molecules themselves during random motion, but also due to the forced limitation of kinetic energy surrounding molecules, which will also lead to vaporization.
При кипении, молекула жидкости, приобретя кинетическую энергию, эквивалентную температуре кипения и увеличив свою внутреннюю энергию за счет продолжающегося подогрева жидкости, превращается в пар, преодолевая силы молекулярного притяжения. Парообразование происходит по всему объему жидкости при постоянной температуре (температуре кипения), температура жидкости при этом остается постоянной.When boiling, a liquid molecule, acquiring kinetic energy equivalent to the boiling point and increasing its internal energy due to the ongoing heating of the liquid, turns into steam, overcoming the forces of molecular attraction. Vaporization occurs throughout the entire volume of the liquid at a constant temperature (boiling point), while the temperature of the liquid remains constant.
Данное изобретение основано именно на этом отличии процессов парообразования при испарении и кипении.This invention is based precisely on this difference in the processes of vaporization during evaporation and boiling.
Указанный технический результат достигается в способе испарения тяжелых углеводородов, в котором на предварительно разогретую поверхность тяжелых углеводородов распыляют жидкость с низкой температурой кипения для образования микрозон с перепадом температуры между поверхностным слоем тяжелых углеводородов и жидкостью с низкой температурой кипения, и при достижении перепада температур, численно превышающей отношение удельной теплоты парообразования к удельной теплоемкости испаряемой жидкости, возникает интенсивный процесс испарения углеводородных молекул и жидкости с низкой температурой кипения, при этом для поддержания непрерывности процесса к поверхности испарения осуществляют непрерывный подвод тепла.The specified technical result is achieved in a method for the evaporation of heavy hydrocarbons, in which a liquid with a low boiling point is sprayed onto a preheated surface of heavy hydrocarbons to form microzones with a temperature difference between the surface layer of heavy hydrocarbons and a liquid with a low boiling point, and when the temperature difference is numerically exceeded the ratio of the specific heat of vaporization to the specific heat of the evaporated liquid, there is an intense process of evaporation Nia hydrocarbon molecules and a liquid with a low boiling point, thus to maintain the continuity of the process to the evaporation surface is carried out continuous heat input.
Кинетическая энергия углеводородных молекул, появляющихся на границах микрозон, выше кинетической энергии соседних молекул жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования.The kinetic energy of hydrocarbon molecules appearing at the boundaries of microzones is higher than the kinetic energy of neighboring liquid molecules with a low boiling point and high specific heat of vaporization.
Соотношение поверхности тяжелых углеводородов, заполняемой жидкостью с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования ко всей поверхности тяжелых углеводородов, принимают в пределах от 1:3 до 1:2.The ratio of the surface of heavy hydrocarbons filled with a liquid with a low boiling point and high specific heat of vaporization to the entire surface of heavy hydrocarbons is taken in the range from 1: 3 to 1: 2.
Тяжелые углеводороды представляют собой мазут.Heavy hydrocarbons are fuel oil.
В качестве жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования используют воду.As a liquid with a low boiling point and high specific heat of vaporization, water is used.
Тяжелые углеводороды нагревают свыше 200 градусов Цельсия.Heavy hydrocarbons heat up over 200 degrees Celsius.
В процессе испарения образуется смесь паров из жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования и тяжелых углеводородов, в результате чего происходит конденсация углеводородных молекул на группе молекул пара из жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования, которая преобразуется в устойчивую газожидкостную эмульсию, которая разрушается при ее охлаждении ниже 100°С или при контакте с углеводородной жидкостью.During the evaporation process, a mixture of vapors is formed from a liquid with a low boiling point and high specific heat of vaporization and heavy hydrocarbons, resulting in condensation of hydrocarbon molecules on a group of vapor molecules from a liquid with a low boiling point and high specific heat of vaporization, which is converted into a stable gas-liquid emulsion , which is destroyed when it is cooled below 100 ° C or in contact with a hydrocarbon liquid.
Распыляют жидкость с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования по поверхности тяжелых углеводородов путем подачи ее в струю плазмы по кольцевому зазору в непосредственной близости от поверхности потока тяжелых углеводородов.A liquid with a low boiling point and high specific heat of vaporization is sprayed over the surface of heavy hydrocarbons by feeding it into a plasma stream through an annular gap in the immediate vicinity of the surface of the heavy hydrocarbon stream.
Данный технический результат достигается в устройстве испарения тяжелых углеводородов, содержащем плазмотрон косвенного действия и реактор с верхней и нижней крышками, реакционной камерой, патрубком для подачи тяжелых углеводородов, штуцером подачи жидкости с низкой температурой кипения и патрубком для выхода продуктов крекинга, при этом подачу жидкости с низкой температурой кипения осуществляют так, чтобы ее поток в контакте с плазменной струей распылялся по поверхности подаваемых в реактор тяжелых углеводородов для образования микрозон с перепадом температуры между поверхностным слоем тяжелых углеводородов и жидкостью с низкой температурой кипения.This technical result is achieved in a device for the evaporation of heavy hydrocarbons containing a plasma torch of indirect action and a reactor with upper and lower covers, a reaction chamber, a nozzle for supplying heavy hydrocarbons, a nozzle for supplying liquid with a low boiling point and a nozzle for exiting cracked products, while supplying liquid with low boiling point is carried out so that its stream in contact with the plasma jet is sprayed on the surface of the heavy hydrocarbons supplied to the reactor to form crozon with a temperature difference between the surface layer of heavy hydrocarbons and a liquid with a low boiling point.
Плазматрон содержит анод, установленный под соплом плазматрона для придания плазменной струе радиальное направление.The plasmatron contains an anode mounted under the nozzle of the plasmatron to give the plasma jet a radial direction.
Внутренняя часть анода заполнена или выполнена из огнеупорного диэлектрика.The inner part of the anode is filled or made of a refractory dielectric.
