Интенсификация процессов переработки углеводородного сырья воздействием постоянного магнитного поля

Тема диссертации и автореферата по ВАК 05.17.07, доктора технических наук Пивоваровой Надежды Анатольевны

Год:
2005
Автор научной работы:
Пивоварова Надежда Анатольевна
Ученая cтепень:
доктор технических наук
Место защиты диссертации:
Москва
Код cпециальности ВАК:
05.17.07
Специальность:
Химия и технология топлив и специальных продуктов
Количество cтраниц:
362

Оглавление диссертации

Введение.

1. Мировой и отечественный опыт интенсификации процессов переработки углеводородного сырья посредством его активации.

1.1 Современные представления о природе и строении углеводородного сырья.

1.1.1. Основные характеристики и строение нефтяных дисперсных систем.

1.1.2. Особенности межмолекулярного взаимодействия в нефтяных дисперсных системах.

1.1.3. Изменение строения и свойств нефтяных дисперсных систем под влиянием внешних воздействий.

1.2. Нетрадиционные методы активирования углеводородного сырья.

1.2.1 Активирование углеводородного сырья с помощью различных волновых воздействий.

1.2.2 Методы активирования углеводородного сырья воздействием магнитных полей.

1.3. Влияние воздействия постоянного магнитного поля в динамическом режиме на жидкое состояние вещества.

1.3.1. Влияние магнитного поля на водные системы.

1.3.2. Влияние магнитного поля на углеводородные системы.

1.3.3. Условия и общие закономерности магнитной обработки жидкостей.

1.4. Основные типы и классификация промышленных аппаратов для магнитной обработки жидкостей.

Введение диссертации (часть автореферата)

Актуальность: Создание современного, высокоэффективного и экологически безопасного производства по переработке углеводородного сырья требует разработки и внедрения новых технологий для интенсификации химико-технологических процессов и совершенствования мер по ресурсо- и энергосбережению.

Традиционными путями решения проблемы является применение новых конструкционных, технологических и технических решений, разработка новых типов катализаторов и т.п. Это требует больших капитальных вложений, значительного времени и осуществимо, главным образом, на этапе проектирования и при вводе в строй новых установок. Значительного повышения эффективности производства и качества получаемых продуктов, в том числе и на действующих установках, можно добиться путем применения нетрадиционных способов воздействия на углеводородное сырье. В этом плане все большее применение находят волновые безреагентные методы, реализуемые на основе физических принципов: электрических, магнитных, радиационных, акустических, микроволновых, вибрационных, лазерных. Используется также энергия взрыва, плазма низкой плотности, барьерный разряд, ионизирующие излучения.

Среди волновых методов воздействия на жидкие системы наиболее универсальным, эффективным и несложным с технической точки зрения является магнитная обработка. Во всех вариациях применения магнитного поля можно провести их условное разделение на следующие группы: магнетохи-мия, облучение потока переменным магнитным полем и поточная обработка в постоянном магнитном поле.

Интенсификация технологических процессов в соответствии с классическими принципам магнетохимии достигается воздействием магнитных полей высокой напряженности на системы, обладающие достаточно высокой магнитной восприимчивостью, является ограничением ее применимости. Кроме того, способ весьма сложен в техническом отношении. Практическое значение имеют поточные методы обработки жидкостей переменным и постоянным магнитными полями.

Началом промышленного использования постоянного магнитного поля считают 1945 год, когда Т. Вермейреном был запатентован способ магнитной обработки питательной воды для парового котла с целью снижения накипе-образования. Впоследствии применение магнитного поля распространилось на другие отрасли техники, в частности в строительстве при производстве бетона, цемента, кирпича, для флотационного обогащения полезных ископаемых, при производстве бумаги, в текстильной промышленности, для получения различных реагентов, при очистке воды, для борьбы с коррозией и многое другое. Широкое распространение магнитная обработка воды приобрела также в сельском хозяйстве и медицине.

