RU2673486C1 - Device for plasma-chemical processing of petroleum products - Google Patents
Device for plasma-chemical processing of petroleum products Download PDFInfo
- Publication number
- RU2673486C1 RU2673486C1 RU2018127909A RU2018127909A RU2673486C1 RU 2673486 C1 RU2673486 C1 RU 2673486C1 RU 2018127909 A RU2018127909 A RU 2018127909A RU 2018127909 A RU2018127909 A RU 2018127909A RU 2673486 C1 RU2673486 C1 RU 2673486C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- petroleum products
- electrode
- chemical processing
- receiving chamber
- Prior art date
Links
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 title claims abstract description 26
- 238000012993 chemical processing Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 30
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 13
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000003921 oil Substances 0.000 abstract description 16
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 12
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 9
- 239000000295 fuel oil Substances 0.000 abstract description 8
- 239000004020 conductor Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 22
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 22
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 12
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 11
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 10
- 239000000047 product Substances 0.000 description 10
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 9
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 7
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 6
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 3
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 3
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 3
- -1 for example Substances 0.000 description 3
- 102200118166 rs16951438 Human genes 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000004939 coking Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 150000002605 large molecules Chemical class 0.000 description 2
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 150000001491 aromatic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 239000002199 base oil Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000004523 catalytic cracking Methods 0.000 description 1
- 238000004517 catalytic hydrocracking Methods 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- DQIPXGFHRRCVHY-UHFFFAOYSA-N chromium zinc Chemical compound [Cr].[Zn] DQIPXGFHRRCVHY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 239000000852 hydrogen donor Substances 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 239000012429 reaction media Substances 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 1
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
-
- 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
- B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
- B01J19/088—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к нефтехимической промышленности, а именно к устройствам для переработки нефти, нефтепродуктов и тяжелых нефтяных остатков, предназначенных для увеличения выхода легких фракций.The invention relates to the petrochemical industry, and in particular to devices for oil refining, oil products and heavy oil residues, designed to increase the yield of light fractions.
В мире происходит уменьшение запасов нефти и, в первую очередь, легкой нефти. В связи с этим, основная задача нефтеперерабатывающего комплекса заключается в повышении эффективности технологии переработки нефти. Новые технологии должны обеспечить увеличение выхода светлых нефтепродуктов. In the world there is a decrease in oil reserves and, above all, light oil. In this regard, the main task of the oil refining complex is to increase the efficiency of oil refining technology. New technologies should provide an increase in the yield of light petroleum products.
Глубина переработки нефти в моторные топлива определяется не только эффективными процессами отбора светлых фракций из нефти с их последующим облагораживанием, но и технологиями переработки темных продуктов, например, мазутов, вакуумных газойлей, гудронов. В состав нефти входят тяжелые углеводороды, которые, прежде чем достичь своей точки кипения, начинают разлагаться. Для превращения тяжелых нефтяных остатков в светлые нефтепродукты необходимо крекировать крупные молекулы.The depth of oil refining into motor fuels is determined not only by effective processes for the selection of light fractions from oil with their subsequent refinement, but also by technologies for processing dark products, for example, fuel oil, vacuum gas oil, tar. The composition of the oil includes heavy hydrocarbons, which, before reaching their boiling point, begin to decompose. To convert heavy oil residues into light oil products, large molecules must be cracked.
Сущность этого явления сводится к тому, что из одной большой молекулы тяжелого углеводорода образуется несколько более мелких молекул с разной температурой кипения и разным удельным весом. Существенным отличием крекинг-процесса от первичной перегонки является то, что при крекинге происходит химическое изменение ряда углеводородов, тогда как при первичной перегонке идет простое разделение отдельных фракций нефти в зависимости от точек их кипения.The essence of this phenomenon is that several smaller molecules with different boiling points and different specific gravities are formed from one large molecule of a heavy hydrocarbon. A significant difference between the cracking process and the primary distillation is that, during cracking, a chemical change in a number of hydrocarbons occurs, whereas during the primary distillation, a simple separation of individual oil fractions takes place depending on their boiling points.
На современных нефтеперерабатывающих заводах мазуты обычно подвергают либо вакуумной перегонке с получением базовых масляных дистиллятов и тяжелых остатков, либо жесткой термической, при 490-520°C и 45-50 атм, либо термокаталитической переработке с целью получения дополнительных количеств моторных топливных фракций.In modern refineries, fuel oil is usually either vacuum distilled to produce base oil distillates and heavy residues, or harsh thermal, at 490-520 ° C and 45-50 atm, or thermocatalytic processing in order to obtain additional quantities of motor fuel fractions.
В современной практике на кинетику этих процессов воздействуют, например, химическими веществами, катализаторами, поверхностно-активными веществами, присадками. Воздействие на нефть и ее остатки с помощью химических веществ, приводит к существенному возрастанию себестоимости конечного продукта, ускоренному износу ректификационных колонн и является сложно регулируемым процессом.In modern practice, the kinetics of these processes is affected, for example, by chemicals, catalysts, surfactants, additives. The impact on oil and its residues with the help of chemicals leads to a significant increase in the cost of the final product, accelerated wear of distillation columns and is a difficult to control process.