Полый катодный патрубок ввинчен в диэлектрическую втулку и зафиксирован в ней с обеих сторон гайками.The hollow cathode tube is screwed into the dielectric sleeve and fixed in it on both sides by nuts.
На нижний конец катодного патрубка навинчен трубчатый катод с несколькими небольшими отверстиями у его основания.A tubular cathode with several small holes at its base is screwed onto the lower end of the cathode tube.
В нижней части диэлектрической втулки надето резиновое уплотнение.A rubber seal is worn at the bottom of the dielectric sleeve.
К корпусу плазмотрона приваривается штуцер для подачи воздуха, установленный так, чтобы поток воздуха в корпусе плазмотрона имел вращательное движение.An air supply fitting is welded to the plasma torch body, mounted so that the air flow in the plasma torch body has a rotational movement.
На корпус плазмотрона навинчена теплоотводящая муфта, при этом корпус плазмотрона нижним концом ввинчен в верхнюю крышку реактора.A heat sink coupling is screwed onto the plasma torch body, while the plasma torch body is screwed with the lower end into the upper reactor cover.
Между крышкой реактора и теплоотводящей муфтой установлено регулировочное кольцо, с помощью которого подбирают необходимый зазор между соплом плазмотрона и анодом.An adjusting ring is installed between the reactor cover and the heat sink coupling, with which the necessary clearance between the plasma torch nozzle and the anode is selected.
Сопло плазмотрона на небольшом расстоянии от выхода имеет горизонтальные прорези, а между корпусом плазмотрона и соплом установлено кольцо с минимальным зазором между ним и анодом.The plasma torch nozzle has horizontal slots at a small distance from the exit, and a ring with a minimum gap between it and the anode is installed between the plasma torch body and the nozzle.
Патрубок для подачи тяжелых углеводородов и удлинитель анода образуют зазор для прохода тяжелых углеводородов.The pipe for supplying heavy hydrocarbons and the anode extension form a gap for the passage of heavy hydrocarbons.
В нижней крышке реактора просверлены несколько отверстий для подачи тяжелых углеводородов в реактор.Several holes were drilled in the bottom cover of the reactor for supplying heavy hydrocarbons to the reactor.
В нижнюю крышку реактора ввинчена втулка с нарезанной на внутренней поверхности ленточной резьбой, в один или несколько заходов, в зависимости от мощности плазмотрона, для регулирования времени контакта тяжелых углеводородов с плазменной струей.A sleeve with a thread threaded on the inner surface is screwed into the bottom cover of the reactor in one or several passes, depending on the power of the plasma torch, to control the contact time of heavy hydrocarbons with the plasma jet.
В верхнюю плоскость нижней крышки реактора впрессована втулка, образующая с крышкой внутреннюю полость с зазором для выхода жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования, которая подается через штуцер.A sleeve is pressed into the upper plane of the bottom cover of the reactor, forming an internal cavity with a cover with a gap for the exit of liquid with a low boiling point and high specific heat of vaporization, which is supplied through the nozzle.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено устройство испарения тяжелых углеводородов.The invention is illustrated in the drawing, which shows a device for the evaporation of heavy hydrocarbons.
Если по поверхности тяжелых углеводородов, обладающей низкой теплопроводностью и высокой температурой кипения (например, тяжелые углеводороды, 480 градусов Цельсия) и нагретой свыше 200 градусов Цельсия, распылить жидкость с низкой температурой кипения, высокой удельной теплоемкостью и большой удельной теплотой парообразования (например, вода 4,19 кДж·кг/град и 2440 кДж/кг соответственно), то в начальный момент времени поверхность будет состоять из большого количества микрозон (ограниченных областей/участков малого размера), состоящих из тяжелых углеводородов, например, мазута с высокой температурой кипения, и жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования, например, воды, с резким перепадом температур относительно друг друга. На границах таких микрозон появятся углеводородные молекулы, кинетическая энергия которых окажется выше кинетической энергии соседних молекул жидкости с низкой температурой кипения (воды), которые могут преодолеть силы молекулярного притяжения, т.е. возникнет процесс испарения.If over a surface of heavy hydrocarbons having low thermal conductivity and high boiling point (for example, heavy hydrocarbons, 480 degrees Celsius) and heated above 200 degrees Celsius, spray a liquid with a low boiling point, high specific heat and high specific heat of vaporization (for example,
Микрозоны с перепадом температур между жидкостями создаются путем распыления жидкости с низкой температурой кипения по поверхности нагретых до расчетной температуры тяжелых углеводородов. В технике широко используется способ распыления жидкости путем ввода ее в быстро движущийся газовый поток, независимо от природы газа и типа жидкости. Это всевозможные инжекторные устройства, простейшим из которых является бытовой пульверизатор, краскопульт и др. Происходит, как бы, смешивание небольшого объема жидкости с газовым потоком в значительно большем объеме. В конструкции устройства жидкость с низкой температурой кипения подается по кольцевому зазору в поток плазмы, которая движется в перпендикулярном направлении, упираясь в поверхностный слой тяжелых углеводородов. Подача жидкости не превышает 30 мл/с, скорость при этом составит 0,1-0,2 м/с. Скорость плазменной струи, как известно, составляет около 1000 м/с, а объем прокачиваемого плазмообразующего газа - 4000-5000 мл/с. Условия для распыления жидкости близки к идеальным.Microzones with a temperature difference between liquids are created by spraying a liquid with a low boiling point over the surface of heavy hydrocarbons heated to the calculated temperature. The technique widely uses a method of spraying a liquid by introducing it into a rapidly moving gas stream, regardless of the nature of the gas and type of liquid. These are all kinds of injection devices, the simplest of which is a household atomizer, spray gun, etc. There is, as it were, mixing a small volume of liquid with a gas stream in a much larger volume. In the design of the device, a liquid with a low boiling point is fed through an annular gap into the plasma stream, which moves in the perpendicular direction, abutting against the surface layer of heavy hydrocarbons. The fluid flow does not exceed 30 ml / s, the speed will be 0.1-0.2 m / s. The speed of the plasma jet, as is known, is about 1000 m / s, and the volume of the pumped plasma-forming gas is 4000-5000 ml / s. The conditions for spraying liquid are close to ideal.
