RU2671822C1 - Device and method for plasma-chemical hydrocracking and installation equipped therewith - Google Patents
Device and method for plasma-chemical hydrocracking and installation equipped therewith Download PDFInfo
- Publication number
- RU2671822C1 RU2671822C1 RU2018128013A RU2018128013A RU2671822C1 RU 2671822 C1 RU2671822 C1 RU 2671822C1 RU 2018128013 A RU2018128013 A RU 2018128013A RU 2018128013 A RU2018128013 A RU 2018128013A RU 2671822 C1 RU2671822 C1 RU 2671822C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrocarbons
- reactor
- plasma
- hydrogen
- chamber
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J19/12—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electromagnetic waves
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
- C10G15/00—Cracking of hydrocarbon oils by electric means, electromagnetic or mechanical vibrations, by particle radiation or with gases superheated in electric arcs
- C10G15/12—Cracking of hydrocarbon oils by electric means, electromagnetic or mechanical vibrations, by particle radiation or with gases superheated in electric arcs with gases superheated in an electric arc, e.g. plasma
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
- C10G47/00—Cracking of hydrocarbon oils, in the presence of hydrogen or hydrogen- generating compounds, to obtain lower boiling fractions
- C10G47/22—Non-catalytic cracking in the presence of hydrogen
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0869—Feeding or evacuating the reactor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0871—Heating or cooling of the reactor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0873—Materials to be treated
- B01J2219/0875—Gas
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0873—Materials to be treated
- B01J2219/0877—Liquid
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0873—Materials to be treated
- B01J2219/0881—Two or more materials
- B01J2219/0884—Gas-liquid
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0894—Processes carried out in the presence of a plasma
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0894—Processes carried out in the presence of a plasma
- B01J2219/0898—Hot plasma
Abstract
Description
Заявленное изобретение касается устройства и способа плазмохимического гидрокрекинга высококипящих углеводородов. Кроме того, изобретение касается установки для плазмохимического гидрокрекинга, содержащей указанное устройство для плазмохимического гидрокрекинга. The claimed invention relates to a device and method for plasmachemical hydrocracking of high boiling hydrocarbons. In addition, the invention relates to an apparatus for plasmachemical hydrocracking containing the specified device for plasmachemical hydrocracking.
В качестве примера подобного рода технологии можно рассматривать публикацию RU 2 411 286. В этой публикации раскрыто устройство для плазменного гидрокрекинга, которое содержит реактор с трубчатым корпусом, плазмотрон, подвод углеводородов в нижнюю часть реактора, отвод непрореагировавших жидких углеводородов из реактора, отвод полученных газообразных углеводородов из реактора. В реакторе предусмотрена перегородка, которая разделяет реактор на нижнюю и верхнюю камеры. Через перегородку с зазором проходит подвод (труба) для подачи водяного газа (пара), а через указанный зазор между трубой и перегородкой из нижней камеры реактора в верхнюю камеру поступают жидкие углеводороды. Водяной пар через подвод для подачи водяного газа в противотоке подается в поток плазмы так, что поток плазмы конусообразно расходится и попадает точно на кольцеобразный зазор, через который поступают жидкие углеводороды. As an example of this kind of technology, publication RU 2,411,286 can be considered. This publication discloses a device for plasma hydrocracking, which contains a tubular reactor, a plasmatron, a supply of hydrocarbons to the lower part of the reactor, removal of unreacted liquid hydrocarbons from the reactor, and removal of the obtained gaseous hydrocarbons from the reactor. A baffle is provided in the reactor that divides the reactor into lower and upper chambers. A supply (pipe) for supplying water gas (steam) passes through the partition with a gap, and liquid hydrocarbons enter the upper chamber through the specified gap between the pipe and the partition from the lower chamber of the reactor. Water vapor through the inlet for supplying water gas in countercurrent is fed into the plasma stream so that the plasma stream diverges conically and falls exactly on the annular gap through which liquid hydrocarbons enter.
Указанное устройство направлено на конструктивное отделение источника водяного газа от плазмотрона, что реализовано за счет расположения плазмотрона и подвода водяного пара на разных сторонах реактора. The specified device is aimed at the structural separation of the source of water gas from the plasma torch, which is realized due to the location of the plasma torch and the supply of water vapor on different sides of the reactor.
При этом в RU 2 411 286 дополнительно отмечено, что водяной пар является не только средством для изменения направления потока плазменной струи с осевого на радиальный, но и служит в качестве источника дополнительных ионов, получаемых в результате пиролиза водяного газа при столкновении с плазменным потоком, что в свою очередь по мнению авторов должно повысить интенсивность процесса гидрокрекинга. Moreover, in
Однако, данному решению присущ недостаток, состоящий в низкой производительности ввиду перевода углеводородов в парообразное состояние в процессе испарения, интенсивность которого значительно уступает процессу кипения. However, this solution has a disadvantage consisting in low productivity due to the transfer of hydrocarbons to a vapor state during the evaporation process, the intensity of which is significantly inferior to the boiling process.
Эта проблема признается и самими авторами решения согласно RU 2 411 286, которые в своей последующей разработке, раскрытой в RU 2 574 732 попытались решить эту проблему за счет изменения принципа работы устройства. Согласно RU 2 574 732 вода распыляется потоком плазмы так, что в виде отдельных капель попадает на поверхность жидких углеводородов. За счет этого образуются микрозоны с перепадом температур между поверхностным слоем углеводородов и водой, что приводит к появлению по границам таких зон углеводородных молекул с более высокой кинетической энергией, чем у соседних молекул воды, что, в свою очередь, приводит к разрыву межмолекулярных связей и испарению этих углеводородных молекул. This problem is also recognized by the authors of the solution in accordance with RU 2,411,286, who, in their subsequent development disclosed in RU 2,574,732, tried to solve this problem by changing the principle of operation of the device. According to
Однако, данный процесс носит лишь локальный характер и связан с дополнительными сложностями по поддержанию необходимых специфических условий для непрерывного протекания процесса испарения. Соответственно, данное решение также не обеспечивает должной интенсивности парообразования углеводородов. However, this process is only local in nature and is associated with additional difficulties in maintaining the necessary specific conditions for the continuous course of the evaporation process. Accordingly, this solution also does not provide the proper intensity of hydrocarbon vaporization.
Кроме того, проблема невысокой интенсивности процесса из-за неэффективного процесса испарения в обоих известных решениях усугубляется недостаточной скоростью реакции парообразных углеводородов и ионов плазмы/водяного пара (расщепление и гидрирование). Это обусловлено незначительным временем воздействия для осуществления этих реакций из-за быстрого вывода продуктов из зоны реакции и высоким затухающим эффектом протекающих в парообразной смеси химических реакций, связанных с незначительным перемешиванием компонентов парообразной смеси. In addition, the problem of a low intensity of the process due to an ineffective evaporation process in both known solutions is exacerbated by the insufficient reaction rate of vaporous hydrocarbons and plasma / water vapor ions (splitting and hydrogenation). This is due to the short exposure time for the implementation of these reactions due to the rapid withdrawal of products from the reaction zone and the high decaying effect of the chemical reactions occurring in the vapor mixture, associated with a slight mixing of the components of the vapor mixture.
Задача настоящего изобретения состоит в разработке решения, которое позволило бы повысить интенсивность парообразования углеводородов при плазмохимическом гидрокрекинге и обеспечить увеличенную скорость перемешивания компонентов парообразных углеводородов и водородсодержащей среды и тем самым значительно ускорить скорость химических реакций этих компонентов. The objective of the present invention is to develop a solution that would increase the intensity of vaporization of hydrocarbons during plasmachemical hydrocracking and provide an increased mixing speed of components of vaporous hydrocarbons and a hydrogen-containing medium and thereby significantly accelerate the rate of chemical reactions of these components.
Указанная задача решается с помощью устройства для плазмохимического гидрокрекинга, содержащегоThis problem is solved using a device for plasmachemical hydrocracking containing
реактор, имеющий корпус реактора, камеру для непрореагировавших углеводородов, камеру для прореагировавших углеводородов, рабочую камеру и перегородку, разделяющую камеру для непрореагировавших углеводородов и рабочую камеру, причем в перегородке имеются каналы для сообщения рабочей камеры с камерой для непрореагировавших углеводородов,a reactor having a reactor vessel, a chamber for unreacted hydrocarbons, a chamber for unreacted hydrocarbons, a working chamber and a partition separating the chamber for unreacted hydrocarbons and a working chamber, and in the partition there are channels for communicating the working chamber with the chamber for unreacted hydrocarbons,
плазмотрон, размещенный с возможностью подачи потока плазмы в рабочую камеру реактора,a plasma torch arranged to feed a plasma stream into the working chamber of the reactor,
трубообразный элемент для окружения по меньшей мере части продольной протяженности потока плазмы внутри реактора, причем трубообразный элемент имеет наружную окружную стенку, внутреннюю окружную стенку и щелевое пространство между обеими окружными стенками, соединенное с подводом водородсодержащей среды, причем внутренняя окружная стенка имеет сквозные каналы для прохода водородсодержащей среды из щелевого пространства к потоку плазмы и тем самым определяет в рабочей камере зону смешения для смешивания потока плазмы и водородсодержащей среды, причем зона смешения вместе с перегородкой по меньшей мере частично определяют реакционную зону внутри рабочей камеры, имеющую сужение по типу газодинамического сопла, a tube-shaped element for surrounding at least a portion of the longitudinal extent of the plasma flow inside the reactor, wherein the tube-shaped element has an outer circumferential wall, an inner circumferential wall and a gap space between both circumferential walls connected to the supply of a hydrogen-containing medium, the inner circumferential wall having through channels for passage of a hydrogen-containing medium from the gap space to the plasma flow and thereby determines the mixing zone in the working chamber for mixing the plasma flow and hydrogen soda zhaschey medium, wherein the mixing zone together with a partition at least partially define the reaction zone within a processing chamber having a restriction on the type of the gas-dynamic nozzle,
подвод для подачи жидких углеводородов (называемых также сырьем или исходными углеводородами) в ограниченную перегородкой камеру непрореагировавших углеводородов, причем перегородка на своей стороне, обращенной к реакционной зоне рабочей камеры, образует поверхность для растекания слоя жидких углеводородов,an inlet for supplying liquid hydrocarbons (also called raw materials or feed hydrocarbons) to the unreacted hydrocarbon chamber bounded by a partition, the partition on its side facing the reaction zone of the working chamber forming a surface for spreading a layer of liquid hydrocarbons,
отвод полученных газообразных углеводородов, расположенный в камере для прореагировавших углеводородов, причем сужение реакционной зоны рабочей камеры расположено перед отводом полученных газообразных углеводородов по ходу технологического потока,removal of the obtained gaseous hydrocarbons located in the chamber for the reacted hydrocarbons, wherein the narrowing of the reaction zone of the working chamber is located in front of the outlet of the obtained gaseous hydrocarbons along the process stream,
отвод непрореагировавших жидких углеводородов, расположенный в камере для непрореагировавших углеводородов.removal of unreacted liquid hydrocarbons located in the chamber for unreacted hydrocarbons.