С использованием классических нефтехимических способов достигнуты впечатляющие результаты, позволившие достичь глубины переработки нефти до 96%, однако, при этом стоимость технологий существенно возросла, так как потребовалось использование высоких давлений при высоких температурах в условиях использования взрывоопасного водорода. Большую долю в стоимости начинает играть вопрос обеспечения безопасности работы оборудования, работающего при столь экстремальных условиях.Using classical petrochemical methods, impressive results were achieved that allowed reaching a depth of oil refining of up to 96%, however, the cost of the technology increased significantly, since it required the use of high pressures at high temperatures in conditions of using explosive hydrogen. The issue of ensuring the safe operation of equipment operating under such extreme conditions begins to play a large share in the cost.
Повышенное давление водорода стало необходимым для смещения константы равновесия протекающих реакций в сторону образования целевых продуктов, а повышенная температура позволяет осуществлять реакции за время пролета реагирующей среды совместно с катализатором через зону реакции. В рассматриваемых условиях происходит быстрое закоксовывание катализатора, что делает необходимым его регенерацию перед очередным вводом катализатора в реакционную колонну. Начинают вставать новые задачи, которые традиционными методами или не решаемы, или же решаемы посредством больших затрат. An increased hydrogen pressure became necessary to shift the equilibrium constant of the ongoing reactions towards the formation of the target products, and an increased temperature allows the reaction to be carried out during the passage of the reaction medium together with the catalyst through the reaction zone. Under the conditions under consideration, coking of the catalyst occurs rapidly, which makes it necessary to regenerate it before the next introduction of the catalyst into the reaction column. New tasks are beginning to arise that are either not solved by traditional methods, or are solved by means of high costs.
Несмотря на названные жесткие условия проведения реакций, данная технология приводит к протеканию реакций крекинга в условиях, близких к оптимальным для получения целевого продукта. Despite the harsh conditions for carrying out the reactions, this technology leads to cracking reactions under conditions close to optimal for obtaining the target product.
На наш взгляд в настоящее время недостаточное внимание уделено использованию физических воздействий на характер протекания процессов крекинга нефтепродуктов. К таким воздействиям можно отнести кавитацию, ультразвук, СВЧ, плазму.In our opinion, insufficient attention is currently paid to the use of physical effects on the nature of the course of cracking of petroleum products. Such effects include cavitation, ultrasound, microwave, plasma.
При проведении процесса каталитического крекинга нефтепродуктов при пониженных температуре и давлении легче управлять процессами коксования на поверхности катализатора, однако реакции смещаются в сторону получения значительного количества легких углеводородов и водорода, что приводит к существенному недостатку водорода в получаемых продуктах и, как следствие, к получению значительных количеств непредельных и ароматических соединений в получаемых продуктах.When carrying out the process of catalytic cracking of petroleum products at reduced temperature and pressure, it is easier to control the coking processes on the catalyst surface, however, the reactions are shifted towards the production of a significant amount of light hydrocarbons and hydrogen, which leads to a significant lack of hydrogen in the resulting products and, as a result, to significant quantities unsaturated and aromatic compounds in the resulting products.
При плазмохимической обработке возможно, как расщепление тяжелых углеводородов, так и полимеризация легких углеводородов. При этом возможно достижение смещения константы равновесия реакций не за счет высокого давления водорода, а посредством включения дополнительных механизмов диссоциации легких углеводородов и водорода при соударении с электронами плазмы.In plasma-chemical processing, it is possible both to split heavy hydrocarbons and to polymerize light hydrocarbons. In this case, it is possible to achieve a shift in the equilibrium constant of reactions not due to the high pressure of hydrogen, but through the inclusion of additional mechanisms for the dissociation of light hydrocarbons and hydrogen upon collision with plasma electrons.
Электроразрядная плазма позволяет простыми способами изменять режимы обработки, используя управление параметрами плазмы через режимы работы источника питания, что легко достигается при использовании современной электронной элементной базы, например, используя транзисторные ключи IGBT и MOSFET, а также ферритовые материалы, изготовленные с использованием нанотехнологий.Electrodischarge plasma allows simple methods to change the processing modes using the control of plasma parameters through the operating modes of the power source, which is easily achieved using modern electronic components, for example, using transistor switches IGBT and MOSFET, as well as ferrite materials made using nanotechnology.