Достаточно интенсивные исследования и внедрения магнитной обработки жидкостей начались в мире, в т.ч. в СССР в 50-х годах. Несколько позже на возможность использования магнитного поля обратили внимание нефтяники - примерно в 1960-х годы. При разработке и эксплуатации нефтяных месторождений применение магнитной обработки позволяло снижать отложения неорганических солей и парафино-асфальто-смолистых инкрустаций, разделять водонефтяные эмульсии и облегчать транспортировку нефти.

Использование магнитного поля в процессах переработки углеводородного сырья начато относительно недавно. Исследования в этой области весьма немногочисленны, применяемые методы отличаются один от другого, а получаемые результаты зачастую несопоставимы.

Тем не менее, положительные примеры применения магнитного поля при переработке углеводородных систем в сочетании с простотой эксплуатации, безреагентностью, экологической чистотой и быстрой окупаемостью открывают новые возможности интенсификации процессов [1-5].

В 1993 было принято постановление Правительства РФ № 4051 «О развитии научно-производственной деятельности в области магнитрологии и создании магнитронов», в котором в п. 5 Министерству топлива и энергетики

РФ предписывалось ускорить выполнение работ по широкому внедрению магнитронов в технологических процессах добычи, транспорта и переработки нефти.

Цель: Исследования влияния магнитного поля в динамическом режиме на показатели различных процессов переработки углеводородного сырья и разработка способов их интенсификации. Обоснование механизма активации углеводородного сырья под влиянием магнитного поля. Разработка принципиальных технологических схем и устройств для практической реализации способов магнитного активирования углеводородного сырья в различных процессах его переработки и сопутствующих им технологическим операциям.

Задачи для достижения поставленной цели:
- Исследование физико-химических, реологических, дисперсных и парамагнитных характеристик остатков перегонки газоконденсата и нефти и их изменения под воздействием постоянного магнитного поля в динамическом режиме;
- Экспериментальное исследование предварительного магнитного активирования углеводородного сырья и нефтепродуктов в различных процессах их переработки и применения (обезвоживания и обессоливания, перегонка, висбрекинга, демеркаптанизации, топливоиспользовангия);
- Экспериментальное исследование предварительного магнитного активирования водных систем в сопутствующих процессах переработки углеводородного сырья и на объектах общезаводского хозяйства ГПЗ и НПЗ (фильтрация абсорбента при сероочистке газа, гидроочистка с применением модифицированных катализаторов, водоподготовка, генерация пара);
- Обоснование механизма воздействия магнитного поля на углеводородные системы;
- Разработка принципиальных технологических схем практической реализации способов магнитной активирования углеводородного сырья в различных процессах его переработки и сопутствующих им технологическим операциям;

Разработка лабораторных и промышленных устройств для обработки жидких систем;

Технико-экономическая и экологическая оценка предложенных способов интенсификации процессов переработки углеводородного сырья; Научная новизна:

Впервые выполнены системные исследования влияния воздействия магнитного поля в динамическом режиме на дисперсные, реологические и парамагнитные характеристики остатков перегонки газоконденсата и нефти. Установлены зависимости изменения этих характеристик от режима магнитной обработки; Разработаны и научно обоснованы способы:
- повышения эффективности обессоливания и обезвоживания углеводородного сырья с применением магнитной обработки водонефтя-ных эмульсий и раствора деэмульгатора;
- увеличения отбора дистиллятных фракций при вакуумной перегонке углеводородных остатков, предварительно обработанных в магнитном поле;
- снижения коксообразования и повышения выхода светлых при вис-брекинге остаточного сырья под воздействием магнитного поля;
- увеличения степени очистки углеводородного сырья от меркаптанов при магнитном активировании реакционной смеси;
- повышения степени гидрообессеривания за счет увеличения активности и механической прочности катализатора, полученного с применением магнитного поля на стадии пропитки;

Установлены закономерности фильтрации аминового раствора от механических примесей с предварительной обработкой в магнитном поле в процессе сероочистки газа;

Предложены и практически реализованы принципы выбора параметров магнитной обработки жидких систем в процессах переработки углеводородного сырья;

