ПРИМЕНЕНИЕ КАВИТАЦИИ В ПЕРЕРАБОТКЕ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается такое физическое явление, как кавитация, её значение в крекинге нефти, а также аппараты, основанные на её действии и используемые в этом процессе.

Ключевые слова: кавитационно-вихревой аппарат, кавитация, термокрекинг, экструзионный диспергатор.

Некоторые методы активации различного жидкого сырья основаны на использовании такого явления, как кавитация, с которым долгое время велась борьба, ведь в результате этого процесса разрушаются детали и снижается эффективность действия гидравлических машин. Но становится ясно, что огромное количество энергии, которое выделяется при кавитации, а также множество способов создания условий для данного процесса можно эффективно использовать для совершенствования многих технологических процессов.

Под «кавитацией» понимают явление энергии — от 10³ до 10²¹ Вт / м³. Кавитация возникает вследствие локального снижения давления до значений давления насыщенного водяного пара при соответствующих условиях. [3]

Одним из первых сообщений о вероятном применении кавитационного воздействия для усовершенствования крекинга нефти и нефтепродуктов считается доклад 1960 г. на Всесоюзной научно-технической конференции по использованию ультразвуковых волн в промышленной сфере. В доклад включены результаты исследований воздействия ультразвуковых колебаний на процесс легкого крекинга тяжёлых остатков нефти при повышенном давлении. Термокрекинг проводился на лабораторной установке непрерывного действия при температуре 430-470°С и давлении 20-60МПа. Для образования ультразвуковых волн на входе в трубчатую печь устанавливали магнитострикционные излучатели. Резонансная частота колебаний становилась равной 27 кГц.

В итоге выявили определённые параметры самого эффективного действия ультразвуковых волн: температура T=450°С, давление p=50 МПа. При соблюдении таких условий, в отличие от стандартного термического разложения, повышается: выход газа - в 1,3 раза, бензина - в 1,6 раза, фракций, кипящих при температуре менее 350°С - в 1,6 раза.

Для появления пузырьков при кавитации в жидкости должны присутствовать зародыши пузырьков и статического давления меньше давления насыщенных паров данной жидкости при конкретно этой температуре из-за высокой плотности сверхкритических зародышей.

Для достижения статического давления менее, чем при насыщенных парах, применяют акустические волны, а ещё этого можно достичь гидродинамическим путём при повышении скорости жидкости, уменьшая площадь живого сечения её. Результаты исследований по созданию процесса гидродинамической кавитации в центробежной вихревой камере для воздействия на мазут говорят о том, что кавитация присутствует вокруг вихря, а ещё выявили этапы схлопывания пузырьков и уменьшение технологической температуры крекинга мазута. [1]

В процессе схлопывания пузырька при несферическом сжатии появляются кумулятивные струйки, а рядом с местом пропадания пузырька образуется энергия, способная разорвать связи 10⁶ молекул типа С-С.

Влияние кавитационного воздействия на нефть и продукты её переработки способствует повышению процента образования легколетучих фракций при атмосферной перегонке. С применением обработки с помощью кавитации из тяжелой нефти можно получить порядка 20–30 % бензиновой фракции, 40–50 % дизельного топлива, 20–30 % мазута, битума и др. Кавитация увеличивает скорость взаимного проникновения нефти в полости парафина, который при этом быстрее разрушается. Повышение скорости растворения парафина происходит за счёт того, что нефть лучше перемешивается на границе нефть–парафин, а также из-за действия импульсов давления, разбрызгивающих частички парафина. При кавитации происходит разрыв непрерывной цепочки, разрушаются связи отдельных частичек молекул, что оказывает влияние на структурную вязкость. При интенсивной кавитации достаточно долгое время разрушаются С–С - связи в парафине, из-за которого уменьшается вес молекул, температура кристаллизации, изменяются свойства продуктов переработки нефти (вязкости, плотности, температуры вспышки). Во время импульсной кавитационной обработки нефти и переработанных продуктов энергия, которая выделяется при схлопывании пузырьков, применяется для разрушения химических связей между атомами больших молекул углеводородов. [2]

Всё это подтверждает возможность крекинга нефтяных углеводородов, применяя гидродинамическую кавитацию. Чтобы выход продуктов крекинга увеличился, необходимо обеспечение конструкцией кавитационного аппарата множества циклов и возникновения в потоке продукта нефти кавитационных пузырьков наибольшей плотности.

Кавитация появляется и применяется в таком отечественном устройстве, как дезинтеграционный аппарат высокого давления ДА-1 (экструзионный диспергатор) - это аппарат для диспергирования (измельчения) продуктов переработки нефти на уровне молекул, включая распад сложных органических молекул на более простые. [1]

В качестве примера приведем следующий опыт. При обработке нефти марки «Западно-Сибирская» в одно и то же время меняли два значения (количество циклов обработки и температуру сырья), сохраняя неизменным давление. Полученные данные собраны в таблицу 1.

Таблица 1.

Влияние режимов обработки (количество кавитационных ударов) на характеристики нефти при давлении 300 атм.

Получается, что при прямоточном режиме и циклической работе при температуре от 0℃ до 25 ℃ в результате общего действия сил кавитации и гидравлического трения разрушается часть структуры дисперсной системы и крекинг компонентов сырья, кипящих при высокой температуре, которые приводят к повышению содержания легкокипящих углеводородов. То, насколько эффективным окажется воздействие, зависит от условий обработки (давления, количества циклов) и степени структурированности продукта нефтепереработки.

При крекинге с использованием кавитационного воздействия достигается 93%-ная глубина нефтепереработки, полная переработка мазута до моторных топлив и остаточного не окисленного битума. [4]

Ещё одно перспективное направление - использование кавитационно - вихревых аппаратов (КВА) при получении битума.

Применение КВА, которые предназначены для повышения площади контакта фазы газа и жидкости, дало возможность усовершенствовать окислительный процесс битума, и это отразилось в повышении температуры размягчения готового продукта по КиШ на 4 - 5 ℃, повышении производительности колонны на 20 - 25% и снижении удельного расхода воздуха на 0,5 - 1 м3/(м2*мин) относительно стандартной технологической схемой. Также уменьшились остатки кислорода в газах окисления на 1,5 - 2%, свидетельствующее об увеличении степени использования кислорода воздуха при использовании КВА.

Список литературы:

1. Использование кавитации для интенсификации деструктивных превращений нефтяного сырья [Электронный ресурс].  Режим доступа: https://vuzlit.com/86053/ispolzovanie_kavitatsii_intensifikatsii_destruktivnyh_prevrascheniy_neftyanogo_syrya (дата обращения: 06.05.22)
2. Промтов М.А. Перспективы применения кавитационных технологий для интенсификации химико-технологических процессов. Вестник ТГТУ, 2008, Том 14, № 4
3. Сёма А.В., Бондаренко А.П. Производство строительных материалов с использованием эффекта кавитации для активации цементных вяжущих веществ. — Системные технологии. — 2021. — № 38. — С. 102—109.
4. Технологии кавитационной обработки нефти и нефтепродуктов [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://utinlab.ru/articles/obrabotka-nefti-i-nefteproduktov (дата обращения: 06.05.22)