В основе изобретения лежит идея использования для воздействия на углеводороды не собственно плазмы, а полученной при ее участии и водородсодержащей среды высокотемпературного и более реакционноспособного водородсодержащего вторичного теплоносителя (далее – факел вторичного теплоносителя). При этом указанное воздействие осуществляют таким образом, что испарение жидких углеводородов происходит в виде взрывного вскипания, а высокая колебательная энергия компонентов вторичного теплоносителя, возникающая при его образовании, используется для проведения химических реакций с компонентами испаренных углеводородов в условиях, в которых скорость перемешивания достаточно велика. The basis of the invention is the idea of using, not for the plasma itself, for the action on hydrocarbons, but for the production of a hydrogen-containing medium of a high-temperature and more reactive hydrogen-containing secondary coolant (hereinafter referred to as the secondary coolant torch). Moreover, this effect is carried out in such a way that the evaporation of liquid hydrocarbons occurs in the form of explosive boiling, and the high vibrational energy of the components of the secondary coolant that occurs during its formation is used to conduct chemical reactions with the components of the evaporated hydrocarbons under conditions in which the mixing speed is sufficiently high.
Для указанного получения факела вторичного теплоносителя в поток плазмы вводят водородсодержащую среду. Ввод водородсодержащей среды в поток плазмы осуществляется с помощью указанного трубообразного элемента, состоящего из двух окружных стенок и щелевого пространства между ними. В качестве указанной водородсодержащей среды используется жидкая и/или газообразная водородсодержащая среда. For the indicated preparation of a secondary coolant plume, a hydrogen-containing medium is introduced into the plasma stream. The introduction of a hydrogen-containing medium into the plasma stream is carried out using the specified tube-like element consisting of two circumferential walls and a gap space between them. As the specified hydrogen-containing medium, a liquid and / or gaseous hydrogen-containing medium is used.
Поскольку для обеспечения указанного ввода среды трубообразный элемент охватывает плазменную струю, то его надо охлаждать до создания на его поверхности условий, при которых температура внутренней окружной стенки не будет превышать допустимую, выше которой стенка может прогореть. Для этого охлаждения используется та же водородсодержащая среда, которая подается в поток плазмы. Как указано выше водородсодержащая среда может быть газообразной, но в целях наилучшего охлаждения трубообразного элемента предпочтительной является жидкая водородсодержащая среда. Since in order to ensure the indicated input of the medium, the tube-shaped element covers the plasma jet, it must be cooled until conditions are created on its surface under which the temperature of the inner circumferential wall will not exceed the allowable temperature, above which the wall may burn out. For this cooling, the same hydrogen-containing medium is used, which is fed into the plasma stream. As indicated above, the hydrogen-containing medium may be gaseous, but for the best cooling of the tube-like element, a liquid hydrogen-containing medium is preferred.
Проходя по щелевому пространству, указанная водородсодержащая среда воспринимает тепло внутренней стенки трубообразного элемента и частично или почти полностью испаряется и через сквозные каналы поступает во внутреннюю полость трубообразного элемента, создавая при этом слой еще имеющейся жидкости на поверхности внутренней стенки. Под действием теплового потока со стороны плазменной струи жидкая водородсодержащая среда испаряется и над слоем жидкости создается защитный слой из паров жидкости, то есть получают два защитных слоя: жидкости и пара. Поступающая жидкая водородсодержащая среда, увлекаемая струей плазмы, растекается по внутренней стенке очень тонким слоем. За счет испарения толщина парового слоя над жидкостью нарастает по направлению движения потока плазмы до участка, где жидкость испаряется полностью. Так как плотность пара во много раз меньше плотности жидкости, то толщина парового слоя больше толщины слоя жидкости. Поскольку теплопроводность пара во много раз меньше теплопроводности жидкости, термическое сопротивление парового слоя в несколько раз выше термического сопротивления жидкого слоя. Поэтому слой пара является основным защитным слоем внутренней стенки трубообразного элемента. При этом должно быть понятно, что в случае использования газообразной водородсодержащей среды здесь будет иметь место только паровой/газовый защитный слой.Passing through the slit space, the specified hydrogen-containing medium absorbs the heat of the inner wall of the tube-shaped element and partially or almost completely evaporates and through the through channels enters the inner cavity of the tube-shaped element, creating a layer of still existing liquid on the surface of the inner wall. Under the action of the heat flux from the side of the plasma jet, the liquid hydrogen-containing medium evaporates and a protective layer is created from the liquid vapor above the liquid layer, that is, two protective layers are obtained: liquid and vapor. The incoming liquid hydrogen-containing medium, carried away by the plasma jet, spreads along the inner wall with a very thin layer. Due to evaporation, the thickness of the vapor layer above the liquid grows in the direction of the plasma flow to the area where the liquid evaporates completely. Since the vapor density is many times less than the density of the liquid, the thickness of the vapor layer is greater than the thickness of the liquid layer. Since the thermal conductivity of the vapor is many times less than the thermal conductivity of the liquid, the thermal resistance of the vapor layer is several times higher than the thermal resistance of the liquid layer. Therefore, the vapor layer is the main protective layer of the inner wall of the tube-like element. It should be understood that in the case of using a gaseous hydrogen-containing medium, only a vapor / gas protective layer will be present here.
Пар жидкой водородсодержащей среды и/или газообразная водородсодержащая среда смешиваются с плазменной струей, нагреваются при этом до высоких температур и претерпевают пиролиз с формированием радикалов водорода и с получением высокотемпературного факела вторичного водородсодержащего теплоносителя. The vapor of a liquid hydrogen-containing medium and / or gaseous hydrogen-containing medium is mixed with a plasma jet, heated to high temperatures and undergo pyrolysis with the formation of hydrogen radicals and to obtain a high-temperature plume of a secondary hydrogen-containing coolant.
Таким образом, трубообразный элемент является частью рабочей камеры и средством, ограничивающим в пространстве плазменную струю, воспринимающим тепловой поток от плазменной струи и препятствующим утечкам тепла от плазменной струи, подающим водородсодержащую среду для смешивания с плазмой, а также средством интенсификации массо- и теплообмена водородсодержащей среды и плазмы и средством фокусирования факела вторичного теплоносителя, в том числе, путем возможного профилирования поперечного сечения трубообразного элемента.Thus, the tube-shaped element is a part of the working chamber and a means restricting the plasma jet in space, receiving the heat flux from the plasma jet and preventing heat leakage from the plasma jet, supplying a hydrogen-containing medium for mixing with the plasma, and also a means of intensifying mass and heat transfer of the hydrogen-containing medium and plasma and means of focusing the torch of the secondary coolant, including by possible profiling of the cross section of the tube-like element.
Полученный и направляемый с помощью трубообразного элемента высокотемпературный факел вторичного теплоносителя является чрезвычайно эффективным средством нагрева жидких углеводородов, приводящим к их взрывному вскипанию, являющемуся наиболее интенсивным процессом испарения жидких углеводородов в процессе их крекинга. The high-temperature secondary heat carrier torch obtained and sent using a tube-like element is an extremely effective means of heating liquid hydrocarbons, leading to their explosive boiling, which is the most intense process of evaporation of liquid hydrocarbons during their cracking.
Ввод в реактор указанных жидких углеводородов осуществляют через каналы, выполненные для сообщения рабочей камеры с камерой для непрореагировавших углеводородов, в перегородке, разделяющей камеру для непрореагировавших углеводородов и рабочую камеру. Таким образом, перегородка предоставляет поверхность для растекания жидких углеводородов, так что образуется свободная поверхность жидких углеводородов. The introduction of the specified liquid hydrocarbons into the reactor is carried out through channels made for communication of the working chamber with the chamber for unreacted hydrocarbons in the partition separating the chamber for unreacted hydrocarbons and the working chamber. Thus, the partition provides a surface for the spreading of liquid hydrocarbons, so that a free surface of liquid hydrocarbons is formed.
На эту поверхность жидких углеводородов воздействует описанный выше высокотемпературный факел вторичного теплоносителя. Жидкая фаза углеводородов вследствие сравнительно низкой теплопроводности и высокого теплового потока со стороны факела водородсодержащего теплоносителя в тонком поверхностном слое переходит в перегретое состояние, сопровождающееся периодическим взрывным вскипанием с получением потока парокапельной смеси. Под термином «парокапельная смесь» понимается полученная в результате взрывного вскипания смесь из капель жидкости и пара еще непрореагировавших углеводородов.This surface of liquid hydrocarbons is affected by the high-temperature secondary heat transfer torch described above. The liquid phase of hydrocarbons due to the relatively low thermal conductivity and high heat flux from the side of the plume of the hydrogen-containing coolant in a thin surface layer goes into an overheated state, accompanied by periodic explosive boiling to obtain a vapor-droplet mixture stream. The term "vapor-droplet mixture" means the mixture obtained from explosive boiling from drops of liquid and steam of unreacted hydrocarbons.
Поверхностное взрывное вскипание предотвращает перегрев более глубоких слоев жидкой фазы углеводородов и их коксование. Surface explosive boiling prevents overheating of the deeper layers of the liquid phase of hydrocarbons and their coking.
Большая часть тепловой энергии, потраченной на перегрев жидкости, преобразуется в механическую энергию сжатия и кинетическую энергию движущейся указанной парокапельной смеси. Следствием взрывного вскипания сырья является возникающий при этом импульс давления. Эксперименты показали, что процесс взрывного вскипания жидкости сопровождается характерными незатухающими периодическими колебаниями температуры и давления в реакционной зоне. Физический механизм колебаний температуры можно объяснить осуществляемым за счет парокапельной смеси экранированием теплового потока от факела вторичного водородсодержащего теплоносителя к поверхности жидкого углеводорода, а механизм колебаний давления вниз по потоку – упомянутым выше импульсом давления при взрывном вскипании. Возникающие при взрывном вскипании волны давления ускоряют процесс расщепления длинных молекул углеводородов.Most of the thermal energy spent on overheating of the liquid is converted into mechanical compression energy and kinetic energy of the moving specified vapor-droplet mixture. The consequence of explosive boiling of raw materials is the resulting pressure pulse. The experiments showed that the process of explosive boiling of a liquid is accompanied by characteristic undamped periodic fluctuations in temperature and pressure in the reaction zone. The physical mechanism of temperature fluctuations can be explained by shielding the heat flux from a torch of the secondary hydrogen-containing coolant to the surface of a liquid hydrocarbon due to a vapor-droplet mixture, and the mechanism of pressure fluctuations downstream by the pressure pulse mentioned above during explosive boiling. The pressure waves arising from explosive boiling accelerate the splitting of long hydrocarbon molecules.
После сноса парокапельной смеси углеводородов потоком факела вторичного теплоносителя происходит повторение процесса – место удаленной жидкости занимает новый подслой углеводородов, быстрый нагрев и повторное взрывное вскипание жидкой фазы углеводородов. Процесс повторяется в непрерывном режиме. After the demolition of the vapor-droplet mixture of hydrocarbons by the torch stream of the secondary coolant, the process repeats - the place of the removed liquid is occupied by a new hydrocarbon sublayer, rapid heating and repeated explosive boiling of the liquid phase of hydrocarbons. The process is repeated continuously.
Эффективному сносу образующейся парокапельной смеси из зоны действия факела способствует также указанный трубообразный элемент за счет своего направляющего вторичный теплоноситель действия. Другими словами, трубообразный элемент не только является средством, обеспечивающим получение эффективного теплового и реакционного воздействия на жидкие углеводороды, но и одновременно средством для эффективного удаления полученной парокапельной смеси и тем самым для более быстрого последующего вскипания новой порции жидких углеводородов, то есть средством интенсификации процесса. The effective removal of the resulting vapor-droplet mixture from the torch action zone is also facilitated by the indicated tube-like element due to its directing secondary coolant action. In other words, the tube-shaped element is not only a means of providing an effective thermal and reaction effect on liquid hydrocarbons, but also at the same time a means for efficiently removing the obtained vapor-droplet mixture and thereby for faster subsequent boiling of a new portion of liquid hydrocarbons, i.e., a means of intensifying the process.