Разработаны оригинальные конструкции устройств для обработки жидких систем в лабораторных и промышленных условиях, обеспечивающие широкий интервал параметров магнитной обработки. Предложены критерии и способы экспресс-оценки эффективности магнитной обработки жидких систем;

Научно обоснован механизм воздействия постоянного магнитного поля на углеводородные системы, базирующийся на изменении его дисперсных и парамагнитных характеристик; Положения, выносимые на защиту:

Закономерности изменения характеристик углеводородного сырья при воздействии постоянного магнитного поля в динамическом режиме; Повышение эффективности процессов переработки углеводородного сырья и применения нефтепродуктов при воздействии постоянного магнитного поля в динамическом режиме (обессоливание и обезвоживание, перегонка, висбрекинг, демеркаптанизация, гидрообессеривание, сероочистки газа, топливоиспользование);

Обоснование механизма воздействия постоянного магнитного поля в динамическом режиме на углеводородные системы; Технологические аспекты выбора параметров магнитного активирования углеводородных и водных систем;

Принципы разработки промышленных схем, узлов и устройств для магнитной обработки жидких систем в процессах переработки углеводородного сырья и сопутствующих им технологических операциях; Практическая реализация магнитного активирования жидкостей в схемах нефте- и газоперерабатывающих комплексов;

Технико-экономические и экологические аспекты воздействия постоянного магнитного поля на жидкие системы в нефте- и газоперерабатывающей промышленности;

Практическая ценность: Решена важная народнохозяйственная проблема по интенсификации процессов переработки углеводородного сырья посредством применения постоянного магнитного поля для активирования углеводородных и водных систем. Разработаны и предложены для практического использования научно-обоснованные рекомендации и мероприятия по использованию магнитной обработки жидких систем, схемы технологических процессов и конструкции аппаратов для ее реализации. Так, применение способа обезвоживания и обессоливания водонефтяных эмульсий с предварительной обработкой в магнитном поле растворенного деэмульгатора, увеличивает степень обезвоживания водонефтяной эмульсии на 5-30%, а при сохранении той же степени снижает расход деэмульгатора в 1,3-2 раза раз по сравнению с традиционными технологиями.

Предварительная магнитная обработка остатков атмосферной перегонки газоконденсата и нефти приводит к увеличению отбора дистиллятных фракций до 6% об., а при равном отборе температура процесса снижается на 5-25°С в зависимости от типа остаточного нефтепродукта, что существенно уменьшает энергозатраты на проведения процесса вакуумной разгонки.

В процессе висбрекинга углеводородных остатков под воздействием магнитного поля увеличивается выход светлых продуктов на 4-8 % масс, и одновременно снижается коксообразование в 1,2 - 2,3 раза, что приводит к увеличению межремонтного пробега установок висбрекинга.

При окислительной демеркаптанизации газоконденсата и его фракций предварительное воздействие магнитного поля на реакционную смесь приводит к увеличению степени очистки на 3-11%., причем способ характеризуется отсутствием кислотно-щелочных стоков.

Применение магнитной обработки дизельного топлива перед подачей в двигатель вызывает снижение содержания моноксида углерода в отработавших газах в 1,7 раза и уменьшает удельное потребление топлива на 5%.

Эффективность фильтрации аминового раствора на установке сероочистки газа при использовании магнитной обработки повышается в среднем в 2,6 раз. Это приводит к уменьшению пенообразования в абсорберах, а, следовательно, снижает расход дорогостоящего пеногасителя и стабилизирует работу установки в целом.

Повышение эффективности гидрообессеривания нефтяного сырья происходит за счет увеличения объемной активности модифицированного катализатора на 12-16%. При равном содержании активных металлов на катализаторе гидроочистки температура процесса снижается на 10-30°С, что значительно снижает энергоемкость процесса и удлиняет срок службы катализатора.