На характер протекания плазмохимических процессов влияют параметры эмульсии, добавки газов, в том числе инертных газов, которые непосредственно в процессе превращений не участвуют. Последнее обстоятельство объясняется тем фактом, что влияние на характер протекаемых процессов возможно не за счет химических превращений как таковых, а за счет влияния на функцию распределения электронов по энергии в плазме.The nature of the course of plasma-chemical processes is affected by the parameters of the emulsion, the addition of gases, including inert gases, which are not directly involved in the transformations. The latter circumstance is explained by the fact that the influence on the nature of the ongoing processes is possible not due to chemical transformations as such, but due to the influence of the electron energy distribution function in the plasma.
Из уровня техники известно устройство для плазмохимического гидрокрекинга тяжелых углеводородных фракций, содержащее реактор, имеющий датчик уровня, датчик температуры, патрубок выхода прореагировавшей части углеводородных фракций в парообразном состоянии и патрубок подачи сырья, при этом внутри реактора расположен вращающийся с продольными щелями барабан для образования в реакторе вращающегося слоя тяжелых углеводородных фракций, прилегающего к внутренним стенкам реактора, а в верхней части реактора установлен плазмотрон с соплом для вхождения струи плазмы в тяжелые углеводородные фракции, поданные в реактор (см. патент RU2343181, кл. C10G 15/12, опубл. 10.01.2009). Основным недостатком известного устройства является необходимость использования источника «горячей плазмы» с температурой 1500-6000 К.The prior art device for plasmachemical hydrocracking of heavy hydrocarbon fractions, comprising a reactor having a level sensor, a temperature sensor, an outlet pipe for the reacted portion of the hydrocarbon fractions in the vapor state and a feed pipe, while a drum rotating with longitudinal slots is arranged inside the reactor to form a drum in the reactor a rotating layer of heavy hydrocarbon fractions adjacent to the inner walls of the reactor, and a plasma torch with a nozzle is installed in the upper part of the reactor m to enter the plasma jet into the heavy hydrocarbon fractions fed into the reactor (see patent RU2343181, CL C10G 15/12, publ. 10.01.2009). The main disadvantage of the known device is the need to use a source of "hot plasma" with a temperature of 1500-6000 K.
Из уровня техники известна установка для обработки углеводородосодержащих жидких сред, содержащая основной каталитический реактор с магистралью подачи в него углеводородосодержащей жидкой среды, которая снабжена дополнительным каталитическим реактором, магистралью выдержки под давлением обработанной углеводородосодержащей жидкой среды, рециркуляционной магистралью, первым и вторым смесителями, насосом, а также первой и второй магистралями подачи исходной углеводородосодержащей жидкой среды, при этом каждый каталитический реактор выполнен в виде полой емкости с установленным со стороны входа в нее соплом, при этом основной каталитический реактор выполнен плазменным и снабжён высоковольтным источником питания с постоянным током 10-100 мА (см. патент RU2465303, кл. C10G 35/04, опубл. 27.10.2012). Основными недостатками такой установки являются большая энергозатратность при недостаточно высокой скорости химических реакций и, как следствие, относительно низкие производительность и качество обработки жидкой среды.The prior art installation for processing hydrocarbon-containing liquid media, containing the main catalytic reactor with a feed line of a hydrocarbon-containing liquid medium, which is equipped with an additional catalytic reactor, a pressure holding line of the processed hydrocarbon-containing liquid medium, a recirculation line, the first and second mixers, a pump, and also the first and second supply lines of the original hydrocarbon-containing liquid medium, with each catalytic reaction p is made in the form of a hollow tank with a nozzle installed on the inlet side, while the main catalytic reactor is made of plasma and equipped with a high-voltage power supply with a direct current of 10-100 mA (see patent RU2465303, class C10G 35/04, publ. 27.10 .2012). The main disadvantages of such an installation are the high energy consumption at an insufficiently high rate of chemical reactions and, as a result, the relatively low productivity and quality of processing a liquid medium.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является устройство для плазмохимической переработки нефтепродуктов, содержащее приёмную камеру формирования плёночного потока жидкости с тангенциальным штуцером подачи нефтепродуктов, подведённый к её кольцевому выходу внешний цилиндрический электрод и установленный коаксиально внешнему электроду внутренний электрод (см. патент RU2448768, кл. C10G 15/12, опубл. 27.04.2012). В этом устройстве формирование потока происходит в вихревой цилиндрической камере, согласованной с цилиндрической газоразрядной камерой, в которой зажигается тлеющий газовый разряд. Однако, через пленку плохо проводящей жидкости или же жидкости диэлектрической невозможно зажигание устойчивого тлеющего разряда, т.е. существует проблема со стабильностью зажигания плазмы в рабочем промежутке при работе с жидкостями с низкой электрической проводимостью. Кроме того, при расходе мазута около 1 т. в час в узком разрядном промежутке размером около 1 мм образуется огромное количество вещества в парообразном состоянии. Дело в том, что при расщеплении длинной молекулы, входящей в состав мазута, вновь образованные вещества при рабочих температурах процесса переходят в газообразное состояние. Такого газа образуется сотни нормальных кубических метров в час. Образующийся газ разрушает все уплотнения и приводит к неустойчивостям работы устройства.The closest in technical essence to the claimed invention is a device for plasma-chemical processing of petroleum products, containing a receiving chamber for forming a film-like fluid flow with a tangential nozzle for supplying petroleum products, an external cylindrical electrode connected to its annular outlet and an internal electrode mounted coaxially to the external electrode (see patent RU2448768, cl . C10G 15/12, publ. 04/27/2012). In this device, the flow is formed in a cylindrical vortex chamber, matched with a cylindrical gas discharge chamber, in which a smoldering gas discharge is ignited. However, through a film of a poorly conducting liquid or dielectric liquid, it is impossible to ignite a stable glow discharge, i.e. There is a problem with the stability of plasma ignition in the working interval when working with liquids with low electrical conductivity. In addition, with a fuel oil consumption of about 1 ton per hour, a huge amount of substance is formed in a vaporous state in a narrow discharge gap of about 1 mm in size. The fact is that when a long molecule, which is part of fuel oil, is split, the newly formed substances at a working temperature of the process go into a gaseous state. Such gas forms hundreds of normal cubic meters per hour. The resulting gas destroys all seals and leads to instabilities of the device.