Протекающий процесс гидрокрекинга условно можно разделить на следующие стадии: смешение компонентов, реакции крекинга и реакции гидрирования.The proceeding hydrocracking process can conditionally be divided into the following stages: mixing of the components, cracking reaction, and hydrogenation reaction.
Одним из факторов, обусловливающих перемешивание компонентов, является взаимное расположение поверхности жидких углеводородов и потока факела вторичного теплоносителя. В связи с тем, что взрывное вскипание происходит с выбросом парокапельной смеси разрушенного тонкого поверхностного слоя жидких углеводородов по меньшей мере частично в направлении потока теплоносителя, происходит также частичное взаимное проникновение факела водородсодержащего теплоносителя и образованной вследствие взрывного вскипания парокапельной смеси углеводородов.One of the factors causing the mixing of the components is the relative position of the surface of liquid hydrocarbons and the torch stream of the secondary coolant. Due to the fact that explosive boiling occurs with the ejection of a vapor-droplet mixture of the destroyed thin surface layer of liquid hydrocarbons at least partially in the direction of the coolant flow, partial interpenetration of the hydrogen-containing coolant plume and the vapor-droplet mixture of hydrocarbons formed as a result of explosive boiling also occur.
Вторым фактором, способствующим перемешиванию компонентов, является турбулентность, возникающая при взрывном вскипании. The second factor contributing to the mixing of the components is the turbulence that occurs during explosive boiling.
За счет большой разницы в температурах вторичного теплоносителя и поступающей вследствие взрывного вскипания парокапельной смеси углеводородов интенсивность смешения в этой зоне велика. Одновременно в зоне смешения происходит гидрокрекинг уже частично перемешанного сырья с получением газообразных углеводородов в качестве целевых продуктов. Понятно, что для непрерывности процесса фазового перехода требуется постоянный подвод энергии, что осуществляется указанным факелом теплоносителя на поверхность жидких углеводородов при определенных давлении и температуре на этой поверхности, расходе жидких углеводородов и параметрах плазменной струи (плазмообразующая среда, газодинамический напор струи, расстояние от среза сопла, расход плазмообразующей среды, полезная мощность плазмотрона, геометрия плазменной струи и др.). Выбор параметров процесса позволяет настраивать устройство гидрокрекинга на определенное соотношение получаемых продуктов. Распределение процессов получения вторичного водородсодержащего теплоносителя, взрывного вскипания, перемешивания, крекинга и гидрирования по пространству рабочей камеры является основой активного управления процессом гидрокрекинга. Due to the large difference in the temperatures of the secondary coolant and the vapor-droplet mixture of hydrocarbons due to explosive boiling, the mixing intensity in this zone is high. At the same time, hydrocracking of partially mixed raw materials takes place in the mixing zone to produce gaseous hydrocarbons as target products. It is clear that for the continuity of the phase transition process, a constant supply of energy is required, which is carried out by the indicated heat carrier torch onto the surface of liquid hydrocarbons at certain pressure and temperature on this surface, flow rate of liquid hydrocarbons and parameters of the plasma jet (plasma-forming medium, gas-dynamic pressure of the jet, distance from the nozzle exit , the consumption of the plasma-forming medium, the useful power of the plasma torch, the geometry of the plasma jet, etc.). The choice of process parameters allows you to configure the hydrocracking device to a specific ratio of the resulting products. The distribution of processes for obtaining a secondary hydrogen-containing coolant, explosive boiling, mixing, cracking, and hydrogenation over the space of the working chamber is the basis for actively controlling the hydrocracking process.
Скорость протекания реакций крекинга и гидрирования определяется температурой и давлением. При низких температурах скорость реакций относительно невелика и меньше скорости смешения компонентов. Вниз по потоку за счет теплообмена с теплоносителем развивается более высокая температура. Здесь уже реакции крекинга и гидрирования протекают с высокой скоростью, при этом скорость процесса определяется скоростью смешения.The rate of cracking and hydrogenation reactions is determined by temperature and pressure. At low temperatures, the reaction rate is relatively low and less than the mixing rate of the components. Downstream due to heat exchange with a coolant, a higher temperature develops. Here, cracking and hydrogenation reactions proceed at a high speed, and the process speed is determined by the mixing rate.
Для достижения эффективности и высокой производительности процесса гидрокрекинга в изобретении предусмотрено выполненное по типу газодинамического сопла сужение, в которое направляется сносимый факелом вторичного теплоносителя поток парокапельной смеси и в котором осуществляется перемешивание компонентов смеси с получением реагирующей парогазовой смеси, причем в указанном газодинамическом сопле происходит увеличение степени перемешивания по мере приближения к выходу газодинамического сопла.In order to achieve efficiency and high productivity of the hydrocracking process, the invention provides for a constriction made as a gas-dynamic nozzle, into which a vapor-droplet mixture stream carried by the secondary heat carrier torch is directed and in which the mixture components are mixed to produce a reactive gas-vapor mixture, and the degree of mixing is increased in said gas-dynamic nozzle as you approach the exit of the gas-dynamic nozzle.
Таким образом, основное назначение соответствующего изобретению газодинамического сопла – это создание режима эффективного смешивания (перемешивания) компонентов парокапельной смеси углеводородов с компонентами факела вторичного теплоносителя с получением реагирующей парогазовой смеси.Thus, the main purpose of the gas-dynamic nozzle according to the invention is to create a regime of effective mixing (mixing) of the components of a vapor-droplet mixture of hydrocarbons with the torch components of a secondary coolant to produce a reactive gas-vapor mixture.
Достигается это тем, что сечение по длине газодинамического сопла изменяется путем сужения вплоть до пережима сопла. При этом до пережима предпочтительно реализуется по существу турбулентный режим течения с ускорением потока, а за пережимом имеет место течение, сопровождающееся торможением потока вследствие его расширения. Сужение создает отрицательный градиент давления (ускоряющийся поток), расширение за пережимом создает положительный градиент давления (замедляющийся поток). Оба эффекта интенсифицируют турбулентность в потоке, обеспечивают высокую скорость смешения и, следовательно, скорость протекания реакций гидрокрекинга, то есть влияют на саму реакцию крекинга и гидрирования углеводородов, и по крайней мере частично влияют на состав получаемых продуктов гидрокрекинга. Это в свою очередь уменьшает время превращения сырья (исходных углеводородов) и, соответственно, время пребывания в рабочей камере сырья и продуктов гидрокрекинга, повышает производительность устройства и уменьшает его размеры, в частности, размеры реактора.This is achieved by the fact that the cross section along the length of the gas-dynamic nozzle changes by narrowing down to the pinch of the nozzle. In this case, prior to clamping, a substantially turbulent flow regime with acceleration of the flow is preferably realized, and behind the clamping there is a flow accompanied by deceleration of the flow due to its expansion. The constriction creates a negative pressure gradient (accelerating flow), the expansion behind the pinch creates a positive pressure gradient (slowing flow). Both effects intensify turbulence in the flow, provide a high mixing rate and, consequently, the rate of hydrocracking reactions, that is, affect the cracking and hydrogenation of hydrocarbons themselves, and at least partially affect the composition of the resulting hydrocracking products. This, in turn, reduces the conversion time of the feedstock (feed hydrocarbons) and, accordingly, the residence time of the feedstock and hydrocracking products in the working chamber, increases the productivity of the device and reduces its size, in particular, the dimensions of the reactor.
Расширение и затормаживание вышедшего из газодинамического сопла потока прореагировавшей смеси приводит к завершению в нем реакций гидрокрекинга и тем самым к фиксации состава продуктов гидрокрекинга (так называемая «закалка») в виде газообразных углеводородов, причем завершение реакции происходит главным образом на начальном этапе торможения за счет резкого увеличения турбулентности потока. Под «газообразными углеводородами» в данном описании понимается смесь конденсируемых и неконденсируемых продуктов гидрокрекинга при температуре на выходе из реактора.The expansion and braking of the stream of the reacted mixture emerging from the gas-dynamic nozzle leads to the completion of hydrocracking reactions in it and thereby fixation of the composition of hydrocracking products (the so-called "quenching") in the form of gaseous hydrocarbons, and the completion of the reaction occurs mainly at the initial stage of braking due to a sharp increase flow turbulence. Under the "gaseous hydrocarbons" in this description refers to a mixture of condensable and non-condensable hydrocracking products at a temperature at the outlet of the reactor.
Для создания потока плазмы в рамках изобретения можно использовать любой тип генератора низкотемпературной плазмы, позволяющий получить струю плазмы, например, электродуговой генератор плазмы постоянного или переменного тока, ВЧ генератор, СВЧ генератор и/или их комбинации.To create a plasma flow, any type of low-temperature plasma generator can be used within the framework of the invention, which makes it possible to obtain a plasma jet, for example, an electric arc generator of direct or alternating current plasma, an RF generator, a microwave generator, and / or combinations thereof.
В качестве плазмообразующей среды могут быть использованы различные газы, например, воздух, азот, водород, газообразные углеводороды, инертные газы, смеси газов, например, смесь оксида углерода и водорода известная под названием синтез-газа, а также водяной пар. Однако, использование водяного пара в качестве плазмообразующей среды для получения плазменной струи в заявленном изобретении является предпочтительным, поскольку пароводяная плазменная струя имеет следующие особенности:As the plasma-forming medium, various gases can be used, for example, air, nitrogen, hydrogen, gaseous hydrocarbons, inert gases, gas mixtures, for example, a mixture of carbon monoxide and hydrogen known as synthesis gas, as well as water vapor. However, the use of water vapor as a plasma-forming medium for producing a plasma jet in the claimed invention is preferred, since the steam-water plasma jet has the following features:
- пароводяная плазма содержит многокомпонентную смесь химически, каталитически, электрически активных частиц, включающую кислород, водород, гидроксильные группы, кластеры молекул воды в молекулярном, атомарном и ионизированном состоянии;- steam-water plasma contains a multicomponent mixture of chemically, catalytically, electrically active particles, including oxygen, hydrogen, hydroxyl groups, clusters of water molecules in a molecular, atomic and ionized state;
- в плазмотроне с паровихревой стабилизацией электрической дуги имеет место сепарация компонентов плазмы, а именно, по оси плазмотрона и вблизи нее сконцентрирован водород, и электрическая дуга по свойствам является преимущественно горящей в водороде; более тяжелые молекулы кислорода собираются на периферии дугового канала; промежуточное положение занимают гидроксильные группы; непосредственно на периферии вблизи стенок дуговой камеры присутствует перегретый пар воды в виде кластеров (ассоциатов) молекул воды; то есть пароводяная плазма является носителем активного водорода, необходимого для реакции гидрирования;- in the plasma torch with vapor-vortex stabilization of the electric arc there is a separation of plasma components, namely, hydrogen is concentrated along the axis of the plasma torch and near it, and by its properties the electric arc is mainly burning in hydrogen; heavier oxygen molecules are collected at the periphery of the arc channel; the intermediate position is occupied by hydroxyl groups; directly at the periphery near the walls of the arc chamber there is superheated water vapor in the form of clusters (associates) of water molecules; that is, steam-water plasma is a carrier of the active hydrogen necessary for the hydrogenation reaction;
- в пароводяной плазменной струе, истекающей из сопла плазмотрона, в связи с затуханием вихревой закрутки и теплообменом с окружающей средой имеет место уменьшение среднемассовой температуры вдоль струи, частичная рекомбинация компонентов плазмы, вынос и рассеяние в окружающем пространстве многокомпонентного факела активных частиц, нисходящего из плазменной струи; - in the steam-water plasma jet flowing from the nozzle of the plasma torch, due to the decay of the vortex swirl and heat exchange with the environment, there is a decrease in the mass-average temperature along the jet, partial recombination of the plasma components, removal and scattering in the surrounding space of a multicomponent plume of active particles descending from the plasma jet ;
- пароводяная плазменная струя окружена шубой перегретого водяного пара, который в факеле, нисходящем из плазменной струи, присутствует в виде кластеров – больших групп молекул воды, несущих значительный электрический заряд, выносимый из плазменной струи;- the steam-water plasma jet is surrounded by a coat of superheated water vapor, which in the plume descending from the plasma jet is present in the form of clusters - large groups of water molecules that carry a significant electric charge carried from the plasma jet;
- пароводяная плазменная струя является мощным источником ультрафиолетового излучения, которое является активатором крекинга углеводородного сырья. - steam-water plasma jet is a powerful source of ultraviolet radiation, which is an activator of cracking of hydrocarbon feedstocks.
