X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В силу своих уникальных свойств, лазерная обработка нашла широкое применение в нефтеперерабатывающей промышленности. В российских патентах описано, например, около десятка конкретных вариантов применения лазерной технологии для обработки нефти, бензина, дизельного топлива. Обработка нефти и нефтепродуктов низкоэнергетическим лазерным излучением существенно повышает эффективность процессов нефтепереработки и улучшает качество моторных топлив. Преимущества лазерного метода – простота технологического оборудования, низкое энергопотребление, сокращение времени переработки нефти, также преимущества в области экологии и защиты окружающей среды – выдвигают его в число наиболее перспективных физических методов активации процессов нефтепереработки.

Углубление переработки, повышение эффективности, улучшение качества нефтепродуктов всегда было и остается в ряду наиболее актуальных проблем нефтеперерабатывающих предприятий. Основными путями преодоления данных проблем являются следующие: разработка новых типов катализаторов, применение новых конструктивных и технологических решений при вводе новых производственных установок и т.д., что является трудноосуществимым по причине требуемых значительных капиталовложений и длительности по времени. Между тем, заметное повышение эффективности мощностей технологических процессов возможно путем интенсификации уже существующих с использованием физико-химических методов воздействия (электромагнитное поле, лазерное излучение, ультразвук и др.). В силу своих уникальных свойств, лазерная обработка нашла широкое применение в нефтеперерабатывающей промышленности.

Для передачи лазерного излучения технологическому объекту и управления пучком служат специальные энергетические оптические системы. С помощью фокусирующих, отражающих и преломляющих оптических элементов излучение лазера может быть подведено к заданным зонам обработки. Для изменения направления излучения с длиной волны, лежащей в видимой и ближней инфракрасной частях спектра, используют призмы полного внутреннего отражения и интерференционные зеркала с многослойными диэлектрическими покрытиями. На длине волны 10,6 мкм применяют зеркала с покрытиями из золота и алюминия. Для перемещения луча в пространстве используют системы подвижных зеркал. В промышленных лазерах применяют фокусирующие системы телескопического и проекционного типов [1].

Обработка нефти и нефтепродуктов низкоэнергетическим лазерным излучением существенно повышает эффективность процессов нефтепереработки и улучшает качество моторных топлив.

Разработана технология обработки нефти и нефтепродуктов воздействием лазерного излучения с частотой 4,76 10 - 4,76 10(' 14) Гц мощностью 0,02 Вт, экспозицией от 16 с до 15 мин с интервалами между воздействием лазерным излучением от 25 с до 6 мин с последующей переработкой или использованием полученного продукта. Данная технология может использоваться в процессе переработки нефти и для повышения эффективности нефтепродуктов - (бензин, керосин, дизельное топливо и т.д.), при их использовании в двигателях.

Известен способ [2] обработки углеводородов лазерным излучением с длиной волны 248 нм, длительностью импульса равной 2,10^-8 с, с частотой следования импульсов 40 Гц, энергией лазерного импульса от 0 до 40 мДж. Однако, при данном способе, используемые режимы лазерного излучения не позволяют использовать их в процессе нефтепереработки, а также для повышения эффективности нефтепродуктов - моторных топлив (бензин, дизельное топливо и т.д.), при их использовании в двигателях. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ обработки углеводородов непрерывным лазерным излучением с длиной волны 10,67 мкм, мощностью 10 Вт/см². Однако в способе-прототипе используемые режимы лазерного излучения не позволяют использовать их в процессе переработки нефти, а также использовать их для повышения эффективности нефтепродуктов - моторных топлив (бензин, дизельное топливо и т.д.), при их использовании в двигателях.

Способ осуществляется следующим образом. Проводится обработка лазерным излучением частотой 4,76 10¹⁴ Гц, мощностью 0,02 Вт, при экспозиции от 16 с до 15 мин с интервалами между облучениями от 25 с до 6 мин нефти перед ее дальнейшей переработкой, а также нефтепродуктов (бензин, дизельное топливо и т.д.) перед их использованием в двигателе.

Пример 1. Нефть обрабатывается лазерным излучением частотой 4,76 10¹⁴ Гц, мощностью 0,02 Вт и следующими временными режимами: 1 раз 1 мин; 5 раз по 2 мин с паузой 5 мин 45 с; 5 раз по 2 мин 20 с с паузой 6 мин с помощью световодов. Далее нефть подвергается фракционной разгонке, при которой увеличение выхода составило: бензина 4,2% , керосина 5,4%, дизельного топлива 6,5%. Время фракционной разгонки нефти, подвергнутой лазерному воздействию, сокращается на 21% [2] .