Таким образом, технической проблемой является создание усовершенствованного высокоэффективного устройства для плазмохимической переработки нефтепродуктов при пониженных температуре и давлении, а также увеличение выхода легких фракций при плазмохимической переработке нефтепродуктов. Технический результат заключается в повышении стабильности зажигания плазмы в рабочем промежутке. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в устройстве для плазмохимической переработки нефтепродуктов, содержащем приёмную камеру формирования плёночного потока жидкости с тангенциальным штуцером подачи нефтепродуктов, подведённый к её кольцевому выходу внешний цилиндрический электрод и установленный коаксиально внешнему электроду внутренний электрод, последний, по меньшей мере, частично, выведен за пределы внешнего электрода с помощью цилиндрического токопровода в диэлектрической втулке, обеспечивающих возможность формирования барьерного разряда. Cмежные поверхности внутреннего электрода и торца внешнего электрода предпочтительно скошены по форме расходящегося в сторону вывода потока конуса. Приёмная камера предпочтительно выполнена торообразной формы. Устройство предпочтительно снабжено закреплённой на приёмной камере защитной сеткой, в которой размещён насыпной катализатор.Thus, the technical problem is the creation of an improved highly efficient device for plasma-chemical processing of petroleum products at reduced temperature and pressure, as well as an increase in the yield of light fractions during plasma-chemical processing of petroleum products. The technical result consists in increasing the stability of the plasma ignition in the working interval. The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the device for plasma-chemical processing of petroleum products containing a receiving chamber for forming a film-like fluid flow with a tangential nozzle for supplying petroleum products, an external cylindrical electrode connected to its annular outlet and an internal electrode mounted coaxially to the external electrode, the last at least partially removed outside the outer electrode using a cylindrical current lead in a dielectric sleeve, providing Those who are aware of the possibility of forming a barrier discharge. The adjacent surfaces of the inner electrode and the end of the outer electrode are preferably beveled in the shape of a cone diverging towards the output side. The receiving chamber is preferably toroidal in shape. The device is preferably equipped with a protective grid fixed to the receiving chamber, in which the bulk catalyst is placed.
На фиг.1 представлено осевое сечение предлагаемого устройства;Figure 1 presents the axial section of the proposed device;
на фиг.2 – общий вид приёмной камеры в разрезе;figure 2 is a General view of the receiving chamber in section;
на фиг.3 линии потока внутри и за пределами приёмной камеры.figure 3 lines of flow inside and outside the receiving chamber.
Предлагаемое устройство для плазмохимической переработки нефтепродуктов содержит приёмную камеру 1 торообразной формы для формирования плёночного потока 2 обрабатываемой жидкости, тангенциальный штуцер 3 подачи нефтепродуктов, подведённый к кольцевому выходу камеры 1 внешний цилиндрический электрод 4 и установленный коаксиально внешнему электроду внутренний выносной электрод 5 в форме диска. Электрод 5 установлен на цилиндрическом токопроводе 6 в диэлектрической втулке 7 и, по меньшей мере, частично выведен за пределы внешнего электрода 4. Cмежные поверхности внутреннего электрода 5 и торца внешнего электрода 4 скошены по форме конуса, расходящегося в сторону вывода потока 8 рекомбинирующей плазмы, и формируют область 9 горения основного тлеющего разряда (более протяжённую за счёт выполненного скоса). Между втулкой 7, играющей роль барьерного изолятора, и внешним электродом 4 образована область 10 вспомогательного барьерного разряда толщиной 0,5 – 1 мм, отделенная от области 9 горения основного разряда областью 11 диффузии зарядов. На приёмной камере 1 закреплена защитная сетка 12, в которой размещён насыпной катализатор 13.The proposed device for plasma-chemical processing of petroleum products contains a
В дополнительной газоразрядной области 10 электроды 4-6 отделены друг от друга твердым диэлектриком (втулкой 7), через который могут протекать только токи смещения Максвелла, но невозможно протекание сквозного тока проводимости. При выполнении специальных требований к параметрам импульсов источника питания, когда на фронтах импульсов достигается достаточно большие значения производной от прикладываемого напряжения, возможно создание токов смещения достаточных для образования на поверхности протекающего плёночного потока 2 диэлектрической жидкости поверхностного заряда, который обеспечит проводимость обрабатываемой жидкости. In the additional gas-
Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.