Как уже отмечалось, в качестве водородсодержащей среды может быть использована жидкая или газообразная среда, или их сочетание. В качестве жидкой водородсодержащей среды используют воду, легкие углеводороды, кислородсодержащие соединения углеводородов, а в качестве газообразной водородсодержащей среды используют водяной пар, газообразные углеводороды. As already noted, a liquid or gaseous medium, or a combination thereof, can be used as a hydrogen-containing medium. Water, light hydrocarbons, oxygen-containing compounds of hydrocarbons are used as a liquid hydrogen-containing medium, and water vapor, gaseous hydrocarbons are used as a gaseous hydrogen-containing medium.
Предпочтительным оказалось использование воды/водяного пара в качестве водородсодержащей среды, поскольку входящий в ее состав кислород участвует в реакции окисления с компонентами реагирующей парогазовой смеси, которая происходит с выделением тепла, вследствие чего мощность плазмотрона может быть выбрана более низкой.It turned out to be preferable to use water / water vapor as a hydrogen-containing medium, since the oxygen in its composition participates in the oxidation reaction with the components of the reacting gas-vapor mixture, which occurs with the release of heat, as a result of which the plasma torch power can be chosen lower.
При этом может быть предусмотрено, что подача водородсодержащей среды происходит только через щелевое пространство трубообразного элемента. Альтернативно, возможна подача водородсодержащей среды в зону смешения рабочей камеры как через щелевое пространство трубообразного элемента, так непосредственно в зону смешения. В частности, может быть предпочтительной подача жидкой водородсодержащей среды через щелевое пространство трубообразного элемента, а газообразной водородсодержащей среды непосредственно в зону смешения через расположенный, например, рядом с соплом плазмотрона ввод. In this case, it can be provided that the supply of a hydrogen-containing medium occurs only through the slotted space of the tube-shaped element. Alternatively, it is possible to supply a hydrogen-containing medium to the mixing zone of the working chamber both through the slotted space of the tube-shaped element, so directly into the mixing zone. In particular, it may be preferable to supply a liquid hydrogen-containing medium through the slit space of the tube-like element, and a gaseous hydrogen-containing medium directly into the mixing zone through an input located, for example, adjacent to the plasma torch nozzle.
В рамках изобретения жидкие углеводороды подают противотоком к факелу водородсодержащего теплоносителя таким образом, что свободная поверхность жидкой фазы углеводородов относительно оси факела водородсодержащего теплоносителя расположена под углом 0…90°. Это может быть реализовано за счет того, что плазмотрон располагается вертикально или под некоторым углом к горизонтали. In the framework of the invention, liquid hydrocarbons are supplied countercurrently to the flame of the hydrogen-containing coolant in such a way that the free surface of the liquid phase of hydrocarbons relative to the axis of the flame of the hydrogen-containing coolant is at an angle of 0 ... 90 °. This can be realized due to the fact that the plasma torch is located vertically or at some angle to the horizontal.
В соответствии с изобретением, использование газодинамического сопла для отвода реагирующей парогазовой смеси в сочетании с пространственным положением трубообразного элемента позволяет выполнить устройство в горизонтальном, наклонном или вертикальном исполнении, использовать различные виды сопел (кольцевое газодинамическое сопло с центральным телом, плоское щелевое сопло, трубчатое или коническое осесимметричное сопло и др.). Выбор вида газодинамического сопла определяется в зависимости от компоновки устройства. In accordance with the invention, the use of a gas-dynamic nozzle for discharging a reactive gas-vapor mixture in combination with the spatial position of the tube-like element allows the device to be made in horizontal, inclined or vertical designs, using various types of nozzles (annular gas-dynamic nozzle with a central body, flat slot nozzle, tubular or conical axisymmetric nozzle, etc.). The choice of the type of gas-dynamic nozzle is determined depending on the layout of the device.
В рамках изобретения может быть предусмотрено, что трубообразный элемент выполнен в виде отдельной части, которая устанавливается в плазмотроне. Альтернативно, трубообразный элемент может быть выполнен за одно целое с корпусом реактора. Также может быть предусмотрено, что трубообразный элемента расположен на расстоянии окружной стенки корпуса реактора или может своей наружной окружной стенкой или внутренней окружной стенкой образовывать часть корпуса реактора/его окружной стенки.In the framework of the invention, it may be provided that the tube-shaped element is made in the form of a separate part, which is installed in the plasma torch. Alternatively, the tube-like element may be integrally formed with the reactor vessel. It may also be provided that the tube-like element is located at a distance of the circumferential wall of the reactor vessel or, with its outer circumferential wall or inner circumferential wall, can form part of the reactor vessel / its circumferential wall.
В рамках изобретения может быть предусмотрено выполнение перегородки в виде чаши, конусообразного тела, плоской пластины, изогнутой пластины. Выбор формы перегородки может быть обусловлен желаемой формой газодинамического сопла и необходимыми условиями испарения жидких углеводородов и их протекания в сопле и/или направления к нему. Within the framework of the invention, a partition may be provided in the form of a bowl, conical body, flat plate, curved plate. The choice of the shape of the septum may be due to the desired shape of the gas-dynamic nozzle and the necessary conditions for the evaporation of liquid hydrocarbons and their flow in the nozzle and / or direction to it.
Также в рамках изобретения предусмотрено, перегородка может полностью образовывать газодинамическое сопло, то есть сопло выполнено в виде внутреннего канала (предпочтительно, но необязательно, для случая относительно массивной перегородки) или отверстия (предпочтительно, но необязательно, для случая относительно тонкой или тонкостенной перегородки). Альтернативно, перегородка может образовывать газодинамическое сопло лишь частично, а другая часть образуется трубообразным элементом и/или расположенными внутри реактора дополнительными элементам, например, дополнительными внутренними стенками реактора. Таким образом, газодинамическое сопло, как уже частично указывалось выше, может быть в форме кольцевое газодинамическое сопла с центральным телом, плоского щелевого сопла, трубчатого или конического осесимметричного сопла и др.It is also envisaged within the framework of the invention that the baffle can completely form a gas-dynamic nozzle, i.e. the nozzle is made in the form of an internal channel (preferably, but not necessarily, for the case of a relatively massive partition) or a hole (preferably, but not necessarily, for the case of a relatively thin or thin-walled partition). Alternatively, the baffle can form a gas-dynamic nozzle only partially, and the other part is formed by a tube-shaped element and / or additional elements located inside the reactor, for example, additional internal walls of the reactor. Thus, the gas-dynamic nozzle, as already partially indicated above, can be in the form of an annular gas-dynamic nozzle with a central body, a flat slotted nozzle, a tubular or conical axisymmetric nozzle, etc.
Соответствующее изобретению устройство может в виде опции содержать сепаратор, который служит для разделения полученных горячих газообразных углеводородов посредством конденсации. Для этого указанный сепаратор сообщается с предусмотренным отводом для отвода газообразных углеводородов из реактора. Сепарация может осуществляться с принудительным охлаждением или без него. Подобный сепаратор позволяет возвращать часть полученных углеводородов обратно в процесс в виде водородсодержащей среды или в виде жидких углеводородов. Это способствует непрерывности процесса и поддержки необходимых условий процесса, в частности, возвращаемые углеводороды уже имеют повышенную температуру, так как не требуется их предварительный нагрев и отсутствует их возможно излишнее охлаждающее влияние на процесс. Кроме того, сепаратор может предотвращать нежелательный отвод еще слишком тяжелых фракций углеводородов вместе с уже удовлетворяющими требованиям легкими углеводородами. The device according to the invention may optionally comprise a separator which serves to separate the obtained hot gaseous hydrocarbons by condensation. To do this, the specified separator communicates with the provided outlet for the removal of gaseous hydrocarbons from the reactor. Separation can be carried out with or without forced cooling. Such a separator allows you to return part of the obtained hydrocarbons back to the process in the form of a hydrogen-containing medium or in the form of liquid hydrocarbons. This contributes to the continuity of the process and the support of the necessary process conditions, in particular, the returned hydrocarbons already have an elevated temperature, since their preliminary heating is not required and there is no possible excessive cooling effect on the process. In addition, the separator can prevent the unwanted removal of excessively heavy hydrocarbon fractions along with light hydrocarbons already satisfying the requirements.
В рамках изобретения также может быть предусмотрено наличие дополнительного подвода для подвода водородсодержащей среды в зону смешения рабочей камеры реактора. Этот подвод может быть пригоден для ввода водородсодержащей среды непосредственно в зону смешения или через трубообразный элемент. Непосредственный подвод в зону смешения может быть особенно предпочтительным, если в качестве водородсодержащей среды используются возвращаемые из подключенного после реактора сепаратора углеводороды, поскольку эти углеводороды уже являются достаточно нагретыми (особенно, в случае произведенной сепарации без принудительного охлаждения) и их подвод через трубообразный элемент может не оказать желаемого охлаждения для трубообразного элемента. Within the framework of the invention, an additional supply for supplying a hydrogen-containing medium to the mixing zone of the working chamber of the reactor can also be provided. This inlet may be suitable for introducing a hydrogen-containing medium directly into the mixing zone or through a tube-shaped element. Direct supply to the mixing zone can be especially preferred if hydrocarbons returned from the separator connected after the reactor are used as the hydrogen-containing medium, since these hydrocarbons are already sufficiently heated (especially in the case of separation without forced cooling) and their supply through the tube-shaped element may not provide the desired cooling for the tubular element.
Для регулирования рабочего процесса в заявленном изобретении может быть предусмотрено регулирование за счет изменения начальной температуры (подогрев) сырья; изменения времени пребывания сырья в реакторе; изменения мощности генератора плазмы, расхода водородсодержащей жидкости и водородсодержащего газа, давления в реакторе, уровня сырья в реакторе и т.п. Указанное регулирование может быть осуществлено известными для специалиста средствами. To regulate the working process in the claimed invention may be provided for regulation by changing the initial temperature (heating) of the raw material; changes in the residence time of raw materials in the reactor; changes in the power of the plasma generator, the flow rate of a hydrogen-containing liquid and a hydrogen-containing gas, pressure in the reactor, the level of raw materials in the reactor, etc. The specified regulation can be carried out by means known to the specialist.