Однако процесс испарения будет носить быстро затухающий характер из-за выполаживания резких перепадов температур между микрозонами. Чтобы предотвратить выполаживание температуры между микрозонами, необходим подвод тепла к поверхности извне. При этом поглощение тепла микрозонами с низкой температурой приведет к повышению температуры в них до температуры кипения жидкости из которой они состоят. Дальнейший рост температуры прекратится, все тепло будет уходить на повышение внутренней энергии этой жидкости (переход электронов в атомах на более высокую орбиту). Поглощение тепла тяжелыми углеводородами будет вызывать увеличение кинетической энергии молекул, т.е. повышение температуры, что будет препятствовать выполаживанию температур между микрозонами и процесс испарения будет продолжаться до выкипания микрозон с низкой температурой.However, the evaporation process will have a rapidly decaying character due to the flattening of sharp temperature changes between microzones. In order to prevent the temperature between the microzones from getting flat, an external supply of heat to the surface is necessary. At the same time, the absorption of heat by microzones with low temperature will increase the temperature in them to the boiling point of the liquid of which they consist. A further increase in temperature will stop, all the heat will go to increase the internal energy of this liquid (the transition of electrons in atoms to a higher orbit). The absorption of heat by heavy hydrocarbons will cause an increase in the kinetic energy of the molecules, i.e. an increase in temperature, which will prevent the temperature between the microzones from becoming even, and the evaporation process will continue until the low-temperature microzones are boiled away.
Образовавшаяся в реакторе смесь паров жидкости с низкой температурой (воды) и углеводородов с температурой 346°С (расчет приведен ниже), в результате конденсации углеводородных молекул на группе молекул пара жидкости с низкой температурой и высокой удельной теплотой парообразования (воды), преобразуется в достаточно устойчивую газожидкостную эмульсию, которая разрушается при ее охлаждении ниже 100°С или при контакте с жидкими углеводородами.The mixture of vapor of a liquid with a low temperature (water) and hydrocarbons with a temperature of 346 ° C formed in the reactor (calculation is given below), as a result of condensation of hydrocarbon molecules on a group of liquid vapor molecules with a low temperature and high specific heat of vaporization (water), is converted to sufficient stable gas-liquid emulsion, which is destroyed when it is cooled below 100 ° C or in contact with liquid hydrocarbons.
При оптимальном сочетании параметров технологического режима (расход и температура испаряемой жидкости и жидкости охлаждения, количество тепла, подводимое к поверхности испарения) достигается интенсивный процесс испарения.With the optimal combination of technological mode parameters (flow rate and temperature of the evaporated liquid and the cooling liquid, the amount of heat supplied to the evaporation surface), an intensive evaporation process is achieved.
Определяем оптимальное сочетание вышеупомянутых параметров. В качестве исходных данных использованы значения, применявшиеся на опытной установке, на которой осуществлялась проверка действия предлагаемого способа интенсификации испарения. Значения удельной теплоемкости, удельной теплоты парообразования взяты из справочника нефтехимика под общей редакцией С.К. Огородникова, издательство «Химия» 1978 г.We determine the optimal combination of the above parameters. As the initial data, the values used at the pilot plant were used, on which the action of the proposed method of intensification of evaporation was verified. The values of specific heat, specific heat of vaporization were taken from the petrochemist's reference book edited by S.K. Ogorodnikova, Chemistry Publishing House 1978
1. Испаряемая жидкость - мазут, предварительно подогретый до 200 градусов Цельсия, удельная теплоемкость 1.9 кДж·кг/град. Удельная теплота парообразования принимается по фракциям дизельного топлива и составляет 360 кДж/кг.1. Evaporated liquid - fuel oil, preheated to 200 degrees Celsius, specific heat 1.9 kJ · kg / deg. The specific heat of vaporization is taken from the fractions of diesel fuel and amounts to 360 kJ / kg.
2. Жидкость для создания микрозон с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования - вода комнатной температуры; удельная теплоемкость 4,19 кДж.кг/град; удельная теплота парообразования 2440 кДж/кг. Предполагаем, что нагрев воды во время подвода ее к поверхности испаряемой жидкости и за счет теплопередачи при контакте с мазутом достигнет 100 градусов Цельсия.2. A liquid for creating microzones with a low boiling point and high specific heat of vaporization - water at room temperature; specific heat 4.19 kJ.kg / deg; specific heat of vaporization 2440 kJ / kg. We assume that the heating of water during its supply to the surface of the evaporated liquid and due to heat transfer in contact with fuel oil will reach 100 degrees Celsius.
3. Источник тепла - плазма, создаваемая плазмотроном с потребляемой мощностью 4,9 кВт. С учетом КПД - 0,8 подводимое к поверхности количество тепла составит 4,9×0,8=3,92 кДж/с.3. The heat source is the plasma created by the plasma torch with a power consumption of 4.9 kW. Taking into account the efficiency of 0.8, the amount of heat supplied to the surface will be 4.9 × 0.8 = 3.92 kJ / s.
4. Максимальное количество микрозон на поверхности испаряемой жидкости, предположительно, будет при соотношении общей площади поверхности испарения к площади, занимаемой микрозонами с низкой температурой от 3:1 до 2:1. В проводимых опытах это соотношение принималось равным 3:1.4. The maximum number of microzones on the surface of the evaporated liquid, presumably, will be when the ratio of the total surface area of the evaporation to the area occupied by microzones with low temperature from 3: 1 to 2: 1. In the conducted experiments, this ratio was taken equal to 3: 1.