Через штуцер 3 внутрь приёмной камеры 1 тангенциально, под давлением, подается жидкость, которая начинает движение вокруг её оси, прижимаясь за счёт центробежной силы к внешней стенке приёмной камеры 1. Пройдя полный круг, жидкость сталкивается с поступающей внутрь приёмной камеры 1 струёй и приобретает дополнительное вращательное движение вокруг ядра струи, и, двигаясь таким образом, заполняет всю полость приёмной камеры 1, имеющей торообразую форму. Результирующее движение жидкости внутри приёмной камеры 1 напоминает форму движения вихрей торнадо, то есть такое движение, которое можно условно разделить на два основных, а именно: вращение с вокруг оси приёмной камеры и вращение по сложной кривой вокруг ядра потока. Through the
Перемещение жидкости по поверхности созданного ей внутри приёмной камеры 1 тора обеспечивает возможность формирования на её выходе плёночного потока 2 и его перенос на плёнкообразующую внутреннюю цилиндрическую поверхность внешнего электрода 4, в котором, в силу сохранения момента количества движения, возникает высокоскоростное вращательно-поступательное движение жидкого вещества, которое вызывает центробежные силы, прижимающие слои жидкости к поверхности цилиндра электрода 4, формируя однородный быстровращающийся плёночный поток 2 жидкости. Таким образом, когда обрабатываемую жидкость подают в камеру 1, в ней образуется тороидальный вихрь, а после формирователя пленочного потока 2 жидкости обрабатываемая среда движется по спирали, надежно покрывая внутреннюю поверхность внешнего электрода 4. Для уточнения характера движения жидкости внутри камеры 1 были проведены численные расчеты гидродинамики жидкости на основе уравнений Навье-Стокса, рассчитанные линии тока представлены на фиг.3.The movement of the liquid over the surface of the torus created by it inside the
В области 9 между внешним 4 и внутренним 5 электродами зажигается плазма, которая однородно заполняет коаксиальный промежуток между ними. Поток 8 рекомбинирующей плазмы, выходящий из зоны разряда на расстояние до 5 см, встречается с защитной сеткой 12 с помещенным на ней катализатором 13. Принципиально, что активные молекулы, созданные в электроразрядной плазме, имеют короткое время жизни и могут быть использованы для проведения эффективных каталитических реакций только очень короткое время после выхода их из зоны разряда. In region 9, a plasma is ignited between the outer 4 and inner 5 electrodes, which uniformly fills the coaxial gap between them. Recombinant plasma stream 8, extending from the discharge zone to a distance of 5 cm, meets a
Жидкие компоненты, не вступившие в реакцию в основной зоне разряда, попадают на катализатор и бомбардируются на нем налетающими радикалами. При соответствущем подборе катализаторов можно достичь высокой эффективности протекания реакций, которая в классических химических реакторах недостижима.Liquid components that have not reacted in the main discharge zone fall onto the catalyst and are bombarded by incident radicals. With the appropriate selection of catalysts, it is possible to achieve high reaction rates, which is unattainable in classical chemical reactors.
Особо нужно подчеркнуть наличие высокой неравновесности в полученной плазме: вблизи жидкой пленки температура нейтральной компоненты не превышает, например, нескольких сотен градусов Цельсия, в то время как температура электронов достигает 10 000 - 50 000 ОС. Высокая плотность радикалов приводит к интенсивному протеканию неравновесных реакций. It is especially necessary to emphasize the presence of high nonequilibrium in the obtained plasma: near the liquid film, the temperature of the neutral component does not exceed, for example, several hundred degrees Celsius, while the temperature of the electrons reaches 10 000 - 50 000 О С. The high density of radicals leads to the intense occurrence of nonequilibrium reactions .
На разорванные связи будут в основном присоединяться атомы водорода и легкие радикалы. При этом, в продуктах реакции возникнут более легкие, по сравнению с исходными, углеводороды. После плазмохимической обработки сырье в виде жидкой компоненты и вновь образовавшейся газообразной компоненты поступает в приемную емкость, откуда раздельно отбираются жидкая и вновь образованная газообразная компоненты. Hydrogen atoms and light radicals will mainly join broken bonds. At the same time, lighter hydrocarbons will appear in the reaction products in comparison with the initial ones. After plasma-chemical processing, the raw material in the form of a liquid component and a newly formed gaseous component enters the receiving tank, from which the liquid and newly formed gaseous components are separately selected.