Для осуществления контроля за рабочим процессом в изобретении могут использоваться различные датчики, в частности, датчик уровня сырья в реакторе; датчик расхода сырья; датчик температуры сырья на входе в реактор, датчик температуры сырья в реакционной зоне устройства; датчик температуры отходящих газообразных углеводородов; датчик давления в реакторе.To monitor the working process in the invention, various sensors can be used, in particular, a sensor for the level of raw materials in the reactor; raw material flow sensor; temperature sensor of raw materials at the inlet to the reactor, temperature sensor of raw materials in the reaction zone of the device; exhaust gas temperature sensor; pressure sensor in the reactor.
В рамках изобретения может быть предусмотрено, что толщина или максимальная толщина растекающегося по перегородке слоя жидких углеводородов задается геометрической формой перегородки, например, вогнутой, выгнутой или плоской формой, или уровнем расположения отвода непрореагировавших жидких углеводородов. In the framework of the invention, it can be provided that the thickness or maximum thickness of the liquid hydrocarbon layer spreading over the septum is determined by the geometrical shape of the septum, for example, concave, curved or flat, or by the level of the location of the outlet of unreacted liquid hydrocarbons.
В рамках изобретения, позиционирование генератора плазмы в торце трубообразного элемента в сочетании с мощностью генератора плазмы, вкладываемой в плазменную струю, позволяет регулировать температуру и газодинамический напор плазменной струи и факела вторичного водородсодержащего теплоносителя на срезе открытого (обращенного к подлежащим обработке жидким углеводородам) конца трубообразного элемента.In the framework of the invention, the positioning of the plasma generator at the end of the tube-shaped element in combination with the power of the plasma generator deposited in the plasma jet makes it possible to control the temperature and gas-dynamic pressure of the plasma jet and the torch of the secondary hydrogen-containing coolant on the section of the open end of the tube-shaped element (facing the liquid hydrocarbons to be processed) .
Позиционирование трубообразного элемента, окружающего плазменную струю, относительно поверхности жидкого углеводородного сырья позволяет создавать реакторы различной пространственной ориентации и конфигурации. Позиция трубообразного элемента относительно перегородки и тем самым относительно поверхности жидких углеводородов может быть постоянно заданной или может быть изменяемой в зависимости от необходимых параметров процесса. The positioning of the tube-shaped element surrounding the plasma jet relative to the surface of the liquid hydrocarbon feedstock allows the creation of reactors of various spatial orientations and configurations. The position of the tube-shaped element relative to the septum and thereby relative to the surface of liquid hydrocarbons can be constantly set or can be changed depending on the necessary process parameters.
Поставленная задача также решается способом плазмохимического гидрокрекинга, который осуществляется с помощью описанного выше устройства и характеризуется следующими этапами:The problem is also solved by the method of plasma chemical hydrocracking, which is carried out using the device described above and is characterized by the following steps:
Создание потока плазмы,Creating a plasma flow,
Ввод водородсодержащей среды в поток плазмы и их реакция с получением вторичного водородсодержащего теплоносителя,Entering a hydrogen-containing medium into the plasma stream and their reaction to obtain a secondary hydrogen-containing coolant,
Ввод в реактор жидких углеводородов,Injecting liquid hydrocarbons into the reactor,
Воздействие вторичного водородсодержащего теплоносителя на слой жидких углеводородов для перегрева и взрывного вскипания и на полученную в результате взрывного вскипания парокапельную смесь с получением реагирующей парогазовой смеси из парокапельной смеси углеводородов и компонентов вторичного водородсодержащего теплоносителя, The effect of the secondary hydrogen-containing coolant on the layer of liquid hydrocarbons for overheating and explosive boiling and on the vapor-droplet mixture resulting from explosive boiling to obtain a reacting vapor-gas mixture from a vapor-droplet mixture of hydrocarbons and components of the secondary hydrogen-containing coolant,
Направление потока указанной реагирующей парогазовой смеси в выполненное по типу газодинамического сопла сужение и перемешивание компонентов смеси в указанном газодинамическом сопле с увеличением степени перемешивания по мере приближения к выходу газодинамического сопла и получением газообразных углеводородов,The direction of flow of the indicated reactive vapor-gas mixture to the constriction and mixing of the mixture components in the specified gas-dynamic nozzle as a gas-dynamic nozzle with an increase in the degree of mixing as it approaches the exit of the gas-dynamic nozzle and the production of gaseous hydrocarbons,
Выпуск газообразных углеводородов из газодинамического сопла и тем самым их расширение, и затем The release of gaseous hydrocarbons from the gas-dynamic nozzle and thereby their expansion, and then
Отвод газообразных углеводородов из реактора.The removal of gaseous hydrocarbons from the reactor.
Данному способу в равной степени свойственны все преимущества, указанные выше для устройства плазмохимического гидрокрекинга.This method is equally characteristic of all the advantages indicated above for the plasma chemical hydrocracking device.
Согласно изобретению, возможно направлять реагирующую парогазовую смесь в сужении сопла с различной скоростью, причем максимально возможная скорость потока реагирующей парогазовой смеси равна скорости звука. Конкретная скорость и ее настройка определяется химическим составом реагирующей парогазовой смеси и ее температурой. Таким образом, рабочая камера реактора может быть настроена как на режим, когда звуковая скорость потока в сопле не достигается, и на режим, когда в сопле достигается скорость звука. Изменяя мощность генератора плазмы и соответственно интенсивность процесса перевода жидкого углеводорода в реагирующую парогазовую смесь реализуется широкий диапазон изменения перепадов давления на сопле. Это дает возможность настраивать работу устройства во многих режимах и управлять составом продуктов гидрокрекинга.According to the invention, it is possible to direct the reacting vapor-gas mixture in the nozzle narrowing at different speeds, the maximum possible flow rate of the reacting vapor-gas mixture being equal to the speed of sound. The specific speed and its setting is determined by the chemical composition of the reacting vapor-gas mixture and its temperature. Thus, the working chamber of the reactor can be configured both to the mode when the sound velocity of the flow in the nozzle is not reached, and to the mode when the speed of sound is reached in the nozzle. By changing the power of the plasma generator and, accordingly, the intensity of the process of converting a liquid hydrocarbon into a reacting gas-vapor mixture, a wide range of changes in the pressure drops across the nozzle is realized. This makes it possible to configure the operation of the device in many modes and control the composition of hydrocracking products.
Образующиеся продукты гидрокрекинга в виде газообразных углеводородов, как уже отмечалось, содержат конденсируемую фазу (конденсируемые продукты) и неконденсируемые углеводородные газы (неконденсируемые продукты). Поэтому, предпочтительно в способе может быть предусмотрен этап отделения конденсируемой фазы от углеводородных газов. Как конденсируемые, так и неконденсированные продукты (легкие углеводороды) могут являться целевыми продуктами гидрокрекинга и соответствующим образом отводиться. The resulting hydrocracking products in the form of gaseous hydrocarbons, as already noted, contain a condensable phase (condensable products) and non-condensable hydrocarbon gases (non-condensable products). Therefore, preferably, the method may include the step of separating the condensed phase from hydrocarbon gases. Both condensable and non-condensed products (light hydrocarbons) can be targeted hydrocracking products and be discharged accordingly.
Предпочтительно также может быть предусмотрено, что по меньшей мере часть газообразных углеводородов может быть возвращена обратно в процесс. Так, часть газообразных углеводородов может в виде газообразной водородсодержащей среды подаваться обратно в полость трубообразного элемента, то есть в зону смешения рабочей камеры заявленного устройства. В случае использования сепаратора для разделения газообразных углеводородов на конденсируемые и неконденсируемые продукты, по меньшей мере часть, неконденсируемых продуктов может возвращаться в процесс в виде газообразной водородсодержащей среды, а по меньшей мере часть конденсируемых продуктов может возвращаться в процесс в виде жидкой водородсодержащей среды и/или часть конденсируемых продуктов - в виде жидких углеводородов (сырье). Подача конденсируемых продуктов обратно в процесс в качестве жидких углеводородов предпочтительна в случае первоначального получения и выделения в сепараторе относительно тяжелых углеводородов, которые требуют дополнительной переработки в более легкие углеводороды. Preferably, it can also be provided that at least a portion of the gaseous hydrocarbons can be returned back to the process. Thus, part of the gaseous hydrocarbons can be fed back into the cavity of the tube-shaped element, i.e., into the mixing zone of the working chamber of the claimed device, in the form of a gaseous hydrogen-containing medium. In the case of using a separator for separating gaseous hydrocarbons into condensable and non-condensable products, at least part of the non-condensable products may be returned to the process in the form of a gaseous hydrogen-containing medium, and at least part of the condensed products may be returned to the process in the form of a liquid hydrogen-containing medium and / or part of the condensed products is in the form of liquid hydrocarbons (raw materials). The supply of condensed products back to the process as liquid hydrocarbons is preferable in the case of initial production and separation in the separator of relatively heavy hydrocarbons, which require additional processing into lighter hydrocarbons.
Для повышения эффективности процесса гидрокрекинга предпочтительно может быть предусмотрен предварительный нагрев углеводородного сырья в качестве предварительного этапа заявленного способа. При этом исходят из установленного факта, что чем ближе температура жидких углеводородов, подаваемых в реактор, к температуре поверхности жидкости при взрывном вскипании, тем больше массоотдача жидкости (плотность потока массы вещества жидкости). Например, для мазута, в интервале температур от +25 °С до 400 °С зависимость давления насыщенных паров от температуры имеет экспоненциальный характер и отличается большим градиентом начиная с 250-280 °С, вследствие чего предпочтительно сырье подавать в реактор с температурой 280-300 °С, в то время как сам процесс гидрокрекинга ведут при температуре в тонком приповерхностном слое жидкой фазы сырья в зоне испарения предпочтительно от 430 до 570 °С. To increase the efficiency of the hydrocracking process, preheating of the hydrocarbon feed may preferably be provided as a preliminary step of the inventive process. At the same time, one proceeds from the established fact that the closer the temperature of the liquid hydrocarbons supplied to the reactor is to the surface temperature of the liquid during explosive boiling, the greater the mass transfer of the liquid (mass flux density of the liquid substance). For example, for fuel oil, in the temperature range from +25 ° С to 400 ° С, the dependence of the saturated vapor pressure on temperature is exponential and has a large gradient starting from 250-280 ° С, as a result of which it is preferable to feed the raw materials to a reactor with a temperature of 280-300 ° C, while the hydrocracking process itself is carried out at a temperature in a thin surface layer of the liquid phase of the feed in the evaporation zone, preferably from 430 to 570 ° C.
Также поставленная задача решается с помощью установки для осуществления плазмохимического гидрокрекинга, которая включает в себя по меньшей мере одно описанное выше устройство для плазмохимического гидрокрекинга. Also, the problem is solved using the installation for the implementation of plasmachemical hydrocracking, which includes at least one of the above-described device for plasmachemical hydrocracking.
Данная установка имеет преимущества, которые выше были рассмотрены при описании заявленного устройства и способа. This installation has the advantages that were discussed above when describing the claimed device and method.
Установка может включать устройство или устройства для подачи газообразной и/или жидкой водородсодержащей среды, которая подается в зону смешения реактора и используется в качестве донора водорода, устройство для подачи жидких углеводородов в реактор, устройство для вывода из реактора непрореагировавшей углеводородов. The installation may include a device or devices for supplying a gaseous and / or liquid hydrogen-containing medium, which is fed into the mixing zone of the reactor and used as a hydrogen donor, a device for supplying liquid hydrocarbons to the reactor, and a device for withdrawing unreacted hydrocarbons from the reactor.