5. Определим, каким должен быть перепад температур между микрозонами, который обеспечит необходимую кинетическую энергию молекул для преодоления сил молекулярного притяжения.5. We determine what the temperature difference between the microzones should be, which will provide the necessary kinetic energy of the molecules to overcome the forces of molecular attraction.
Исходим из следующих рассуждений. Если для преодоления сил молекулярного притяжения при кипении молекула должна получить определенный запас внутренней энергии, то можно предположить, что на такую же величину должна превосходить соседние молекулы кинетическая энергия молекулы, способной преодолеть силы молекулярного притяжения при испарении. С учетом влияния внешних факторов, препятствующих испарению (в основном давление и скорость отвода образовавшихся паров) эта энергия должна быть увеличена в 1,2-1,3 раза.We proceed from the following reasoning. If in order to overcome the forces of molecular attraction during boiling, a molecule must obtain a certain supply of internal energy, then it can be assumed that the kinetic energy of a molecule capable of overcoming the forces of molecular attraction during evaporation should exceed the neighboring molecules by the same amount. Given the influence of external factors that prevent evaporation (mainly the pressure and rate of removal of the formed vapors), this energy should be increased by 1.2-1.3 times.
Выразим вышеизложенное математически.Let us express the above mathematically.
Количество тепла, необходимое для нагрева жидкости на расчетную температуру: Q=с×m×(t2-t1);The amount of heat required to heat the liquid at the design temperature: Q = s × m × (t 2 -t 1 );
где С - удельная теплоемкость жидкости, кДж·кг/град;where C is the specific heat of the liquid, kJ · kg / deg;
m - масса нагреваемой жидкости, кг;m is the mass of the heated fluid, kg;
(t2-t1) - температура нагрева жидкости, °С.(t 2 -t 1 ) is the temperature of the heating fluid, ° C.
Количество тепла, необходимое для перевода жидкости в пар: Qr=r×m; гдеThe amount of heat required to convert the liquid into steam: Q r = r × m; Where
r - удельная теплота парообразования, кДж/кг;r is the specific heat of vaporization, kJ / kg;
m - масса жидкости, переводимая в пар, кг.m is the mass of liquid converted into steam, kg
Т.к. мы допустили предположение, что молекулы жидкости способны преобразоваться в пар при испарении, если ими будет поглощена энергия, эквивалентная количеству теплоты Qr, т.еBecause we made the assumption that liquid molecules are able to transform into steam upon evaporation if they absorb energy equivalent to the amount of heat Q r , i.e.
Q=Qr или с×m×(t2-t1)=r×m.Q = Q r or c × m × (t 2 -t 1 ) = r × m.
После упрощения последнего уравнения получим:After simplifying the last equation, we get:
(t2-t1)=r/с.(t 2 -t 1 ) = r / s.
Итак, перепад температур между микрозонами для обеспечения интенсивного испарения должен быть численно равен отношению удельной теплоты парообразования жидкости к ее удельной теплоемкости:So, the temperature difference between the microzones to ensure intensive evaporation should be numerically equal to the ratio of the specific heat of vaporization of the liquid to its specific heat:
360 кДж/кг/ 1,9 кДж·кг/град = 189,5°C с учетом коэффициента 1,3 необходимо поддерживать перепад температур 246°С.360 kJ / kg / 1.9 kJ · kg / deg = 189.5 ° C, taking into account the coefficient 1.3, it is necessary to maintain a temperature difference of 246 ° C.
Разница температур на границе контакта жидкостей удерживается подводом тепла к поверхности испарения. Попавшая на поверхность испарения частица воды нагревшаяся до 100°С будет иметь эту температуру до полного ее испарения поглотив при этом значительную энергию для перехода в другое агрегатное состояние. Так как подача воды осуществляется непрерывно, то на ее месте окажется другая частица воды, затем третья, четвертая и т.д. Температура мазута при подводе тепла к поверхности испарения будет увеличиваться до своего предела (480°С) или пока не испарится. По этой причине, выравнивание температур на границе разделения жидкостей, при непременном условии подвода тепла к поверхности испарения, весьма кратком промежутке времени протекания реакции и с учетом очень низкой теплопередачи мазута, невозможно.The temperature difference at the interface between the liquids is kept by the heat supply to the evaporation surface. A water particle that has reached the evaporation surface and has heated up to 100 ° C will have this temperature until it has completely evaporated, having absorbed considerable energy for the transition to another aggregate state. Since the water supply is continuous, then in its place will be another particle of water, then the third, fourth, etc. The temperature of fuel oil when heat is supplied to the evaporation surface will increase to its limit (480 ° C) or until it evaporates. For this reason, temperature equalization at the liquid separation boundary, under the indispensable condition of supplying heat to the evaporation surface, a very short time period of the reaction and taking into account the very low heat transfer of fuel oil, is impossible.
6. Определим количество мазута и воды, которые смогут перейти в парообразное состояние при заданной мощности плазмотрона. Считая распределение подводимого тепла к поверхности испарения равномерным и учитывая принятое соотношение всей поверхности к поверхности, занимаемой водой (3:1) находим, что к поверхности, занимаемой мазутом будет подводиться тепло, в количестве: 3,92×2/3=2,6 кдж/сек., а количество тепла, подводимое к поверхности занимаемой водой - 1,32 кдж/сек.6. Determine the amount of fuel oil and water that can go into a vapor state at a given power of the plasma torch. Considering the distribution of the supplied heat to the evaporation surface to be uniform and taking into account the accepted ratio of the entire surface to the surface occupied by water (3: 1), we find that heat will be supplied to the surface occupied by fuel oil in the amount of: 3.92 × 2/3 = 2.6 kJ / sec., and the amount of heat supplied to the surface occupied by water is 1.32 kJ / sec.