Таким образом, в предлагаемом устройстве осуществлено воздействие на обрабатываемое сырье продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда, зажигаемого в водородсодержащем газе, благодаря которому удается осуществить крекинг тяжелых углеводородов, который в равновесных условиях происходит только при существенно более высоких температуре и давлении и проистекает неоптимальным образом.Thus, in the proposed device, the raw material processed by the products of low-temperature plasma is subjected to an electric discharge ignited in a hydrogen-containing gas, due to which it is possible to crack heavy hydrocarbons, which occurs under equilibrium conditions only at significantly higher temperature and pressure and does not flow optimally.
Поскольку внутренний электрод 5 выведен по потоку, по меньшей мере, частично, за пределы внешнего электрода 4, конструкция обладает уменьшенным газодинамическим сопротивлением. При движении к электроду 5 в диэлектрической жидкости происходит диффузия и турбулентное перемешивание в области 11 ранее созданного заряда. Появление объемного заряда в обрабатываемой жидкости делает ее метастабильным проводником. При этом создаются условия для реализации электрического разряда с высокими вкладами энергии, Особенно важно, что в случае реализации барьерного разряда электрические заряды создаются однородно по всему рабочему объему. Область 10 горения барьерного разряда обеспечивает создание предварительной ионизации среды, а втулка 7 не позволяет перейти барьерному разряду в дуговой разряд. Таким образом, повышение стабильности зажигания плазмы в рабочем промежутке обеспечивается за счет следующих процессов:Since the
- вверху по потоку зажигается плазма в классическом барьерном варианте, когда между электродами помещен твердый диэлектрик (в этом случае стабильность достигается возникновением поверхностного заряда на диэлектрике, который препятствует росту однажды возникшей нестабильности, однако, в классическом барьерном разряде невозможно достижение больших энерговкладов);- plasma is ignited upstream in the classical barrier version when a solid dielectric is placed between the electrodes (in this case, stability is achieved by the appearance of a surface charge on the dielectric, which prevents the instability that has arisen once, however, large energy inputs cannot be achieved in the classical barrier discharge);
- жидкость с возникшими в ней зарядами выносится ниже по потоку в область создания основного энерговклада (при этом в результате диффузии и турбулентного перемешивания в области 11 возможные неоднородности проводимости усредняются).- a liquid with charges arising in it is carried downstream to the region where the main energy input is created (in this case, possible conductivity inhomogeneities are averaged as a result of diffusion and turbulent mixing in region 11).
Пример.Example.
В реализованном устройстве внешней диаметр приёмной камеры 1 составлял 50 мм, диаметр кольцевого выхода – 26 мм, высота приёмной камеры – 20 мм. Давление жидкости на входе в камеру составляло 2 атм. Получено плёночное течение жидкости с толщиной пленки порядка 0,5 мм и расходом 0,5 м3/ч. Жидкость протекала строго равномерным тонким слоем по поверхности электрода 4, что является необходимым условием для создания эффективного источника неравновесной плазмы. При проведении экспериментов составляющая скорости жидкости вдоль образующей внутреннего цилиндра составляла 5 – 10 м/сек. Были опробованы хром-цинковые катализаторы и катализаторы на носителях: окиси алюминия, селикагеле, обработанные в вакууме парами металлов: хрома, никеля, железа.In the implemented device, the outer diameter of the receiving
С помощью предлагаемого устройства осуществляли обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, при которой на обрабатываемое сырье воздействуют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра Е/N в диапазоне от 1х10-16 до 20х10-16 Вхсм2, где Е - напряженность приложенного электрического поля, которое создали в газовой атмосфере водородсодержащих газов над поверхностью обрабатываемого жидкого сырья, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме. Было использовано устройство для плазмохимической переработки нефтепродуктов с расходом жидкой компоненты 0,1-1 м3/ч. В качестве жидкой компоненты использовали нагретый до 2500 - 3000С мазут, борботированный легкими углеводородами или парами воды. Толщина жидкой пленки, протекающей по электроду, составляла менее 1 мм, при толщине газового зазора 0, 5 - 1 мм. Плазма зажигалась в импульсно - периодическом режиме, при частоте следования импульсов 10 кГц, при длительности отдельного импульса от10 до 60 мкс. Длительность переднего фронта каждого импульса не превышала 0,1 мкс. При горении в импульсно - периодическом режиме напряжение в импульсе на электродах достигало в максимуме вблизи переднего фронта импульса 5 000 вольт при среднем токе около 1 ампера. Напряжение горения электрического разряда слабо зависело от полярности электродов. В качестве газовой атмосферы использовали легкие улеводороды и водород, получаемые в продуктах термокаталитического крекинга с добавлением к ним веществ – доноров водорода для смещения характера протекания реакций в заданном