Предпочтительно, заявленная установка также может включать в себя устройство для предварительного подогрева жидких углеводородов перед их подачей в реактор. Preferably, the inventive installation may also include a device for preheating liquid hydrocarbons before they are fed to the reactor.
Также установка в виде опции может включать в себя устройство для хранения и подачи в реактор дополнительной водородсодержащей среды, например, газообразной водородсодержащей среды, которая подается непосредственно в зону смешения рабочей камеры заявленного устройства. Also, the installation as an option may include a device for storing and feeding into the reactor an additional hydrogen-containing medium, for example, a gaseous hydrogen-containing medium, which is supplied directly to the mixing zone of the working chamber of the claimed device.
Предпочтительным образом, установка может включать в себя устройство для разделения конденсируемых и неконденсируемых продуктов гидрокрекинга, которые содержатся в выходящей из реактора смеси газообразных углеводородов. Preferably, the apparatus may include a device for separating condensable and non-condensable hydrocracking products contained in a mixture of gaseous hydrocarbons leaving the reactor.
Также заявленная установка может включать в себя различные средства контроля и регулирования/управления процессом, например, датчики давления в реакторе, датчики температуры в реакторе, датчики уровня жидких углеводородов в реакторе и т.п. Also, the inventive installation may include various means of monitoring and control / process control, for example, pressure sensors in the reactor, temperature sensors in the reactor, liquid hydrocarbon level sensors in the reactor, etc.
Далее, заявленное изобретение поясняется на примерах осуществления с помощью чертежей, на которых показано:Further, the claimed invention is illustrated by examples of implementation using the drawings, which show:
Фиг.1 один вариант осуществления устройства для плазмохимического гидрокрекинга на виде в разрезе; Figure 1 is one embodiment of a device for plasmachemical hydrocracking in a sectional view;
Фиг.2 устройство для плазмохимического гидрокрекинга с фиг.1 на виде в перспективе;Figure 2 a device for plasmachemical hydrocracking with figure 1 in perspective view;
Фиг.3 другой вариант осуществления устройства для плазмохимического гидрокрекинга на виде в разрезе;Figure 3 is another embodiment of a device for plasmachemical hydrocracking in a sectional view;
Фиг.4 устройство для плазмохимического гидрокрекинга с фиг.3 на виде в перспективе;Figure 4 is a device for plasmachemical hydrocracking with figure 3 in perspective view;
Фиг.5 установка для плазмохимического гидрокрекинга, включающая в себя соответствующее изобретению устройство для плазмохимического гидрокрекинга;5 installation for plasmachemical hydrocracking, including a device for plasmachemical hydrocracking according to the invention;
Фиг.6 принципиальная схема установки для плазмохимического гидрокрекинга.6 is a schematic diagram of an apparatus for plasmachemical hydrocracking.
На фиг.1 и 2 представлен один вариант осуществления соответствующего изобретению устройства для плазмохимического гидрокрекинга в вертикальном исполнении. В качестве основных компонентов устройство для плазмохимического гидрокрекинга содержит реактор 1, плазмотрон 2, трубообразный элемент 3 и перегородку 4 реактора.Figures 1 and 2 show one embodiment of a vertical embodiment of a plasma chemical hydrocracking device according to the invention. As the main components of the device for plasmachemical hydrocracking comprises a reactor 1, a
Реактор 1 имеет или представляет собой корпус, состоящий из боковой стенки 5 и торцевых стенок 6, 7, а именно верхней и нижней торцевых стенок. Боковая стенка 5 является замкнутой по периметру и может иметь любую форму, но предпочтительно является цилиндрической. Боковая стенка 5 и торцевые стенки 6, 7 соединены друг с другом и образуют замкнутое внутреннее пространство реактора. The reactor 1 has or is a housing consisting of a
В торцевой стенке 7 реактора 1 расположен подвод 8 для подвода подлежащих обработке жидких углеводородов. Альтернативно или дополнительно подвод 8 может быть установлен в боковой стенке 5 реактора. An
В боковой стенке 5 реактора расположен отвод 9 для отвода непрореагировавших жидких углеводородов, а также отвод 10 для отвода полученных в результате обработки газообразных углеводородов. Дополнительно или альтернативно отвод 9 также может быть расположен в торцевой стенке 7 реактора, а отвод 10 может быть расположен в торцевой стенке 6 реактора. Пропускная способность указанных отводов 9, 10 может быть нерегулируемой или регулируемой за счет использования известных специалистам традиционных средств регулирования, например, за счет клапанов. In
Реактор 1 также имеет перегородку 4, которая расположена внутри реактора и разделяет его внутреннее пространство на нижнюю и верхнюю области. The reactor 1 also has a baffle 4, which is located inside the reactor and divides its inner space into lower and upper regions.
Указанная нижняя область реактора образует камеру 11 для непрореагировавших жидких углеводородов, которая заполняется жидкими углеводородами через подвод 8, а излишки жидких углеводородов отводятся посредством указанного отвода 9. The specified lower region of the reactor forms a
Верхняя область реактора включает в себя рабочую камеру 12 реактора, в которой происходит формирование факела вторичного теплоносителя и обработка жидких углеводородов и их преобразование в более легкие газообразные фракции углеводородов, и камеру 13 для прореагировавших углеводородов, которая связана с рабочей камерой 12 и которая принимает выходящие из рабочей камеры 12 газообразные углеводороды. Далее это еще будет пояснено подробнее. The upper region of the reactor includes a working
Перегородка 4 в данном случае выполнена по существу в виде открытой вверх чаши, которая образует приемное пространство для приема подлежащего обработке заданного объема непрореагировавших жидких углеводородов, который в виде слоя растекается по обращенной вверх поверхности перегородки/чаши. Для этого перегородка 4 имеет сквозные каналы 14, по которым жидкие углеводороды проходят из расположенной под перегородкой 4 камеры 11 для непрореагировавших углеводородов в указанное приемное пространство перегородки. The partition 4 in this case is made essentially in the form of an upwardly open bowl, which forms a receiving space for receiving a predetermined volume of unreacted liquid hydrocarbons to be treated, which spreads as a layer on the upwardly facing surface of the partition / bowl. For this, the partition 4 has through
Форма перегородки может отличаться от показанной на фиг.1 формы. Например, перегородка может представлять собой плоскую пластину, плиту с углублением, пластину с отогнутым по периметру краем, плоский диск и т.п. The shape of the septum may differ from that shown in FIG. 1. For example, the partition may be a flat plate, a plate with a recess, a plate with an edge bent around the perimeter, a flat disk, etc.
Отвод 10 для отвода газообразных углеводородов, полученных после обработки в рабочей камере 12, расположен предпочтительно выше перегородки 4.The
Далее, в показанном варианте осуществления в торцевой стенке 6 реактора установлен трубообразный элемент 3, нижний конец которого расположен во внутреннем пространстве реактора 1, а верхний конец которого соединен с плазмотроном 2. Очевидно, что возможны и другие схемы установки плазмотрона и трубообразного элемента. Например, плазмотрон может быть закреплен на верхней торцевой стенке реактора, а трубообразный элемент может быть закреплен на плазмотроне. Хотя на фиг.1 и 2 показано, что плазмотрон и трубообразный элемент расположены строго вертикально, должно быть понятно, что возможно и определенное наклонное расположение плазмотрона и/или трубообразного элемента. Further, in the shown embodiment, a tube-shaped element 3 is installed in the
В качестве плазмотрона можно использовать, например, электродуговой плазмотрон, СВЧ плазмотрон, индукционный плазмотрон и т.п. При этом плазмотрон производит плазменную струю со среднемассовой температурой до 3000-6000 К. В качестве плазмообразующей среды используют воздух, инертные газы, газообразные углеводороды, но предпочтительно водяной пар. As a plasma torch, for example, an electric arc plasmatron, a microwave plasmatron, an induction plasmatron, and the like can be used. In this case, the plasma torch produces a plasma jet with a mass-average temperature of up to 3000-6000 K. Air, inert gases, gaseous hydrocarbons, but preferably water vapor, are used as the plasma-forming medium.
Трубообразный элемент 3 выполнен в виде двустенной трубы, у которой внешняя окружная стенка 15 и внутренняя окружная стенка 16 образуют между собой щелевое пространство 17, которое закрыто снизу. The tube-shaped element 3 is made in the form of a double-walled pipe, in which the outer
Трубообразный элемент 3 окружает поток плазмы, создаваемый плазмотроном 2, и вводит в него водородсодержащую среду. Для этого, трубообразный элемент 3 соединен с подводом 18 водородсодержащей среды, посредством которого водородсодержащая среда поступает в указанное щелевое пространство 17, а внутренняя окружная стенка 16 трубообразного элемента 3 снабжена сквозными каналами 19 для прохода водородсодержащей среды из щелевого пространства 17 к потоку плазмы и смешивания с ним. Таким образом, трубообразный элемент 3 в рабочей камере 12 реактора образует зону 20 смешения, в которой водородсодержащая среда смешивается с потоком плазмы с образованием факела 21 вторичного теплоносителя, с помощью которого происходит собственно обработка жидких углеводородов. The tube-shaped element 3 surrounds the plasma flow generated by the
Трубообразный элемент 3 экранирует поток плазмы от окружающего внутреннего пространства реактора и тем самым позволяет избежать излишних тепловых потерь. Водородсодержащая среда, как уже указывалось выше, может вводиться в щелевое пространство 17 трубообразного элемента 3 в жидком и/или газообразном виде и, кроме того, выполняет функцию охлаждения внутренней окружной стенки 16 трубообразного элемента 3, что способствует предотвращению ее прогорания. The tube-shaped element 3 shields the plasma flow from the surrounding internal space of the reactor and thereby avoids excessive heat loss. The hydrogen-containing medium, as already mentioned above, can be introduced into the slotted
Нижняя концевая область трубообразного элемента 3 оканчивается в указанном приемном пространстве перегородки 4 выше уровня растекшихся там жидких углеводородов. В этой нижней концевой области предусмотрен внешней кольцевой элемент 22, который в показанном случае является отдельным элементом, который может известным сами по себе образом разъемно или неразъемно соединяться с трубообразным элементом 3. Альтернативно, кольцевой элемент может быть выполнен за одно целое с трубообразным элементом 3. The lower end region of the tube-shaped element 3 ends in the indicated receiving space of the partition 4 above the level of liquid hydrocarbons spread there. An outer
Кольцевой элемент 22 имеет дугообразный участок 23, который вместе с дугообразным участком 24 внутренней поверхности перегородки/чаши образует сужающийся канал в виде газодинамического сопла 25 (так называемое кольцевое сопло с центральным телом), что хорошо видно на фиг.1. The
Нужно отметить, что указанное газодинамическое сопло может быть образовано дугообразным участком только одного из элементов (кольцевой элемент или перегородка), в то время как другой элемент имеет ответный участок, который выполнен не дугообразным, а, например, плоским. Кроме того, образующие газодинамическое сопло участки не обязательно должны иметь дугообразный контур, а могут быть выполнен с прямым непрерывным контуром, или иметь контур, образованный чередующимися прямыми и/или криволинейными частями разного наклона. Кроме того, указанный сужающийся канал или газодинамическое сопло может выполняться не сплошным кольцевым проходом (так называемое кольцевое сопло), а, например, в виде спирального канала, для чего на одном или обоих образующих этот канал участках должны иметься соответствующие спиральные выступы. It should be noted that this gas-dynamic nozzle can be formed by an arcuate section of only one of the elements (an annular element or a partition), while the other element has a reciprocal section, which is not arcuate, but, for example, flat. In addition, the sections forming the gas-dynamic nozzle do not have to have an arched contour, but can be made with a direct continuous contour, or have a contour formed by alternating straight and / or curved parts of different slopes. In addition, the specified tapering channel or gas-dynamic nozzle can be performed not by a continuous annular passage (the so-called annular nozzle), but, for example, in the form of a spiral channel, for which there must be corresponding spiral protrusions on one or both sections forming this channel.
