XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Актуальная проблема современной нефтяной промышленности – это падение найденных залежей легкой нефти, реально весь рост запасов приходится на тяжелую сернистую нефть. Ресурсы качественной нефти на работающих месторождениях уменьшаются, увеличивается добыча «тяжелой нефти» (ТН). Первое место по ресурсам ТН занимает Канада, на втором месте находится Венесуэла, из-за того, что добычей и переработкой ТН первыми заинтересовались эти страны. Россия занимает третье место в мире по запасам ТН. По некоторым данным российские запасы ТН и «природного битума» (ПБ) составляют от 6 до 75 миллиарда тонн. ТН очень энергоемка и сложна в переработке, поэтому требует больших денежных затрат и является убыточной. Содержание "светлых " (топливных) фракций в ней мало. Классическая схема позволяет получить из нефти не более 25 - 30 % этих фракций. Большое содержание серы, хлоридов и смолистых веществ уменьшает ресурс оборудования НПЗ. Еще более затруднительно перерабатывать нефтяные остатки, т.е. остатки нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, например, кубовые остатки после атмосферной или вакуумной перегонки, Светлых продуктов в них почти нет, а вредных примесей еще больше, чем в исходном сырье. Проблема углубления переработки – актуальна для всей мировой нефтеперерабатывающей промышленности на ближайшее время. Таким образом, подготовка тяжелой нефти к переработке, включающая не только удаление вредных примесей из сырья, но и повышение количества светлых целевых фракций выше их возможного содержания в исходном сырье, - процесс, определяющий эффективность всего нефтеперерабатывающего производства.

Во всем мире с недавних пор разрабатываются новые решения в переработке ТН, которые построены на комбинировании традиционных методов с изменениями на специфику сырья. Многие методы были отвергнуты, так как объемы добычи легкой нефти удовлетворяли спрос, но в связи с уменьшением запасов традиционных нефтей и увеличении доли ТН и ПБ у нефтяных компаний появляется интерес к этим технологиям. За рубежом применительно ко всем технологиям подготовки и переработки ТН используют термин "апгрейдинг". Апгрейдинг - процесс облагораживания ТН с изменением ее физико-химических свойств и перевод в более ценную «синтетическую нефть" (СН), имеющую плотность и вязкость, которая могла бы быть пригодна для переработки на действующих НПЗ как самостоятельно, так и в составе с обычной нефтью. В российской научно-исследовательской нефтяной практике до сих пор еще не создана терминология операций с тяжелыми нефтями, поэтому часто используется канадская терминология. - первичная обработка ТН с целью снижения вязкости для облегчения транспортировки по трубопроводам (разбавление растворителями, висбрекинг); - подготовка ТН к дальнейшей переработке с разделением ее на более легкую СН и тяжелый остаток. В эту категорию входят термические и экстракционные процессы (коксование, деасфальтизация и пр.); - непосредственная переработка ТН с получением качественной СН (каталитические и гидрокаталитические процессы). Апгрейдинг подразумевает использование нетрадиционных подходов (волновые воздействия, использование сверхкритических условий и пр.) в сочетании с известной технологией.

Существует современный метод переработки тяжелой нефти с использованием радиационно-волнового излучения. Обычно под понятием радиация подразумевается высвобождение частиц и их дальнейшее распространение в виде волн. Под радиоактивностью понимают самостоятельный распад ядер атомов с образованием множества заряженных частиц потоков волновой энергии. Такие вещества, которые осуществляют данное явление, называют радионуклидами. Что же такое радиоактивное излучение? В этот термин включаются как радиоактивные, так и радиационные излучения. Основное действие состоит в том, что направленный поток элементарных частиц большой энергии, вызывает ионизацию любой среды, попадающей на их пути: воздух, жидкости, металлы, минералы и другие вещества. Ионизация всякого материала приводит изменению его структуры и основных свойств. Рассмотрим некоторые экспериментальные и действующие промышленные технологии радиационно-волнового крекинга тяжелых нефти. Специалистами ИХТТМ, ИЯФ, ИХН, НИОХ был проведен физико-химический эксперимент:

А так же коллективом ученых РАН разработана технология низко-температурного крекинга для облагораживания высоковязких нефти "Тирус" В основе процесса лежит активация процесса кавитации в сырье под влиянием волновой обработки. Связи обрываются в молекулах нагретого сырья, из-за резонансных колебаний. Этот метод выделяется низкой металлоемкостью, и без использования дорогих катализаторов. Основным продуктом является обширная дистиллятная фракция, которая имеет выход на сырье около 75%. Как считают разработчики, оставшийся продукт крекинга можно использовать в качестве строительного или дорожного битума. Рабочей группой Института физической химии РАН разработан похожий процесс. В этом случае также сочетают термическое и волновое воздействие. Данная технология осуществляется при помощи установки электронно-лучевой обработки, которая является источником ионизирующего излучения, машина позволяет разрушать высокомолекулярные соединения с получением синтетической нефти. Процесс осуществляется при температуре 375-425°С, доза облучения порядка 11 кГр (110 000 рад). Технология радиационного крекинга (радиолиза) "Petrobeam" – это "бомбардировка" электронами реакционной массы в реакторе, куда подается сырье и ионизированный воздух. Почти нет необходимости в нагреве, и использовании катализатора. Электроэнергия используется для генерации воздействия. Результатом обработки является широкая дистиллятная фракция, газы и остаток. Технология радиационно-волнового крекинга активно исследуется и в нашей стране. Группой разработчиков создан процесс радиационно-волнового крекинга («РВК»). Сырье распыляется в турбулентный поток газа-носителя (природный, попутный, нефтезаводской газ), который движется касательно к поверхности реактора в восходящем направлении со скоростью 10-30 м/с. Реагирующая масса вместе с тем облучается «сверхвысокочастотными» (СВЧ) волнами и ионизирующим излучением. Происходит возбуждение сырья с получением радикалов и ассоциатов, под воздействием потока ускоренных электронов. Образовавшиеся нестабильные связи по цепному механизму инициируют реакции деструкции. Продуктами радиолиза являются облегченные дистилляты, которые представляют с собой бензиновые и дизельные фракции. Рассмотрим подробнее данную технологию. Использование вихревого эффекта (эффекта Ранка) на несколько порядков увеличивает производительность реактора. Создание компактной установки за счет использования вихревых потоков открывает возможность промышленной применимости технологии. Способ переработки нефти и нефтепродуктов, заключается в их распылении в газовом вихревом потоке, образуемом в пристеночной части цилиндрического реактора с возникновением эффекта Ранка (образованием вихревого потока в центральной, приосевой части цилиндрического реактора). Воздействием ускоренных электронов и СВЧ электромагнитным излучением инициируют реакции укрупнения легких осколков молекул газа и деструкцию тяжелых молекул нефти в каплях жидкости с образованием целевых продуктов в вихревом потоке из центральной части и частично периферической части цилиндрического реактора, которые выводят из реактора. Можно непрерывно облучать вихревой поток у пристеночной части цилиндрического реактора ускоренными электронами, через отверстие в цилиндрической стенке реактора, вместе с тем частицы исходного сырья многократно проходят напротив этого отверстия. Образуются целевые продукты по радикальному механизму. Выход продуктов зависит от Zo - скорости встреч образовавшихся радикалов (например, а и b), которая определяется из физико-химического расчета процесса диффузии по формуле Смолуховского:

(1),

где Rab - расстояние между радикалами ,

Dab - коэффициент взаимной диффузии взаимодействующих радикалов Na и Nb - концентрации радикалов aи b соответственно.

Стартовое сырье можно распылять в газовом вихревом потоке с образованием частиц размером менее 50 мкм. Формула, по которой определяется эффективная площадь контакта газовой и жидкой фаз S имеет вид:

(2),

где Vж - объем жидкой фазы ,

d - диаметр частиц.

По выражению (1) видно, что наибольшая вероятность рекомбинации радикалов газа с радикалами жидкости достигается тогда когда происходит уменьшение размеров частиц, которое приводит к увеличению площади соприкосновения газовой и жидкой фаз. Через окно в торцевой части реактора можно направлять СВЧ электромагнитное излучение вдоль оси вихревых потоков (вдоль реактора), облучая СВЧ электромагнитным излучением. Реактор, выполненный в виде отрезка трубы с торцевыми стенками и отверстиями, для ионизирующего излучения и СВЧ электромагнитного излучения дает хорошие технические результаты. Нефть или нефтепродукты, распыленные с потоком газа направляются по тангенциальной к внутренней цилиндрической поверхности и к противоположному концу трубы, где не полностью выводятся. Возникновение Эффекта Ранка, заключающийся в образовании более холодного вихревого потока в приосевой центральной части реактора, который выводится из реактора со стороны ввода в реактор потока газа вместе с распыленной в нем нефтью или нефтепродуктом, добиваются регулированием давления вихревого потока отдаленной части реактора. Для ионизирующего излучения ускоренных электронов в цилиндрической стенке реактора, реактор может быть выполнен с отверстием в виде щели, вытянутой вдоль реактора. Для СВЧ электромагнитного излучения реактор может быть выполнен с окном в его торцевой стенке.

Разработанная технология РВК дает увеличение выхода качественного продукта на 50-1 10 %, падение энергозатрат в 5-10 раз по сравнению с термическими технологиями. В то же время получаемый продукт нефтепереработки удовлетворяет спрос потребителей, на местах производства улучшается экологическая обстановка из-за утилизации в качественный продукт различных твердых и газообразных отходов.

Заключение

Анализ рассмотренных методов и технологий показывает, что новые технологии переработки тяжелых нефтей весьма разнообразны и имеют разную степень применимости: одни исследованы в лабораторных условиях, другие уже представлены в виде пилотных установок.

Список использованных источников:

С. А. Ахметов Лекции по технологии глубокой переработки нефти в моторные топлива: Учебное пособие. – СПб.:Недра, 2007. – 312с.

Золотухин В. А. Глубокая переработка тяжелой нефти и нефтяных остатков// Сфера Нефтегаз, №4, 2012, С. 70-75 23.

Курочкин А.К., Топтыгин С.Л. Синтетическая нефть. Безостаточная технология переработки тяжелых российских нефтей на промыслах. // СФЕРА. Нефтегаз. 2010, №1 С 92-105 

Электронный УМКД "Физическая и коллоидная химия: учебно-методический комплекс дисциплины для специальностей технологического направления"Боровская Л.В.ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР». Москва, 2010.

Термодинамические свойства природных олигомеров Данилин В.Н., Боровская Л.В., Доценко С.П.В книге: Термодинамика и материаловедение полупроводников Тезисы докладов. 1997. С. 127.

Исследование термодинамических свойств карбоновых кислот методом ДСК. Боровская Л.В.//Фундаментальные исследования. 2013. № 6-5. С. 1120-1123.

http://www.freepatent.ru/images/patents/87/2376340/patent-2376340.pdf

https://obotravlenii.ru/izluchenie/radioaktivnoe/vidy-radioaktivnyh-izluchenij-i-ih-opasnost.html

https://www.sbras.ru/files/academician/aseev_sbras_22-04-10-3.pdf

https://cyberleninka.ru/article/v/novye-tehnologii-pererabotki-tyazhelyh-neftey-i-prirodnyh-bitumov.

Код для цитирования: Скопировать