Применение магнитного поля на объектах общезаводского хозяйства нефте- и газоперерабатывающих заводов стабилизирует и повышает эффективность работу технологической цепи. Так, при использовании магнитной обработки воды в процессе деминерализации воды отмечено повышение полезной емкости на 20%. В свою очередь это приводит к увеличению производительности ионообменников, снижению расхода кислоты на регенерацию, уменьшению потребления свежей воды и общего количества сточных вод, увеличению срока службы катионита. Существенно улучшается работа паровых котлов при использовании магнитной обработки питательной воды, в несколько раз снижается количество аварий и простоев из-за ремонта.

Реализация:

1. На Астраханском ГПЗ принят к внедрению на установке ЭЛОУ способ обезвоживания и обессоливания газоконденсата с применением воздействия постоянного магнитного поля, выданы исходные данные для проектирования устройства для магнитной обработки и его привязки в технологической линии. Среднегодовая прибыль оценивается в 640 тыс. руб.

2. На Астраханском ГПЗ успешно прошли опытно-промышленные испытания усовершенствованной технологии фильтрации аминового раствора, предварительно обработанного в постоянном магнитном поле. Экономический эффект составил 473 тыс. руб.

3. На Астраханском ГПЗ проходит опытно-промышленные испытания метод магнитного активирования дизельного топлива на дизельном транспорте. Ожидаемый экономический эффект составляет до 50 тыс. руб./год на каждый автомобиль.

4. В программах развития Астраханского ГПЗ предусмотрено использование технологии интенсификации процессов висбрекинга и перегонки мазута астраханского газоконденсата, окислительной демеркаптанизации газоконденсата с использованием предварительного воздействия магнитным полем на сырье. Ожидаемый эффект 20-35 млн. руб.

5. На ОАО «Московский НПЗ» проходят пилотные испытания по интенсификации водоочистки с применением магнитной обработки.

6. В программах среднесрочного этапа модернизации ОАО «Московский НПЗ» предусмотрено использование положений и принципов магнитного активирования нефтяного сырья при разработке ТЭО реконструкции установок АВТ и висбрекинга.

7. На ООО ТНК «Промкатализ» наработана промышленная партия катализатора гидроочистки, полученного с применением магнитного поля. Ожидаемый экономический эффект от улучшения качества катализатора составляет 1,5 млн. руб.

8. На НПЗ «Эрманос Диас» находится в промышленной эксплуатации узел магнитной обработки питательной воды парового котла. Экономический эффект 48,3 тыс. долларов США/год.

9. На Рязанском заводе железобетонных изделий ЖБИ-6 находится в промышленной эксплуатации узел магнитной обработки питательной воды парового котла.

10. В Астраханском научно-исследовательском и проектном институте газа (АНИПИГАЗ) использованы основные положения диссертации при разработке заданий ОАО «Газпром» и ООО «Астраханьгазпром» по темам: «Исследование состава и дисперсной структуры газоконденсатных остатков Астраханского ГПЗ с целью повышения эффективности их дальнейшей переработки» (Н-18/2001), «Применение метода магнитной обработки аминового раствора на блоке фильтрации установки сероочистки» (№ 917/2001), «Разработка способов демеркаптанизации продукции астраханского ГПЗ» (№ Н-16/2001), «Разработка способа интенсификации обессо-ливания газоконденсата» № П-4/32002, «Научно-техническое сопровождение разработки узла магнитной обработки газоконденсата на блоке ЭЛОУ У-1.731» за 2003 г. и другие за 2000 -2003 годы.

11. В Астраханском государственном техническом университете (АГТУ) при подготовке инженеров химиков-технологов по специальности 259400 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов» в лекционных курсах, при выполнении учебных научно-исследовательских работ (УНИРС) и лабораторных работ по специальным дисциплинам «Технология переработки нефти и газа», «Нефтяные дисперсные системы» и «Термокаталитические процессы переработки нефти», а также в процессах курсового и дипломного проектирования: возможности изменения дисперсного состояния нефтяных систем с помощью внешних воздействий, методики проведения и изучения в лабораторных условиях процессов висбрекинга, демеркаптанизации газоконденсата его остатков и фракций; обезвоживания и обессоливания углеводородного сырья, деминерализации воды, снижения накипеобразования.