Таким образом, указанный трубообразный элемент 3 с кольцевым элементом 22 и перегородка 4 совместно задают реакционную зону 26 рабочей камеры 12 реактора, в которой происходит воздействие созданного выше по потоку в трубообразном элементе факела 21 вторичного теплоносителя на жидкие углеводороды, их быстрый нагрев и взрывное вскипание и перемещение (показано стрелками на фиг.1) полученной реагирующей парогазовой смеси по газодинамическому соплу 25 и, наконец, выход из этого сопла. Указанная выше в виде опции спиральная форма сопла или его участков может способствовать дополнительному перемешиванию и тем самым более полному протеканию реакций между компонентами парогазовой смеси. Thus, the specified tube-shaped element 3 with the
Указанный выход из газодинамического сопла и, соответственно, из указанной реакционной зоны рабочей камеры оканчивается в камере 13 для прореагировавших углеводородов. Камера 13 для прореагировавших углеводородов служит для приема полученных газообразных углеводородов из рабочей камеры и их расширения, в результате которого в значительной мере прекращаются реакции в реагирующей парогазовой смеси и тем самым исключаются нежелательные обратные реакции. The specified exit from the gas-dynamic nozzle and, accordingly, from the specified reaction zone of the working chamber ends in the
Зафиксированные таким образом горячие газообразные углеводороды далее отводятся из камеры 13 для прореагировавших углеводородов через отвод 10 для полученных газообразных углеводородов. The hot gaseous hydrocarbons thus fixed are then discharged from the
В показанном варианте осуществления в виде опции предусмотрено, что указанной отвод 10 для полученных газообразных углеводородов реализован в виде множества отверстий в боковой стенке 4 реактора, который в виде опции может вести в примыкающий горячий сепаратор для предотвращения уноса паров наиболее тяжелых углеводородов с быстро движущимся потоком легких газообразных углеводородов. Горячая сепарация предполагает конденсацию и механическое отделение тяжелой углеводородной фракции за счет незначительного и естественного снижения давления на выходе из реактора. Принудительное охлаждение в горячем сепараторе отсутствует. Отделенная углеводородная фракция может представлять собой целевой продукт крекинга или возвращается в процесс в качестве сырья. Однако, как уже отмечено, наличие горячего сепаратора не является обязательно необходимым, а предусмотрено лишь в качестве одной из предпочтительных опций данного изобретения.In the shown embodiment, it is optionally provided that said
Смесь газообразных углеводородов поступает в холодный сепаратор, где принудительным охлаждением из нее выделяют углеводородные газы и конденсат легких углеводородов. A mixture of gaseous hydrocarbons enters a cold separator, where hydrocarbon gases and light hydrocarbon condensate are separated from it by forced cooling.
Горячая и холодная сепарации могут быть осуществлены как части известного процесса ректификации. В виде опции также может быть предусмотрено, что часть газообразных и/или сконденсированных легких углеводородов может возвращаться обратно в процесс в качестве водородсодержащей среды, подаваемой в зону смешения. Hot and cold separation can be carried out as part of a known rectification process. As an option, it can also be provided that part of the gaseous and / or condensed light hydrocarbons can be returned to the process as a hydrogen-containing medium supplied to the mixing zone.
Для контроля процесса в устройстве для плазмохимического гидрокрекинга могут использоваться известные специалисту средства. В частности, на фиг.1 и 2 показан датчик 27 температуры реакционной зоны, а также порт 28 для датчика температуры парогазовой смеси и порт 29 для датчика давления парогазовой смеси. Эти и другие датчики могут быть предусмотрены в виде опции. Также могут быть предусмотрены различные возможности регулирования, например, могут быть предусмотрены средства для подъема/опускания перегородки и/или трубообразного средства, чтобы регулировать объем заполнения реакционной камеры жидкими углеводородами и/или для регулирования величины газодинамического сопла. Также могут быть предусмотрены средства для изменения поступления и/или отвода непрореагировавших жидких углеводородов и средства для изменения других параметров заявленного устройства. Эти средства контроля или регулирования, однако, не являются предметом заявленного изобретения и поэтому более подробно здесь не описываются. To control the process in a device for plasmachemical hydrocracking, agents known to the person skilled in the art can be used. In particular, Figs. 1 and 2 show a
На фиг.3 и 4 представлен другой вариант осуществления заявленного изобретения, который отличается от варианта осуществления согласно фиг.1 и 2 горизонтальной ориентацией устройства для плазмохимического гидрокрекинга. Figure 3 and 4 presents another embodiment of the claimed invention, which differs from the embodiment according to figures 1 and 2 in the horizontal orientation of the device for plasmachemical hydrocracking.
Реактор 1 здесь также представляет собой корпус с боковой, предпочтительно цилиндрической стенкой 5 и двумя торцевыми стенками 6, 7, а именно левой и правой торцевыми стенками. The reactor 1 here is also a housing with a side, preferably
В первой торцевой стенке 6 установлен плазмотрон 2, который расположен под некоторым углом к горизонтали. Во второй торцевой стенке 7 реактора предусмотрен отвод 10 для полученных газообразных углеводородов. A
Трубообразный элемент 3, как в варианте с фиг.1, также является двустенным, с образованным между двумя окружными стенками 15, 16 щелевым пространством 17. Однако, внутренняя окружная стенка 16 выполнена здесь за одно целое с боковой стенкой 5 реактора, в частности, образована участком боковой стенки 5 реактора. Альтернативно, внутренняя окружная стенка трубообразного элемента может встраиваться в боковую стенку реактора в специально предусмотренное приемное место. The tube-like element 3, as in the embodiment of FIG. 1, is also double-walled, with a
Через выполненные во внутренней окружной стенке 16 трубообразного элемента 3 сквозные отверстия 19 водородсодержащая среда вводится из щелевого пространства 17 трубообразного элемента 3 в поток плазмы, созданный плазмотроном 2. Through the through
Перегородка 4 здесь выполнена в виде плоской пластины, хотя альтернативно также могут быть выбраны другие формы перегородки (например, вогнутая пластина, желобообразная пластины и т.д.). The partition 4 here is made in the form of a flat plate, although alternatively other forms of the partition (for example, a concave plate, a trough plate, etc.) can also be selected.
Под перегородкой 4 расположена камера 11 для непрореагировавших углеводородов, которые поступают через подвод 8, а их излишки отводятся через отвод 9 для непрореагировавших углеводородов. Under the partition 4 there is a
Над перегородкой 4 расположена рабочая камера 12 реактора, причем перегородка 4 здесь проходит от одной торцевой стенки 6 реактора через зону 20 смешения, в которой вводимая водородсодержащая среда смешивается с потоком плазмы, далее вдоль реактора в направлении другой торцевой стенки 7 реактора и заканчивается на некотором удалении от второй торцевой стенки 7. Above the partition 4, the working
Таким образом, реакционная зона 26 рабочей камеры 12 определяется здесь по существу зоной 20 смешения, перегородкой 4 и боковой стенкой 5 реактора. Thus, the
Перегородка 4 между зоной 20 смешения и своим концом, обращенным ко второй торцевой стенке 7, по меньшей мере в отдельных областях снабжена сквозными каналами 14 (здесь не показаны) для пропускания жидких углеводородов из камеры 11 для непрореагировавших углеводородов в рабочую камеру 12 и растекания там по поверхности перегородки 4. The partition 4 between the mixing
На участке реактора между концом перегородки 4 и второй торцевой стенкой 7 предусмотрена по меньшей мере одна, но в данном случае две дополнительные внутренние стенки 30, 31 реактора, которые образуют сужение в виде щелеобразного газодинамического сопла 25, в которое направляется сносимый образованным в зоне смешения факелом вторичного теплоносителя поток реагирующей парогазовой смеси. Это щелевое газодинамическое сопло 25 служит для предварительного сжатия и ускорения потока, а также последующего расширения и торможения потока и тем самым обеспечивает условия для очень интенсивного перемешивания компонентов внутри потока реагирующей парогазовой смеси и тем самым ускоренное и более полное протекание реакции гидрокрекинга. At least one, but in this case, two additional
Указанное расширение и торможение парогазовой смеси, как и в случае газодинамического сопла 25 в устройстве с фиг.1, происходит уже за щелевым газодинамическим соплом 25 и тем самым во входной зоне камеры 13 для прореагировавших углеводородов, которая образована – если смотреть в направлении потока – между газодинамическим соплом 25 и второй торцевой стенкой 7 реактора, как и в устройстве на фиг.1. Это расширение и затормаживание вышедшего из газодинамического сопла потока приводит к в значительной степени завершенному в нем процессу гидрокрекинга и тем самым к фиксации («закалка») полученных в результате гидрокрекинга газообразных углеводородов, которые потом через отвод для прореагировавших углеводородов выходят из реактора.The specified expansion and deceleration of the vapor-gas mixture, as in the case of the gas-
Дополнительные внутренние стенки 30, 31 реактора согласно фиг.3 проходят поперечно, однако также возможно их наклонное прохождение, так что перед выходом из сопла 25 возникает более продолговатый канал, в котором могут дополнительно протекать реакции в реагирующей парогазовой смеси. The additional
Упомянутый отвод 9 для непрореагировавших углеводородов согласно фиг.3 расположен после перегородки 4 в зоне перехода газодинамического сопла 25 к камере 13 для прореагировавших углеводородов. Однако, альтернативно, он также может быть расположен под перегородкой 4.
Понятно, что газодинамическое сопло может быть выполнено здесь не только в виде плоского щелевого сопла, но в другой форме, например, в виде трубчатого сопла, кольцевого сопла или т.п. It is clear that the gas-dynamic nozzle can be made here not only in the form of a flat slotted nozzle, but in another form, for example, in the form of a tubular nozzle, an annular nozzle, or the like.
На фиг.3 также показан предусмотренный в виде опции горячий сепаратор 32, присоединенный к реактору 1 и сообщающийся с отводом 10. Горячий сепаратор 32 обеспечивает расширение выходящих из реактора газообразных углеводородов и их частичную конденсацию. Сконденсированная часть углеводородов отводится через слив 33, а несконденсированная часть углеводородов выводится через отвод 34. Figure 3 also shows an optional
На фиг.5 представлен общий вид установки для плазмохимического гидрокрекинга, которая включает в себя соответствующее изобретению устройство для плазмохимического гидрокрекинга.Figure 5 presents a General view of the installation for plasmachemical hydrocracking, which includes a device for plasmachemical hydrocracking according to the invention.