Т.к. начальная температура мазута 200 градусов Цельсия, а температура воды 100 градусов Цельсия, необходимо повысить температуру мазута до получения разности температур между микрозонами в 246 градусов Цельсия, т.е. на: (200-100)+(246-200)=146 градусов Цельсия. При количестве теплоты 2,6 кДж и удельной теплоемкости мазута 1,9 кДж·кг/град, масса мазута, нагретая на 146 градусов выше исходной составит: 2,6/1,9×146=0,0094 кг или 9,4 г.Because the initial temperature of fuel oil is 200 degrees Celsius, and the water temperature is 100 degrees Celsius, it is necessary to increase the temperature of fuel oil to obtain a temperature difference between microzones of 246 degrees Celsius, i.e. by: (200-100) + (246-200) = 146 degrees Celsius. When the amount of heat is 2.6 kJ and the specific heat capacity of fuel oil is 1.9 kJ · kg / deg, the mass of fuel oil heated by 146 degrees above the original will be: 2.6 / 1.9 × 146 = 0.0094 kg or 9.4 g .
Количество воды, превращенной в пар с начальной (и впоследствии неизменной) температурой 100 градусов, с удельной теплотой парообразования 2440 кдж/кг, под воздействием тепла в количестве 1,32 кДж составит: 1,32/2440=0,00054 кг или 0,54 г.The amount of water converted into steam with an initial (and subsequently unchanged) temperature of 100 degrees, with a specific heat of vaporization of 2440 kJ / kg, under the influence of heat in the amount of 1.32 kJ will be: 1.32 / 2440 = 0,00054 kg or 0, 54 g
Необходимо отметить, вышеприведенный расчет является приближенным, без учета изменения энергии Гиббса, и с коэффициентами для конкретного технологического режима. Для практики расчет вполне приемлем, необходимую корректировку любого из расчетных параметров можно произвести, ориентируясь на максимальный выход продукции.It should be noted that the above calculation is approximate, without taking into account changes in Gibbs energy, and with coefficients for a specific technological mode. For practice, the calculation is quite acceptable, the necessary adjustment of any of the calculated parameters can be made, focusing on the maximum yield.
Очевидно, максимальная интенсивность парообразования будет при перепаде температур между микрозонами равной отношению (r/m×1,2), без учета подводимого тепла к поверхности испарения. Тогда вся энергия плазмы будет расходоваться на поддержание перепада температур между микрозонами и разрыв связей в углеводородных молекулах по углероду, однако, при этом возникает возможность перехода в пар длинных углеводородных молекул (мазута).Obviously, the maximum vaporization rate will be equal to the ratio (r / m × 1.2) when the temperature difference between the microzones is taken into account, without taking into account the heat input to the evaporation surface. Then all the plasma energy will be spent on maintaining the temperature difference between the microzones and breaking bonds in hydrocarbon molecules by carbon, however, this will make it possible to transfer long hydrocarbon molecules (fuel oil) into pairs.
Так как при плазмохимическом гидрокрекинге происходит локальный подвод энергии к углеводородной молекуле (бомбардировка ионами плазмы), а не ко всей массе вещества, как при обычном крекинге, то затраты энергии на разрыв связей в молекуле окажутся на порядок меньше.Since plasma chemical hydrocracking involves a local energy supply to a hydrocarbon molecule (bombardment by plasma ions), and not to the entire mass of the substance, as in ordinary cracking, the energy expenditures for breaking bonds in the molecule will be an order of magnitude smaller.
Если в качестве плазмообразующего агента используется воздух, необходимо учитывать дополнительно подвод тепла к поверхности испарения за счет реакции кислорода с углеводородами непосредственно в реакторе.If air is used as the plasma-forming agent, it is necessary to take into account additional heat supply to the evaporation surface due to the reaction of oxygen with hydrocarbons directly in the reactor.
Обобщая вышеизложенное можно констатировать: способ интенсификации испарения тяжелых углеводородов характеризуется тем, что на поверхности испарения, путем распыления на ней жидкости с низкой температурой, создают микрозоны с перепадом температуры между ними численно превышающую отношение удельной теплоты парообразовании к удельной теплоемкости испаряемой жидкости.Summarizing the foregoing, we can state: a method for intensifying the evaporation of heavy hydrocarbons is characterized in that microzones with a temperature drop between them are numerically greater than the ratio of the specific heat of vaporization to the specific heat of the evaporated liquid are created on the surface of the evaporation by spraying liquid with a low temperature on it.
Для поддержания непрерывности процесса к поверхности испарения осуществляют непрерывный подвод тепла.To maintain the continuity of the process to the surface of the evaporation carry out a continuous supply of heat.
Для создания микрозон используют жидкость с низкой температурой и высокой удельной теплотой парообразования.To create microzones, a liquid with a low temperature and high specific heat of vaporization is used.
Соотношение поверхности, заполняемой жидкостью с низкой температурой, ко всей поверхности испарения принимают в пределах от 1:3 до 1:2.The ratio of the surface filled with a liquid with a low temperature to the entire surface of the evaporation is taken in the range from 1: 3 to 1: 2.