12. Основные положения диссертационных исследований использованы при выполнении разработок НИР АГТУ: «Интенсификация процессов нефтепереработки воздействием магнитных полей» (№ госрегистрации 01.9.90 002336) за 2000 год; «Разработка вариантов по термическому превращению остатков АГПЗ и углублению переработки газоконденсата» (№ госрегистрации 01.2.00 305864) и «Воздействие магнитным полем на характеристики катализаторов гидроочистки на стадии приготовления методом пропитки (№ госрегистрации 01.2.00 305865) за 2002 год, «Демеркапта-низация астраханского газоконденсата и его фракций» за 2003 г. А также по хоздоговорным темам: «Разработка принципиальной технологической схемы висбрекинга гудрона с целью расширения ассортимента выпускаемой продукции» (№ 17/2000 от 02.01.2000 АГТУ и № 198 ООО АГП), Разработка способа интенсификации очистки циркулирующего аминового раствора от механических примесей» (№ 16/2000 от 02.01.2000 г. АГТУ).

Заключение диссертации ВЫВОДЫ

1. На основании комплекса системных исследований установлены основные закономерности изменения дисперсных, реологических и парамагнитных характеристик нефтяного и газоконденсатного остаточного сырья в условиях воздействия постоянного магнитного поля в динамическом режиме. В оптимальных условиях показана возможность уменьшения среднего размера структурных образований в нефтяной системе и ее динамической вязкости на 30-55% при одновременном росте парамагнитной активности.

2. Предложены способы интенсификации процессов переработки углеводородного сырья и применения нефтепродуктов воздействием постоянного магнитного поля в динамическом режиме.

Разработанные технологии позволяют: - повысить глубину обезвоживания водонефтяных эмульсий на 20-30%;
- увеличить выход дистиллятов при вакуумной перегонке углеводородных остатков до 6% об.;
- снизить коксообразование при висбрекинге в 1,2 - 2,3 раза при одновременном увеличении выхода светлых на 4-8 % масс.;
- интенсифицировать окислительную демеркаптанизацию газоконденсата и его фракций на 3-11%;
- уменьшить потребление дизельного топлива на 5% и содержание моноксида углерода в отработавших газах в 1,7 раза;
- увеличить эффективность фильтрации абсорбента от механических примесей на установке сероочистки природного газа в 2,6 раза, улучшить степень гидрообессеривания дизельной фракции на 12-16%;
- повысить на 20%, эффективность работы катионообменников в процессе водоподготовки и уменьшить на порядок накипеобразование в парогенераторах;

3. Предложены критерии и способы экспресс-оценки эффективности магнитной обработки жидких систем: степень дисперсности - для углеводородных систем, содержание мехпримесей, размеры кристаллов - для водных систем;

4. Экспериментально обоснованы и подтверждены принципы выбора параметров магнитного активирования углеводородных и водных систем, в т.ч. магнитной индукции, линейной скорости потока в активной зоне. Получены уравнения регрессии, количественно оценивающие влияние параметров магнитной обработки;

5. Научно обоснован механизм воздействия постоянного магнитного поля в динамическом режиме на углеводородные системы, заключающийся в изменении парамагнитных и дисперсных характеристик и упорядочении структуры нефтяной системы вследствие ориентации парамагнитных частиц в направлении вектора магнитного поля;

6. Разработаны и практически реализованы оригинальные устройства, узлы и схемы для обработки жидкостей в лабораторных и промышленных условиях, обеспечивающие широкий интервал изменения параметров обработки, а также надежность и безопасность работы аппаратов.