Установка для плазмохимического гидрокрекинга в данном случае смонтирована внутри несущего каркаса, включающего в себя основание 35, а также вертикальные 36 и горизонтальные балки 37. Указанный каркас может быть оснащен стенками и тем самым может представлять собой готовый транспортировочный контейнер. Альтернативно, каркас может быть смонтирован внутри производственного помещения или установка может быть выполнена без указанного каркаса, так что ее узлы монтируются прямо в производственном помещении.The plasma chemical hydrocracking unit in this case is mounted inside a supporting frame including a
Установка для плазмохимического гидрокрекинга содержит соответствующее изобретению устройство для плазмохимического гидрокрекинга, которое в представленном варианте выполнено в соответствии с фиг.1. Так, на фиг.5 можно видеть плазмотрон 2 и реактор 1.Installation for plasmachemical hydrocracking contains a device for plasmachemical hydrocracking according to the invention, which in the presented embodiment is made in accordance with figure 1. So, in figure 5 you can see the
В показанном на фиг.5 выполнении, установка для плазмохимического гидрокрекинга содержит устройство 38 для предварительного нагрева жидких углеводородов, насос 39 для подачи жидких углеводородов в реактор 1, устройство для подачи жидкой водородсодержащей среды в реактор 1, устройство для подачи газообразной водородсодержащей среды в реактор 1, устройство 41 для разделения конденсируемых и неконденсируемых продуктов (например, в виде отделенного от реактора 1 холодного сепаратора), резервуар 42 для сбора продуктов крекинга, устройство 43 для вывода непрореагировавших углеводородов из реактора (например, отвод 9), средства 44 (генератор плазмообразующего пара), 45 (источник электропитания генератора плазмы), 46 (система оборотного водоснабжения для охлаждения генератора плазмы, источника электропитания, холодного сепаратора) и т.п. в виде оборудования, объединенного конструктивно и функционально для преобразования электрической энергии в тепловую с получением потока плазмы. In the embodiment shown in FIG. 5, the plasma chemical hydrocracking installation comprises a
Понятно, что вполне возможны более простые варианты заявленной установки, в которых от некоторых из указанных устройств можно отказаться. Например, можно использовать оборудование, которое уже имеется на месте использования установки для плазмохимического гидрокрекинга, в частности, насос, подогреватель и т.п. В виде опции, указанная установка также может быть оснащена собственной силовой установкой для обеспечения необходимой для ее работы энергией. It is clear that simpler versions of the claimed installation are quite possible, in which some of these devices can be abandoned. For example, you can use equipment that is already available at the place of use of the installation for plasma chemical hydrocracking, in particular, a pump, heater, etc. As an option, this installation can also be equipped with its own power plant to provide the energy necessary for its operation.
На фиг.6 показана принципиальная технологическая схема установки для плазмохимического гидрокрекинга, на примере которой ниже будет пояснен процесс ее функционирования и некоторые дополнительные технические особенности установки.Figure 6 shows a schematic flow diagram of an installation for plasmachemical hydrocracking, an example of which below will explain the process of its operation and some additional technical features of the installation.
По линии I жидкие углеводороды поступают к насосу 39, который подает их через устройство 38 предварительного нагрева в реактор 1. В реакторе жидкие углеводороды заполняют камеру для непрореагировавших углеводородов и затем поступают в рабочую камеру 12 реактора. On line I, liquid hydrocarbons enter a
Заданный расход углеводородов обеспечивается насосом 39. Вся линия транспортировки углеводородов предпочтительно теплоизолирована, рабочая часть насоса, а также соединительные трубопроводы предпочтительно снабжены электрообогревом. The predetermined flow of hydrocarbons is provided by the
По линии II в плазмотрон 2 подают плазмообразующую среду (например, воздух, инертные газы, газообразные углеводороды, но предпочтительно водяной пар). Поток плазмы, сформированный плазмотроном 2, подают в зону смешения рабочей камеры реактора 1.Plasma-forming
По линии III с помощью устройства 47 для подачи жидкой водородсодержащей среды (например, насос с регулятором расхода) жидкую водородсодержащую среду, предпочтительно воду, подают в реактор 1 (в зону смешения рабочей камеры). On line III, using a
По линии IV газообразная водородсодержащая среда с помощью подходящего устройства 48 для подачи газообразной водородсодержащей среды подается в реактор 1 (в зону смешения рабочей камеры). Данная линия предусмотрена здесь в виде опции или только для периодического использования. Via line IV, a gaseous hydrogen-containing medium is supplied to a reactor 1 (into the mixing zone of the working chamber) using a
Продукты крекинга (газообразные углеводороды) из реактора поступают в устройство 41 для разделения конденсируемых и неконденсируемых продуктов, в котором на первой стадии происходит охлаждение газообразных углеводородов и конденсация легких фракций, а на второй стадии полученная газожидкостная смесь углеводородов разделяется на две части - жидкую и газообразную. Устройство 41 может быть выполнено, например, в виде упомянутого выше холодного сепаратора или иметь его в виде одного из узлов. В виде опции, расход газообразных углеводородов и давление в реакторе регулируются здесь посредством регулирующего устройства 49 (например, игольчатый вентиль), включенного в линию между реактором 1 и устройством 41. Cracking products (gaseous hydrocarbons) from the reactor enter the
После разделения конденсируемых и неконденсируемых продуктов крекинга, конденсируемые продукты поступают по линии VI в резервуар 42 для сбора (жидких) продуктов крекинга, а неконденсируемые продукты (газообразные углеводороды) могут частично или полностью возвращаться в реактор 1 в качестве водородсодержащей среды с помощью упомянутого устройства 48 или могут выводиться из процесса по линии V. В линии V может быть предусмотрен фильтр (например, для предотвращения уноса газом жидкой фракции), счетчик газа для определения его количества, огнепреградитель и сжигатель газа, или сброс в атмосферу. After separation of the condensable and non-condensable cracked products, the condensed products are fed via line VI to the
Жидкие углеводороды подают в реактор 1 в непрерывном режиме. Непрореагировавшие углеводороды выводят из реактора и с помощью устройства 43 для вывода непрореагировавших углеводородов и направляют на повторную обработку.Liquid hydrocarbons are fed to reactor 1 continuously. Unreacted hydrocarbons are removed from the reactor and using the
Claims (35)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018128013A RU2671822C1 (en) | 2018-07-31 | 2018-07-31 | Device and method for plasma-chemical hydrocracking and installation equipped therewith |
PCT/RU2019/050121 WO2020027702A2 (en) | 2018-07-31 | 2019-07-26 | Apparatus and method for plasma-chemical hydrocracking, and plant with such apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018128013A RU2671822C1 (en) | 2018-07-31 | 2018-07-31 | Device and method for plasma-chemical hydrocracking and installation equipped therewith |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2671822C1 true RU2671822C1 (en) | 2018-11-07 |
Family
ID=64103482
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018128013A RU2671822C1 (en) | 2018-07-31 | 2018-07-31 | Device and method for plasma-chemical hydrocracking and installation equipped therewith |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2671822C1 (en) |
WO (1) | WO2020027702A2 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2724806A1 (en) * | 1994-09-16 | 1996-03-22 | Pompes Maupu Entreprise | Novel method for the non-catalytic vapour cracking of hydrocarbon(s) and halogen-organic cpds. |
RU2319730C1 (en) * | 2006-11-09 | 2008-03-20 | Евгений Ефимович Беличенко | Methods of hydrocracking of the heavy hydrocarbon fractions and the device for its implementation |
RU2411286C1 (en) * | 2009-10-02 | 2011-02-10 | Евгений Ефимович Беличенко | Installation for plasma-chemical hydro-cracking of hydrocarbon fractions |
RU2574732C1 (en) * | 2015-03-31 | 2016-02-10 | Беличенко Евгений Ефимович | Method of evaporation of high temperature hydrocarbon liquids and device for its implementation |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006099070A1 (en) * | 2005-03-10 | 2006-09-21 | Arvin Technologies, Inc. | Electrode assembly of a plasma fuel reformer |
CN101550056B (en) * | 2009-05-08 | 2012-11-14 | 清华大学 | A thermal plasma coal cracking - gasification coupling process and reaction unit |
CN103127895B (en) * | 2011-12-01 | 2015-04-08 | 北京低碳清洁能源研究所 | Multi-section plasma cracking carbonaceous material reactor system with hollow cathode |
WO2016011026A1 (en) * | 2014-07-15 | 2016-01-21 | Magnegas Corporation | Gas production from an oil feedstock |
-
2018
- 2018-07-31 RU RU2018128013A patent/RU2671822C1/en active
-
2019
- 2019-07-26 WO PCT/RU2019/050121 patent/WO2020027702A2/en active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2724806A1 (en) * | 1994-09-16 | 1996-03-22 | Pompes Maupu Entreprise | Novel method for the non-catalytic vapour cracking of hydrocarbon(s) and halogen-organic cpds. |
RU2319730C1 (en) * | 2006-11-09 | 2008-03-20 | Евгений Ефимович Беличенко | Methods of hydrocracking of the heavy hydrocarbon fractions and the device for its implementation |
RU2411286C1 (en) * | 2009-10-02 | 2011-02-10 | Евгений Ефимович Беличенко | Installation for plasma-chemical hydro-cracking of hydrocarbon fractions |
RU2574732C1 (en) * | 2015-03-31 | 2016-02-10 | Беличенко Евгений Ефимович | Method of evaporation of high temperature hydrocarbon liquids and device for its implementation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2020027702A2 (en) | 2020-02-06 |
WO2020027702A3 (en) | 2020-03-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3009783A (en) | Production of carbon black | |
RU2087413C1 (en) | Method and apparatus for cleaving hydrocarbons | |
EP2606003B1 (en) | An apparatus, a system and a method for producing hydrogen | |
CA1308256C (en) | Vessel for the generation of synthesis gas | |
JP4898695B2 (en) | Reformer mixing chamber and method of operating the same | |
KR100418360B1 (en) | Method for producing lower olefins, reactor for the pyrolysis of hydrocarbons | |
US20080202982A1 (en) | Process for Cracking of Waste Oil by Microwave | |
CN101897241B (en) | Device for injecting a liquid load to be mixed/converted inside a plasma needle or a gaseous flow | |
US20230159326A1 (en) | Hydrogen Production and Carbon Sequestration via High Temperature Cracking of Natural Gas In An Inductively Heated Fluidized Carbon Particle Bed | |
CA2963010A1 (en) | A non-equilibrium plasma system and method of refining syngas | |
US3514264A (en) | Apparatus for electric arc-cracking of hydrocarbons | |
US4941965A (en) | Process for the hydrocracking of a hydrocarbon feedstock and hydrocracking plant for carrying | |
US20110011728A1 (en) | System and method for conversion of molecular weights of fluids | |
RU2671822C1 (en) | Device and method for plasma-chemical hydrocracking and installation equipped therewith | |
JPS6129935B2 (en) | ||
JP2001522979A (en) | Fuel combustion method and combustion reactor | |
US4013415A (en) | Plasma-chemical reactor for treatment of disperse materials | |
JP2000506435A (en) | Method for performing an endothermic reaction and reactor for performing the method | |
RU2523824C2 (en) | Apparatus of producing synthesis gas | |
RU2052908C1 (en) | Plasma-chemical reactor | |
RU2206387C1 (en) | Reactor for processing hydrocarbon raw material | |
RU2799318C1 (en) | Device for carrying out chemical reactions in cold plasma | |
JP4608614B2 (en) | Control method for two-stage reactor | |
RU23875U1 (en) | REACTOR FOR THE PROCESSING OF HYDROCARBON RAW MATERIALS | |
RU2614966C2 (en) | Method of producing carbon nanotubes in supersonic flow and apparatus for implementing thereof |