Устройство состоит из плазмотрона (детали 1-12 и 19) и реактора (детали 12-26). Плазмотрон имеет полый катодный патрубок 1, который ввинчивается в диэлектрическую втулку 3 и фиксируется в ней с обеих сторон гайками 2. На нижний конец катодного патрубка наворачивается трубчатый катод с несколькими небольшими отверстиями у его основания. В нижней части диэлектрической втулки надето резиновое уплотнение 5. Этот узел в сборе вставляется в корпус плазмотрона 6 и фиксируется в нем гайкой 4. К корпусу плазмотрона приваривается штуцер 7 для подачи воздуха. Штуцер устанавливается так, чтобы поток воздуха в корпусе плазмотрона имел вращательное движение. На корпус плазмотрона навинчивается теплоотводящая муфта 8 со штуцерами 9 для подвода и отвода жидкости охлаждения (воды). Корпус плазмотрона нижним концом ввинчивается в верхнюю крышку 25 реактора. Между крышкой 25 реактора и теплоотводящей муфтой устанавливается регулировочное кольцо 26, с помощью которого подбирают необходимый зазор между соплом 12 плазмотрона и анодом 19. Сопло 12, на небольшом расстоянии от выхода имеет горизонтальные прорези. Внутренняя часть анода заполняется огнеупорным диэлектриком. Между корпусом плазмотрона и соплом устанавливают кольцо 11 с минимальным зазором между ним и анодом. Корпус реактора 24 с помощью болтов 15 закрывается верхней 25 и нижней 23 крышками. Нижнюю крышку 23, для упрощения ее изготовления, делают из двух фланцев. В корпусе реактора имеется патрубок 14 для выхода продуктов крекинга и непрореагированого сырья. Снизу крышки 23 приваривается патрубок 18 со штуцером 22 для подачи тяжелых углеводородов (мазута). Патрубок 18 и удлинитель анода 21 образуют зазор для прохода тяжелых углеводородов (мазута). В нижней крышке 23 просверлены несколько отверстий, как показано на фиг. пунктирными линиями, для подачи тяжелых углеводородов (мазута) в реактор. Втулка 13, с нарезанной на внутренней поверхности ленточной резьбой (один или несколько заходов, в зависимости от мощности плазмотрона), ввинчивается в крышку 23 и предназначена для регулирования времени контакта тяжелых углеводородов (мазута) с плазменной струей. В верхнюю плоскость крышки 23 впрессовывается втулка 17, образующая с крышкой внутреннюю полость с зазором для выхода воды, которая подается через штуцер 16. Снизу, патрубок 18 герметизируется гайкой 20, которая навинчивается на удлинитель анода 21.The device consists of a plasma torch (parts 1-12 and 19) and a reactor (parts 12-26). The plasma torch has a hollow cathode tube 1, which is screwed into the dielectric sleeve 3 and fixed in it on both sides by nuts 2. A tubular cathode with several small holes at its base is screwed onto the lower end of the cathode tube. A
Принцип действия устройства. К катодному патрубку 1 подсоединяют клемму «минус» а конструкцию соединяют с «массой». К катодному патрубку также подводят жидкость охлаждения (воду) с обратным шлангом и пропускают жидкость охлаждения через теплоотводящую муфту 8 со штуцерами 9. Через штуцер 7 в плазмотрон подают плазмообразующий газ (воздух, двуокись углерода, аргон, и т.д.) Включают в работу плазмотрон. Между трубчатым катодом 10 и кольцом 11 возникает электрическая дуга, которая потоком вращающегося воздуха перескакивает на анод 19. За счет вращающегося потока воздуха катодное и анодное пятна непрерывно перемещаются по торцам катода и анода. Отверстия у основания катода 10 не позволяют катодному пятну переместиться в центр катода, а через прорези у выхода сопла выходит большая часть объема не ионизированного плазмообразующего газа.The principle of operation of the device. The minus terminal is connected to the cathode tube 1 and the structure is connected to ground. A cooling fluid (water) with a return hose is also supplied to the cathode tube and a cooling fluid is passed through a heat-releasing
Через 1-2 с после включения плазмотрона, включают насос подачи тяжелых углеводородов (мазута). Тяжелые углеводороды (мазут), проходя через зазор между удлинителем анода 21 и патрубком 18 отводит излишнее тепло от нагреваемого при работе анода и поступает в реактор. Втулка 13 обеспечивает движение тяжелых углеводородов (мазута) по углублениям ленточной резьбы, что препятствуют выдуванию тяжелых углеводородов (мазута) плазменной струей. При контакте энергия плазменной струи передается тяжелым углеводородам (мазуту), разбивая при этом длинные углеводородные молекулы. Молекулы, соответствующие газовой фракции, выделяются из жидкой фазы углеводородов. Более длинные молекулы не смогут преодолеть силы молекулярного притяжения и вновь восстанавливают разорванные связи. После того как температура тяжелых углеводородов (мазута) на входе достигнет заданной величины, включают подачу расчетного количества воды. Жидкость с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования (вода), выходя из кольцевого зазора между втулкой 17 и крышкой 23, попадает в струю плазмы, которая разбрызгивает ее по поверхности тяжелых углеводородов (мазута), в результате чего образуются микрозоны с низкой температурой. Жидкость с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования (вода), нагревшись до 100 градусов Цельсия, начинает поглощать энергию плазмы, преобразуя ее во внутреннюю энергию молекул. Тяжелые углеводороды (мазут), в контакте с плазмой продолжит нагреваться, в контактных зонах тяжелых углеводородов (мазута) с жидкостью с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования (водой), где разность температур достигнет предельных значений, начнется интенсивное испарение углеводородных молекул. А так как нагрев углеводородных молекул является результатом воздействия на них ионов плазмы, то длинные углеводородные молекулы окажутся разорванными, и, таким образом, испаряться будут фракции, соответствующие светлым нефтепродуктам. В парообразном состоянии углеводородные молекулы будут конденсироваться на молекулах водяного пара, т.к. они имеют более низкую температуру. Углеводородоводная эмульсия в парообразном состоянии будет выходить из реактора через патрубок 14.1-2 s after turning on the plasma torch, turn on the pump for supplying heavy hydrocarbons (fuel oil). Heavy hydrocarbons (fuel oil) passing through the gap between the extension of the
Устройство, включающее плазмотрон косвенного действия с полым катодом и принудительным перемещением катодного и анодного пятен и реактора, состоящего из корпуса, верхней и нижней крышек и реакционной камеры, характеризующееся тем, что анод плазматрона устанавливают под соплом, придавая таким образом плазменной струе радиальное направление.A device including an indirect-action plasma torch with a hollow cathode and forced movement of the cathode and anode spots and a reactor consisting of a body, upper and lower covers and a reaction chamber, characterized in that the plasmatron anode is installed under the nozzle, thus giving the plasma jet a radial direction.