направлении. Такими донорами могут быть химические вещества, в том числе: пары воды, водород, газообразные, жидкие или твердые углеводороды в виде аэрозолей и взвесей.Using the proposed device, the processing of the feedstock containing hydrocarbons was carried out, in which the processed feedstock is exposed to low-temperature electric discharge plasma products with an E / N parameter value in the range from 1x10 -16 to 20x10 -16 Vhcm 2 , where E is the applied electric field strength, which was created in a gaseous atmosphere of hydrogen-containing gases above the surface of the processed liquid raw materials, N is the total concentration of molecules and atoms in the plasma. A device was used for plasma-chemical processing of petroleum products with a flow rate of a liquid component of 0.1-1 m 3 / h. As a liquid component, fuel oil heated to 250 0 - 300 0 C, borotted with light hydrocarbons or water vapor, was used. The thickness of the liquid film flowing through the electrode was less than 1 mm, with a thickness of the gas gap of 0, 5 - 1 mm. The plasma was ignited in a pulsed-periodic mode, with a pulse repetition rate of 10 kHz, and with a single pulse duration of 10 to 60 μs. The duration of the leading edge of each pulse did not exceed 0.1 μs. When burning in a pulsed-periodic mode, the voltage in the pulse at the electrodes reached a maximum near the leading edge of the pulse of 5,000 volts at an average current of about 1 ampere. The burning voltage of an electric discharge depended weakly on the polarity of the electrodes. As the gas atmosphere, light hydrocarbons and hydrogen obtained in thermocatalytic cracking products were added with the addition of substances - hydrogen donors to shift the nature of the reactions in a given direction. Such donors may be chemicals, including: water vapor, hydrogen, gaseous, liquid or solid hydrocarbons in the form of aerosols and suspensions.
Также предварительно вводили непосредственно в обрабатываемое сырье химические вещества, в том числе: пары воды, водород, газообразные, жидкие или твердые углеводороды, для смещения характера протекания реакций в заданном направлении.Chemicals, including water vapors, hydrogen, gaseous, liquid or solid hydrocarbons, were also preliminarily introduced directly into the processed raw materials to shift the nature of the reactions in a given direction.
Таким образом, экспериментально было доказано, что разработанное устройство для плазмохимической переработки нефтепродуктов позволяет за счёт повышения стабильности зажигания плазмы в рабочем промежутке осуществлять увеличение выхода легких фракций путем плазмохимической переработки нефтепродуктов. Предложенное устройство плазмохимической обработки нефтепродуктов выводит процесс переработки нефтепродуктов за рамки используемых в настоящее время равновесных, тепловых способов обработки и позволяет расширить возможности смещения характера протекания химических реакций в заданном направлении. Использование в предлагаемом изобретении низкотемпературной плазмы, создаваемой приложенным внешним электрическим полем осуществляет дешевый альтернативный подход к решению проблемы переработки нефтепродуктов и позволяет повысить эффективность переработки при простой и дешевой технической реализации процесса крекинга. Наличие низкоэнергетических, с энергией в несколько эВ электронов в низкотемпературной плазме является источником эффективных каналов преобразования вложенной в электроразрядную плазму электрической энергии в энергию разрыва химических связей. Предложенное устройство может быть использовано для разработки и внедрения новых технологий в нефтехимической и других отраслях промышленности.Thus, it was experimentally proved that the developed device for plasma-chemical processing of petroleum products allows increasing the yield of light fractions by plasma-chemical processing of petroleum products by increasing the stability of plasma ignition in the working interval. The proposed device for plasma-chemical processing of petroleum products takes the process of petroleum product processing beyond the currently used equilibrium, thermal processing methods and allows you to expand the possibilities of shifting the nature of the course of chemical reactions in a given direction. The use of the low-temperature plasma created by the applied external electric field in the present invention provides a cheap alternative approach to solving the problem of refining petroleum products and improves the processing efficiency with a simple and cheap technical implementation of the cracking process. The presence of low-energy electrons with an energy of several eV in a low-temperature plasma is a source of effective channels for converting the electrical energy deposited in an electric-discharge plasma into the energy of breaking chemical bonds. The proposed device can be used to develop and implement new technologies in the petrochemical and other industries.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018127909A RU2673486C1 (en) | 2018-07-31 | 2018-07-31 | Device for plasma-chemical processing of petroleum products |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018127909A RU2673486C1 (en) | 2018-07-31 | 2018-07-31 | Device for plasma-chemical processing of petroleum products |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2673486C1 true RU2673486C1 (en) | 2018-11-27 |