Пример 2. Бензин обрабатывается лазерным излучением частотой 4,76 10¹⁴ Гц, мощностью 0,02 Вт и следующими временными режимами: 1 раз 1 мин; 5 раз по 2 мин с паузой 5 мин 45 с; 5 раз по 2 мин 20 с с паузой 6 мин с помощью световодов. При фракционной разгонке бензина время от начала нагрева до начала кипения сокращается на 22,2%. Время выкипания 10% снижается на 10,17%, что свидетельствует об образовании более легких фракций, улучшающих пусковые свойства топлива, особенно в зимнее время года. Время разгонки от 10% до 90%, характеризуемое 50% точкой разгона, сокращается на 41,45%, следовательно, происходит увеличение группы углеводородов, положительно влияющих на приемистость двигателя, устойчивость его работы, равномерность распределения топлива по цилиндрам двигателя, скорость прогрева двигателя, на однородность состава рабочей смеси. Время выкипания фракции от 90 до 97,5% сокращается на 31,4% , что свидетельствует об уменьшении количества тяжелых углеводородов, влияющих на склонность топлива к конденсации, которое оставаясь в капельно-жидком состоянии, проникает в картер двигателя, что приводит к смыванию смазки, повышенному износу деталей, увеличению расхода топлива. Уменьшение количества тяжелых углеводородов ведет к улучшению качества топлива, увеличению ресурса двигателя и повышению его экономичности. Топливо становится менее токсичным [2].

Пример 3. Дизельное топливо обрабатывается лазерным излучением частотой 4,76 1014 Гц, мощностью 0,02 Вт и следующими временными режимами: 1 раз 9 мин, 5 раз по 14 мин с паузой 5 мин 4 секунд; 5 раз по 15 мин с паузой 6 мин с помощью световодов. При фракционной разгонке дизельного топлива время от начала нагрева от кипения сокращается на 5%, время выкипания 10% сокращается на 10%, время выкипания 50% - без изменения. Время выкипания 90% сокращается на 10%, температура конца кипения фракции снижается с 375 до 360 ^оС, что свидетельствует об уменьшении количества тяжелых углеводородов, влияющих на склонность топлива к конденсации, которое проникая в картер двигателя приводить к смыванию смазки, повышенному износу деталей, увеличению расхода топлива. Уменьшение количества тяжёлых углеводородов ведет к улучшению качества топлива, увеличению ресурса двигателя, более полному сгоранию топлива, уменьшению дымности выхлопа [2].

Серия работ, проведенных на дизельном топливе, показала увеличение цетанового числа на 14 ед.

Разработана технология [3] очистки масляных фракций, при которой осуществляется предварительное воздействие на масляные фракции непрерывного излучения с длиной волны 0,2 - 5,0 мкм и мощностью 20 - 100 Вт, причем подачу масляных фракций в зону воздействия лазерного излучения осуществляют в ламинарном режиме. Целесообразно осуществлять подачу масляных фракций с постоянной скоростью, нагретыми до 30 - 50^oС для улучшения текучести. После лазерной обработки осуществляют обработку селективным растворителем. Предлагаемый способ позволяет увеличить выход рафината до 64,5 - 65,0 мас.% и улучшить его качественные показатели (содержание серы снижается до 0,6 мас.%, смол до 0,7 мас.%).

Известно, что для повышения выхода рафината в процессе очистки масляных фракций можно использовать различные способы: 1) применять растворитель с наилучшей растворяющей способностью 2) вводить присадки в процессе очистки масляных фракций селективным растворителем, например, полиметилсилоксан 3) улучшать качество исходного сырья, причем чем уже фракционный состав и однороднее химический состав масляных фракций, тем больше выход рафината высокого качества. Однако в настоящее время при очистке масляных фракций наиболее широко используются лишь такие растворители, как фенол и фурфурол, которые не обеспечивают достаточного выхода рафината высокого качества. При применении фенола можно обеспечить высокий выход рафината, но худшего качества, а при использовании фурфурола - меньший выход рафината более высокого качества. Переход с одного типа растворителя на другой всегда сопряжен с необходимостью вносить конструктивные изменения в блок регенерации.

Проведение процесса очистки с использованием этих растворителей в присутствии добавок повышает выход рафината, однако в некоторых случаях добавки могут переходить в состав очищенного масла и ухудшать его эксплуатационные характеристики. Использование в качестве исходного сырья масляных фракций с более узким фракционным составом не всегда экономически выгодно, так как чем уже состав фракций, тем меньше их отбор в процессе выделения их вакуумной перегонкой из мазута.

Известно воздействие импульсного лазерного УФ-излучения на насыщенные углеводороды. Процесс осуществляют следующим образом. Алканы, содержащие поглощающие добавки, в стеклянной кювете подвергают воздействию импульсным лазерным УФ-излучением с длиной волны 248 нм, частотой поглощения 50 Гц. При этом было показано, что основными продуктами превращения алканов являются олефины C₂-C₆ и ароматические углеводороды.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ очистки масляных фракций обработкой селективным растворителем, таким как фурфурол, фенол, N-метилпирролидон и др. Процесс ведут при температуре ниже критической температуры растворения сырья в данном растворителе.

Недостатком прототипа является то, что в нем не обеспечивается необходимая степень очистки масляных фракций от смолистых и полиароматических соединений, при этом характеризуется недостаточно высоким выходом рафината.