Внутренняя часть анода выполнена из огнеупорного диэлектрика.The inner part of the anode is made of refractory dielectric.
Распыление жидкости с низкой температурой кипения и высокой удельной теплотой парообразования (воды) по поверхности тяжелых углеводородов (мазута) достигается путем подачи ее в струю плазмы по кольцевому зазору в непосредственной близости от поверхности потока тяжелых углеводородов (мазута).Spraying a liquid with a low boiling point and high specific heat of vaporization (water) on the surface of heavy hydrocarbons (fuel oil) is achieved by feeding it into the plasma stream through an annular gap in the immediate vicinity of the surface of the flow of heavy hydrocarbons (fuel oil).
Пример практического осуществления изобретения.An example of the practical implementation of the invention.
Возможность осуществления изобретения проверена на лабораторной установке. Установка состоит из реактора, плазмотрона (в описании изобретения - устройство). Реактор соединен с циклоном, в котором происходит отделение паров от жидкой, непрореагированной фазы. Циклон одновременно служит рабочей емкостью для мазута (тяжелых углеводородов), который в подогретом до 80-90 градусов Цельсия состоянии заливается в нижнюю часть циклона. Из циклона, с помощью плунжерного насоса, в качестве привода которого служит бытовой электрический лобзик мощностью 700 Вт, мазут подается через печь в реактор. Контроль за технологическим режимом процесса осуществлялся двумя биметаллическими термометрами, установленными на выходе из печки и на выходе паров из циклона. Подача жидкости определена расчетным путем и составляла приближенно 19 кубических см/с. Подачу воды в реактор производили вручную, путем перемещения поршня насоса в цилиндре с помощью гайки с винтом. Подача воды составляла в среднем 0,5-0,8 кубических см/с. К плазмотрону, установленному на реакторе подводили воздух, воду для охлаждения и электроэнергию от источника питания мощностью 4,9 кВт (аппарат плазменной резки «Сварог»). Углеводородные пары, выходящие из циклона, проходя через холодильник, конденсировались и собирались в отстойник, а газ, то что не сконденсировалось, из отстойника, поступал в печь на обогрев мазута.The possibility of carrying out the invention tested in a laboratory setting. The installation consists of a reactor, a plasma torch (in the description of the invention, a device). The reactor is connected to a cyclone in which vapor is separated from the liquid, unreacted phase. The cyclone at the same time serves as a working tank for fuel oil (heavy hydrocarbons), which, when heated to 80-90 degrees Celsius, is poured into the lower part of the cyclone. From a cyclone, using a plunger pump, the drive of which is a 700 W household electric jigsaw, fuel oil is fed through the furnace to the reactor. The control of the technological mode of the process was carried out by two bimetallic thermometers installed at the outlet of the furnace and at the outlet of the vapors from the cyclone. The fluid supply was determined by calculation and was approximately 19 cubic cm / s. Water was supplied to the reactor manually by moving the pump piston in the cylinder using a screw nut. The water supply was on average 0.5-0.8 cubic cm / s. Air, water for cooling, and electricity from a 4.9 kW power source (Svarog plasma cutting apparatus) were supplied to the plasma torch installed on the reactor. Hydrocarbon vapors leaving the cyclone, passing through the refrigerator, condensed and collected in the sump, and gas, which was not condensed, from the sump, entered the furnace to heat fuel oil.
Порядок пуска в работу. Проверяют наличие циркуляции мазута в системе. На реактор устанавливают плазмотрон. Включают охлаждение плазмотрона и подают в него воздух от компрессора через редуктор (5-6 атм.). Поджигают дежурную горелку на входе в печь. Включают в работу плазмотрон, затем, через одну-две секунды, - подачу мазута. В начальный момент работы прогрев мазута и всей обвязки, происходит за счет работающего плазмотрона, горючий газ практически отсутствует. При достижении температуры на выходе из циклона около ста градусов Цельсия, в печь начинается интенсивный приток газа, который поджигается дежурной горелкой. Через полторы-две минуты мазут прогревается до 200 градусов Цельсия. При этом отмечается практически полное отсутствие в отстойнике сконденсированных светлых углеводородов.The order of commissioning. Check for the presence of fuel oil circulation in the system. A plasmatron is mounted on the reactor. The plasma torch is turned on and air is supplied to it from the compressor through a gearbox (5-6 atm.). Set fire to the pilot burner at the entrance to the furnace. The plasmatron is turned on, then, after one to two seconds, the supply of fuel oil. At the initial moment of operation, heating of fuel oil and the entire strapping occurs due to the working plasma torch, there is practically no combustible gas. When the temperature at the outlet of the cyclone reaches about one hundred degrees Celsius, an intense flow of gas begins in the furnace, which is ignited by the standby burner. After one and a half to two minutes, fuel oil warms up to 200 degrees Celsius. At the same time, there is an almost complete absence of condensed light hydrocarbons in the sump.
С момента подачи воды в реактор, в результате возникновения на поверхностном слое мазута микрозон с необходимым перепадом температур, начинается интенсивный процесс испарения, одновременно бомбардировка ионами плазмы длинных углеводородных молекул, которые расщепляются (крекируют), приобретая при этом дополнительную кинетическую энергию, и продуктом испарения, появляющимся в отстойнике после конденсации, оказываются бензиновая, керосиновая и дизельная фракции.From the moment water is supplied to the reactor, as a result of the formation of microzones on the surface layer of fuel oil with the necessary temperature difference, an intensive evaporation process begins, simultaneously bombardment by plasma ions of long hydrocarbon molecules that break down (crack), acquiring additional kinetic energy, and the evaporation product, appearing in the sump after condensation, are gasoline, kerosene and diesel fractions.