Family
ID=64556567
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018127909A RU2673486C1 (en) | 2018-07-31 | 2018-07-31 | Device for plasma-chemical processing of petroleum products |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2673486C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU201546U1 (en) * | 2020-05-12 | 2020-12-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" (ИОФ РАН) | Device for plasma-chemical treatment of liquids |
| RU2814689C1 (en) * | 2023-10-06 | 2024-03-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" (СФУ) | Plasma chamber for activation of surface of microfluidic chips and their subsequent sealing |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2248768C2 (en) * | 2002-12-30 | 2005-03-27 | Леонов Константин Васильевич | Method for selecting liquid samples |
| WO2012135515A2 (en) * | 2011-03-29 | 2012-10-04 | Fuelina, Inc. | Hybrid fuel and method of making the same |
| RU2465303C1 (en) * | 2011-05-17 | 2012-10-27 | Юрий Павлович Скакунов | Hydrocarbon-bearing fluid processing plant and plasma reactor incorporated therewith |
| WO2013100787A1 (en) * | 2011-12-30 | 2013-07-04 | Pevgov Vyacheslav Gennadievich | Method for the plasma-chemical processing of a raw material and device for implementing same |
-
2018
- 2018-07-31 RU RU2018127909A patent/RU2673486C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2248768C2 (en) * | 2002-12-30 | 2005-03-27 | Леонов Константин Васильевич | Method for selecting liquid samples |
| WO2012135515A2 (en) * | 2011-03-29 | 2012-10-04 | Fuelina, Inc. | Hybrid fuel and method of making the same |
| RU2465303C1 (en) * | 2011-05-17 | 2012-10-27 | Юрий Павлович Скакунов | Hydrocarbon-bearing fluid processing plant and plasma reactor incorporated therewith |
| WO2013100787A1 (en) * | 2011-12-30 | 2013-07-04 | Pevgov Vyacheslav Gennadievich | Method for the plasma-chemical processing of a raw material and device for implementing same |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU201546U1 (en) * | 2020-05-12 | 2020-12-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" (ИОФ РАН) | Device for plasma-chemical treatment of liquids |
| RU2815266C1 (en) * | 2023-08-14 | 2024-03-12 | Сергей Вильевич Магазов | Gas cleaning vortex chamber |
| RU2814689C1 (en) * | 2023-10-06 | 2024-03-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" (СФУ) | Plasma chamber for activation of surface of microfluidic chips and their subsequent sealing |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jahanmiri et al. | Naphtha cracking through a pulsed DBD plasma reactor: Effect of applied voltage, pulse repetition frequency and electrode material | |
| US10933397B2 (en) | System and method for cleaning hyrocarbon contaminated water | |
| US9988579B2 (en) | Process for cracking of liquid hydrocarbon materials by pulsed electrical discharge and device for its implementation | |
| FR2542004A1 (en) | PROCESS FOR ELECTRICALLY ASSISTED CONVERSION OF HEAVY CARBON PRODUCTS | |
| Khani et al. | The effects of microwave plasma torch on the cracking of Pyrolysis Fuel Oil feedstock | |
| RU2673486C1 (en) | Device for plasma-chemical processing of petroleum products | |
| US20110011728A1 (en) | System and method for conversion of molecular weights of fluids | |
| US9228136B2 (en) | Processing of dielectric fluids with mobile charge carriers | |
| Wang et al. | Study on n-hexadecane cracking with introducing water by pulsed discharge in liquid | |
| RU2393988C1 (en) | Device for plasma-chemical conversion of hydrocarbon gas | |
| Wang et al. | CO2-free conversion of fossil fuels by multiphase plasma at ambient conditions | |
| FR2786409A1 (en) | PLASMA DEVICE FOR MOBILE ELECTRIC DISCHARGES AND ITS APPLICATIONS FOR CONVERTING CARBONACEOUS MATERIAL | |
| CN112513226A (en) | Partial upgrading process for heavy oil | |
| RU2376340C1 (en) | Method of crude hydrocarbon preparation for further advanced cracking | |
| Zhang et al. | Experimental investigation on kerosene cracking driven by nanosecond pulsed rotating gliding arc discharge plasma | |
| RU2503709C1 (en) | Processing method of oil and/or oil residues | |
| CN113614207A (en) | Process for pyrolysis of hydrocarbon feedstock and apparatus for carrying out the process | |
| Wang et al. | Electric Fuel Conversion by Multiphase Plasma at Ambient Pressure | |
| KR101494238B1 (en) | Pyrolysis and Gasification Hybrid System for Extra Heavy Oil Fractions using Microwave Plasma | |
| CN213791571U (en) | Novel plasma petroleum refining device | |
| RU2622289C1 (en) | Method for obtaining light hydrocarbons | |
| RU2800344C1 (en) | Method for producing hydrogen from hydrocarbon raw materials and reactor for its implementation | |
| Adkins | Plasma Processing of Oils Using a Corona Reactor | |
| RU2319730C1 (en) | Methods of hydrocracking of the heavy hydrocarbon fractions and the device for its implementation | |
| CN112512680A (en) | Submerged methane and hydrogen mixture discharge in liquid hydrocarbons |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200801 |