7. Показаны экологические преимущества предложенных технологий магнитного активирования углеводородных и водных систем, приводящего к снижению газообразных, жидких и твердых отходов и выбросов при переработке углеводородного сырья;

8. Дана технико-экономическая оценка промышленных способов интенсификации процессов переработки углеводородного сырья воздействием постоянного магнитного поля в динамическом режиме на нефте- и газоперерабатывающих заводах подтверждает целесообразность научных положений и предложенных технических решений. Суммарный годовой экономический эффект от внедренных разработок составил 1,9 млн. руб. Ожидаемый годовой эффект от принятых к внедрению разработок составляет 2,1 млн. руб. Перспективная оценка среднегодового эффекта от применения магнитного поля в процессах вакуумной перегонки, висбрекинга и демеркаптанизации составляет 20-35 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нефтяные дисперсные системы являются конденсированными сильнокоррелированными системами, для которых характерным является надмолекулярная структурная организация жидкости и которые проявляют коллективные свойства. Эти особенности НДС открывают возможности для управления химико-технологическими процессами посредством внешних воздействий, в частности волновых воздействий, одним из которых является магнитное поле.

За последние десятилетия накоплено значительное количество опытных данных по применению воздействия магнитного поля в динамическом режиме на жидкие системы. Эмпирически установлено, что в ряде случаев это позволяет существенно улучшить технико-экономические показатели процессов добычи, транспортировки, переработки и применения нефти и нефтепродуктов. Далеко не все наблюдаемые явления имеют на сегодняшний день строгое объяснение. Это касается теории НДС, их чувствительности к внешним воздействиям; явлений гомолитической диссоциации в НДС; природы магнитного поля, энергетических аспектов его влияния на физико-химические процессы, протекающие в нефтяных дисперсных системах.

Для ответа на эти вопросы необходимы исследования в области физической химии, создание квантово-химических моделей воздействия магнитного поля в динамическом режиме на нефтяные дисперсные системы, на гемолитические процессы в них протекающие, выяснение механизма действия магнитного поля: Дg или поиск методов, позволяющих измерить степень упорядоченности дисперсной системы.

Вероятно потребует более глубокого квантово-химического изучения аналогии гетеролитической и гомолитической диссоциации, структурной организации жидкости в ковалентных и ионных жидкостях. А также объяснение возможности изменения кинетики определенных химических реакций при сообщении системе энергии много меньшей энергии теплового движения. Ответы на эти вопросы, возможно, даст новая отрасль физической химии - «спиновая химия», в которой особое место занимает влияние внешнего магнитного поля на протекание радикальных процессов.

Несмотря на «белые пятна» в строгом обосновании механизма воздействия магнитного поля на НДС, практика убедительно показывает, что эффект этого влияния имеет место. Об этом свидетельствуют не только результаты лабораторных исследований, но и промышленных применений, причем не только в технике, но и в сельском хозяйстве и в медицине.

Настоящая работа является скромным вкладом в развитие воззрений о возможностях интенсификации процессов переработки углеводородного сырья и сопутствующих им технологических операциях под воздействием магнитного поля в динамическом режиме. Потенциал использования магнитного поля в нефте- и газоперерабатывающей промышленности, по глубокому убеждению автора, очень велик. Причем речь идет не только о жидких системах, исследованию которых посвящена настоящая работа, но и паровых и газовых средах. В литературе уже имеются сведения о влиянии магнитного поля на протекание газофазных реакций термодеструкции углеводородов.

Решающим моментом в оценке «практичности» магнитной обработки углеводородного сырья является простота аппаратурного оформления и осуществления метода с технической точки зрения, его компактность и минимальные затраты на обслуживание. Большим достоинством метода является его безреагентность, что ведет к улучшению экологической ситуации в целом, а также безопасность для человека. Кроме того, инвестиционные затраты невелики, а потребление электроэнергии очень мало (в случае применения постоянных магнитов - отсутствие).

Вероятно, все это обусловило широкое распространение магнитной обработки водных, углеводородных систем и топлив за рубежом. Использование же магнетизаторов как антинакипного оборудования в коммунальном хозяйстве и в технике - обычная практика, в отличие от России, хотя именно в СССР в 60-80 годах разработки в этой области шли опережающими темпами.