Разработан способ очистки масляных фракций, включающий обработку их избирательным растворителем, отличительная особенность которого состоит в том, что масляные фракции предварительно подвергают воздействию непрерывного лазерного излучения с длиной волны 0,2-5,0 мкм и мощностью 20-100 Вт, причем подачу масляных фракций в зону воздействия лазерного излучения осуществляют в ламинарном режиме, после чего осуществляют обработку избирательным растворителем. Желательно подавать масляные фракции в зону воздействия лазерного излучения с постоянной скоростью. Для обеспечения ламинарного режима истечения масляных фракций целесообразно их подогревать до 30-50^oC, в зависимости от исходной вязкости масляных фракций.

Ниже приведена принципиальная установка, предназначенная для обработки масляных фракций лазерным излучением (схема 1) [3].

Способ осуществляют следующим образом.

Вначале при минимальной мощности лазера осуществляют юстировку оптики и регулировку пересечения струи масла с лучом лазера. После проведения регулировочных работ включают лазер на рабочий режим излучения мощностью 20-100 Вт. Заполняют верхнюю емкость 5 необходимым количеством нефтепродукта, открывают кран 7, на выходе из которого образуется ламинарная струя масляной фракции. Далее масляная фракция струей около 4 мм проходит через центр луча и подвергается воздействию его электромагнитного поля. После этого через воронку 8 фракция сливается в нижнюю емкость 9.

Схема 1 – Установка, предназначенная для обработки масляных фракций лазерным излучением : лазерный излучатель 1, блок 2 зажигания, стойка 3 питания и охлаждения, подставка 4 под излучатель, верхняя емкость 5, стол 6, кран 7 с калиброванным отверстием в пробке, воронка 8, нижняя емкость 9, штатив 10, масляная фракция 11.

Для обеспечения текучести масляных фракций их предварительно подогревают до 30-50^oC. Нагревать выше 50^oC не следует исходя из условий пожарной безопасности, предотвращения возгорания масляных фракций. Скорость истечения поддерживают в пределах 0,30 л/мин для фракций, выкипающих в пределах 275-400^oC, и 0,2 л/мин фракций, выкипающих в пределах 325-450^oC.

Масляные фракции после лазерной обработки подвергают селективной экстрактивной очистке избирательным растворителем, таким, как фенол, фурфурол, N-метилпирролидон и др.

Процесс обработки масляных фракций растворителем ведут при температурах ниже критической растворения фракций в растворителе. При необходимости для повышения выхода рафината процесс очистки можно проводить в присутствии добавок, например, полиметилсилоксана (ПМС-200А) для фенола, фенозана и агидола для фурфурола и др.

Предварительная обработка масляных фракций непрерывным лазерным лучом с длиной волны 0,2-5,0 мкм и мощностью 20-100 Вт при подаче масляной фракции в зону облучения в ламинарном режиме с постоянной скоростью позволяет улучшить химический состав фракций и сузить их фракционный состав, что дает возможность при обработке селективным растворителем увеличить выход рафината и поднять его качественные показатели (уменьшается содержание серы и смол).

Способ обработки нефти и нефтепродуктов лазерным излучением обладает следующими преимуществами:

-при обработке нефти повышается процент выхода нефтепродуктов – бензина на 6,16%, керосина на 4,73%, дизельного топлива на 4,7%, сокращается время переработки нефти на 21%, улучшается качество бензиновых фракций.

-при обработке бензина улучшаются пусковые свойства топлива, улучшается приемистость двигателя, устойчивость его работы, равномерность распределения топлива по цилиндрам двигателя, однородность состава рабочей смеси. Уменьшается склонность топлива к конденсации; снижается расход топлива; увеличивается ресурс двигателя и повышается его экономичность; снижается количество вредных примесей в выхлопных газах; повышается октановое число топлива примерно на 5 ед.

-при обработке дизельного топлива улучшаются распыливание и полнота сгорания топлива; уменьшаются нагарообразование в зоне цилиндропоршневой группы и склонность топлива к конденсации; снижается износ деталей; увеличивается ресурс двигателя; снижается количество вредных примесей в выхлопных газах; повышается цетановое число.

Возможна обработка лазерным излучением и других нефтепродуктов (керосина, масел, мазута и др.).

Все это позволяет рекомендовать широко использовать метод лазерной обработки в нефтеперерабатывающей промышленности. Возможна обработка лазерным излучением нефтепродуктов (бензина, керосина, дизельного топлива и др.) с помощью бортовых систем, размещенных на транспортном средстве.

Также перспективным является применение лазерного излучения при очистки масляных фракций. Данный метод позволяет улучшить химический состав фракций и сузить их фракционный состав, что дает возможность при обработке селективным растворителем увеличить выход рафината и поднять его качественные показатели (уменьшается содержание серы и смол).

Список литературы

Кардашев А.Г. Физические методы интенсификации процессов химической технологии. Химия, 1990. — С.208

Способ обработки нефти и нефтепродуктов: патент РФ № 2024596; бюл.№27; заявл. 1992-10-22; опубл. 15.12.1994

Способ очистки масляных фракций: патент РФ № 2107709; заявл. 1994-09-01; опубл. 27.03.1998

Код для цитирования: Скопировать