Процесс переработки одного литра мазута (столько вмещает циклон-рабочая емкость) занимает 48-55 с.The process of processing one liter of fuel oil (the cyclone-working capacity holds so much) takes 48-55 s.
Эксперимент повторялся несколько раз. Подача воды в реактор начиналась при температурах на выходе из печи 200, 210, 220, 230, 240 и 250 градусов Цельсия. Всякий раз, конденсат начинал поступать в отстойник лишь с момента начала подачи воды в реактор, что подтверждает выдвинутое нами предположение об интенсификации скорости испарения тяжелых углеводородов при появлении на поверхности испарения микрозон с большими перепадами температур.The experiment was repeated several times. The water supply to the reactor began at temperatures at the outlet of the furnace 200, 210, 220, 230, 240 and 250 degrees Celsius. Each time, condensate began to enter the sump only from the moment water was introduced into the reactor, which confirms our assumption that the evaporation rate of heavy hydrocarbons intensifies when microzones with large temperature differences appear on the evaporation surface.
Разделения переработанной продукции на фракции не входит в цель изобретения и описывается в способе плазмохимического крекинга.Separation of processed products into fractions is not included in the purpose of the invention and is described in the method of plasma chemical cracking.
Claims (22)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2574732C1 true RU2574732C1 (en) | 2016-02-10 |
Family
ID=
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2671822C1 (en) * | 2018-07-31 | 2018-11-07 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Плазариум" | Device and method for plasma-chemical hydrocracking and installation equipped therewith |
| RU218751U1 (en) * | 2023-04-05 | 2023-06-08 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт органической химии и технологии" (ФГУП "ГосНИИОХТ") | REACTOR FOR THERMAL DESTRUCTION |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2343181C1 (en) * | 2007-10-17 | 2009-01-10 | Евгений Ефимович Беличенко | Method for plasmochemical hydrocracking of heavy hydrocarbon fractions and device for its realisation |
| RU2411286C1 (en) * | 2009-10-02 | 2011-02-10 | Евгений Ефимович Беличенко | Installation for plasma-chemical hydro-cracking of hydrocarbon fractions |
| WO2009040683A3 (en) * | 2007-09-28 | 2011-04-28 | Osum Oil Sands Corp. | Method of upgrading bitumen and heavy oil |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009040683A3 (en) * | 2007-09-28 | 2011-04-28 | Osum Oil Sands Corp. | Method of upgrading bitumen and heavy oil |
| RU2343181C1 (en) * | 2007-10-17 | 2009-01-10 | Евгений Ефимович Беличенко | Method for plasmochemical hydrocracking of heavy hydrocarbon fractions and device for its realisation |
| RU2411286C1 (en) * | 2009-10-02 | 2011-02-10 | Евгений Ефимович Беличенко | Installation for plasma-chemical hydro-cracking of hydrocarbon fractions |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2671822C1 (en) * | 2018-07-31 | 2018-11-07 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Плазариум" | Device and method for plasma-chemical hydrocracking and installation equipped therewith |
| WO2020027702A2 (en) | 2018-07-31 | 2020-02-06 | Plazarium | Apparatus and method for plasma-chemical hydrocracking, and plant with such apparatus |
| RU218751U1 (en) * | 2023-04-05 | 2023-06-08 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт органической химии и технологии" (ФГУП "ГосНИИОХТ") | REACTOR FOR THERMAL DESTRUCTION |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4644877A (en) | Plasma pyrolysis waste destruction | |
| US20080202982A1 (en) | Process for Cracking of Waste Oil by Microwave | |
| US8466332B1 (en) | Method and apparatus for microwave depolymerization of hydrocarbon feedstocks | |
| RU2392543C2 (en) | Method and device for processing of domestic and industrial organic wastes | |
| EA008269B1 (en) | A method of converting coal into fuels | |
| CN113336196A (en) | Gasification cracking device based on microwave heating and method for rapidly preparing sulfur gas | |
| RU2574732C1 (en) | Method of evaporation of high temperature hydrocarbon liquids and device for its implementation | |
| RU2543619C1 (en) | Device for processing rubber wastes | |
| CN107880930B (en) | Energy-saving dirty oil dehydration device and treatment method thereof | |
| WO2014029050A1 (en) | Multipurpose jet-burst-type high-pressure temperature-adjusting vapor decomposition steam generator | |
| WO2016036278A2 (en) | Device for processing petroleum waste | |
| KR101219303B1 (en) | Atmospheric Pressure plasma gas scrubbing equipment | |
| KR101307395B1 (en) | System and method for thermal decomposition of synthetic polymer waste using recycled heavy oil and recycled carbon compounds | |
| RU2343181C1 (en) | Method for plasmochemical hydrocracking of heavy hydrocarbon fractions and device for its realisation | |
| CN106517446A (en) | High-risk waste liquid treatment device | |
| CN213791571U (en) | Novel plasma petroleum refining device | |
| RU2319730C1 (en) | Methods of hydrocracking of the heavy hydrocarbon fractions and the device for its implementation | |
| US1944483A (en) | Method of treating hydrocarbons | |
| RU2566407C9 (en) | Method of oil wastes recycling | |
| RU2537176C1 (en) | Hydrocarbon fractions stabilisation method | |
| RU2703515C1 (en) | Device for plasma-chemical hydrocracking of heavy hydrocarbons | |
| US10703983B2 (en) | Method for processing rubber-containing waste | |
| RU2206387C1 (en) | Reactor for processing hydrocarbon raw material | |
| RU2694228C1 (en) | Method of processing organic substances of oil origin | |
| US2090766A (en) | Process for treating mineral oils |