XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Для проведения строго направленных фотохимических реакций используют монохроматическое излучение (лазеры). Лазерное излучение обладает уникальными свойствами, которых нет у обычных источников света. Благодаря уникальным свойствам появился ряд направлений применения лазерного облучения в переработке нефти и нефтепродуктов. 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, экологичность, эффективность, способность действовать на определенный процесс - выдвигают его в число наиболее перспективных направлений интенсификации процессов нефтепереработки.

Основные понятия интенсификации химико-технологических процессов методом лазерного облучения

Особые свойства лазерного излучения — высокая спектральная чистота и пространственная когерентность — позволяют, сильно увеличивая давление света, найти ему разные применения. Оно способно излучать мощные потоки световой энергии в узких интервалах, что позволяет осуществлять реакции избирательно. Монохроматичность лазерного излучения позволяет осуществлять резонансное воздействие на исходные или конечные вещества, что даёт возможность реализации селективных процессов.

Многие химические реакции сводятся к разрушению одних химических связей в молекулах и созданию других. Связи между атомами обусловливают колебательный спектр молекулы. Частоты линий этого спектра зависят от энергии связи и массы атомов. Под действием монохроматического Л. и. резонансной частоты отдельная связь может быть «раскачана». Такая связь легко может быть разрушена и заменена другой. Поэтому колебательно возбуждённые молекулы оказываются химически более активными.

Лазерное излучение может быть с успехом использовано для инициирования высокотемпературных и плазмохимических процессов, испарения и разложения нелетучих веществ, качественного и количественного анализа веществ, исследования механизмов химических реакций и интенсификации процессов локального окисления и восстановления.

В тех случаях, когда релаксационные процессы исключать не удаётся (длительное воздействие излучения, относительно большое давление газа, твёрдые тела), лазерное воздействие носит тепловой характер. Но резонансное поглощение излучения исходными или конечными продуктами хим. реакций влияет на ход хим. процессов и тогда, когда реагирующие атомы и молекулы находятся в состоянии локального теплового равновесия. Это происходит в силу обратной связи между химическими и тепловыми степенями свободы системы. Изменение в ходе реакции концентрации молекул, поглощающих лазерное излучение, приводит к изменению скорости ввода лазерной энергии, что меняет температуру реагентов, а значит, и скорость хим. реакций. Изменение интенсивности, длины волны или др. параметров лазерного излучения изменяет тип обратной связи, управляет динамикой процесса и составом продуктов реакции.

Применение лазерного облучения в нефтепереработке

Существует несколько направлений применения лазерного облучения для интенсификации процессов в нефтегазопереработке. Лазерное излучение может использоваться для определения активности катализаторов (патент РФ № 1640861), для очистки масляных фракций (патент РФ № 2107709), для приготовления катализаторов (патент РФ № 2301109), улучшения качества прямогонного дизельного топлива (заявка № 94032093).

Способ обработки нефти и нефтепродуктов путем воздействия лазерного излучения

Разработан способ обработки нефти и нефтепродуктов путем воздействия лазерного излучения. 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.

Рассмотрим примеры применения данного способа переработки:

– 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 96 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 тежелых углеводородов ведет к улучшению качества топлива, увеличению ресурса двигателя, более полному сгоранию топлива, умненьшению дымности выхлопа.

– Нефть обрабатывается лазерным излучением частотой 4,76 ˙ 10¹⁴ Гц, мощностью 0,02 Вт и следующими временными режимами: 1 раз 16 с; 5 раз по 25 с с паузой 6 мин; 5 раз по 29 с паузой 5 мин 30 с с помощью световодов. Далее нефть подвергается фракционной разгонке, при которой увеличение выхода составило: бензина 5,27%, керосина 4,2%, дизельного топлива 3,5%. Время фракционной разгонки нефти, подвергнутой лазерному воздействию, сокращается на 14%. Бензиновая фракция, отогнанная при фракционной разгонке, подвергается хроматографическому анализу на хроматографе для определения индивидуального углеводородного состава. Результат хроматографического анализа: содержание нормальных углеводородов снизилось на 2,5%, содержание изоалканов увеличилось на 4,3%, содержание нафтенов снизилось на 0,1%.

Очистка масляных фракций с использованием лазерного излучения

Разработана технология 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 - 50oС 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.%).

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 30-50oC, в зависимости от исходной вязкости масляных фракций. Ниже приведена принципиальная установка, предназначенная для обработки масляных фракций лазерным излучением (схема 1). 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.

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.

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 качест 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 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.

Скорость фильтрации при лазерной обработке растет за счет увеличения текучести жидкости. Кроме того, снижение степени диссоциации раствора уменьшает отложение осадков на перегородках фильтров, а также стенках транспортных коммуникаций.

Возможна обработка лазерным излучением и других нефтепродуктов (керосина, масел, мазута и др.) с помощью бортовых систем, размещенных на транспортном средстве.

Все это позволяет широко использовать метод лазерной обработки в нефтеперерабатывающей промышленности.

Список использованных источников

Кардашев Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии. – М.: Химия, 1990. – 208 с.

Завалинская И. С., Чиж Д. В., Ясьян Ю.П. Изменение свойств нефтяных фракций посредством лазерного воздействия // Химическая технология топлив и материалов. – 2014. – № 1. С. 11-16.

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ АКТИВАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЕЙСТВИЕМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Литвинова Т.А., Киреев С.С. В книге: Актуальные проблемы науки и техники материалы VII Международной научно-практической конференции молодых ученых. 2014. С. 169-171.

Способ переработки нефти и нефтепродуктов: пат. 2024596 Рос. Федерация; № 92001755/04, заявл. 22.10.1992; опубл.  15.12.1994

Способ очистки масляных фракций: патент Рос. Федерация; № 2107709; заявл. 01.09.1994; опубл. 27.03.1998

<p>Ващук Ю.В., Литвинова Т.А. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ НЕФТИ И ПРОДУКТОВ НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ // Материалы X Междуна-родной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» URL: <a href="http://scienceforum.ru/2018/article/2018008760">http://scienceforum.ru/2018/article/2018008760</a> (дата обращения: 27.04.2020 ).</p>

Код для цитирования: Скопировать