способ получения жидких углеводородов

Формула изобретения

Способ получения жидких углеводородов из твердого топлива путем термомеханического крекинга и гидрогенизации, отличающийся тем, что термомеханический крекинг и гидрогенизацию осуществляют в условиях нестационарного течения - в реакционных роторных аппаратах с модуляцией (прерыванием) потока обрабатываемой среды - двухфазной системы "исходное сырье - водорододонорный растворитель", при этом в качестве водорододонорного растворителя используют воду и смесь фракции с пределом кипения 35-110^oС с рециркулирующим остатком после фракционирования с температурой застывания 20^oС, имеющим пределы кипения 450-600^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения жидких углеводородов из твердого топлива (торф, горючие сланцы, лигниты, бурые и каменные угли) и углеродистого материала промышленных отходов (отходы углеобогащения, нефтепереработки, лигнины, пластические массы, резины и др.) и может быть использовано в углехимической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности.

Известные способы термохимической переработки угля - ожижение заключаются в проведении процесса гидрогенизации и крекинга с использованием различных водорододонорных растворителей и катализаторов путем нагрева под давлением.

Известен, например, способ гидрогенизации угля под давлением водорода 50-100 атм с органическим растворителем и катализатором гидрирования, содержащим Мо и Fe, при температуре 400-425^oС (SU авт.св. 355867, кл. C 10 G 1/06).

Известен способ сжижения угля в присутствии атомарного водорода, образующегося при воздействии ультразвука на молекулярный водород (JP патент 58-35247, кл. С 10 G 1/06).

Известно использование в качестве водорододонорного растворителя легкой углеводородной фракции, выделенной из полученных продуктов гидрогенизации угля и имеющей точку кипения в интервале 35-200^oС (GB заявка 2085913, кл. C 10 G 1/06, 1982).

Известен способ превращения угля в жидкие продукты путем смешивания угля с растворителем, являющимся смесью термически стабильных гидроароматических углеводородов при повышенном давлении и температуре (US патент 4081351, кл. 208-8, 1978).

Известен способ термомеханического крекинга и гидрогенизации угля, который требует высокой температуры и высокого давления для его осуществления (US патент 4250015, 1981).

К недостаткам этих известных способов относится многостадийность, сложность технологии, связанная с необходимостью использования специфических катализаторов, применением высоких температур и давления, значительная энергоемкость и повышенная себестоимость получаемых продуктов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ термомеханического крекинга и гидрогенизации углеводородов в присутствии высвобождающих водород химикалий, осуществляемый в механически установленном псевдоожиженном слое тонко измельченных частиц. При этом механическое воздействие в псевдоожиженном слое генерирует тепло, участвующее в крекинге в дополнение к механическому воздействию на вещество, вследствие чего крекинг в кавитационных микропузырьках и гидрогенизацию осуществляют в реакторе с общими температурой и давлением более низкими, чем в других известных процессах крекинга и гидрогенизации (RU патент 2131903, кл. C 10 G 1/06, 47/30, 1995).

К недостаткам этого способа относится слабое воздействие фрикционных растирающих элементов, в частности стальных шаров, на твердые частицы углеродистого материала для их ультратонкого измельчения, что приводит к неполному раскрытию зерен углеродистого материала и, как следствие, неполному вовлечению углерода в процесс гидрогенизации и недостаточно высокому выходу требуемых фракций продуктов ожижения.

Другим недостатком известного способа является необходимость использования значительного объема воды для высвобождения требуемого количества водорода, участвующего в гидрогенизации, достаточно высокое содержание пара в продуктах крекинга и, как следствие, значительное наличие воды в легких фракциях продукта.

Задачей изобретения является создание способа, позволяющего интенсифицировать процесс ультратонкого измельчения твердых частиц обрабатываемого материала и тепломассообменные процессы в условиях кавитационного режима течения обрабатываемой среды, повысить выход бензиновой фракции с температурой кипения 100-200^oС и дизельной фракции с температурой кипения 200-450^oС.

Поставленная задача решается предложенным способом, в котором жидкие углеводороды получают из твердого топлива и углеродистого материала термомеханическим крекингом и гидрогенизацией углерода в условиях нестационарного течения двухфазной системы "исходное сырье - водорододонорный растворитель".

При этом в качестве реакционного аппарата используют аппараты с прерыванием обрабатываемой среды и, в частности, наиболее эффектные из них роторные аппараты с модуляцией (прерыванием) потока.

В качестве водорододонорного растворителя используют воду и смесь фракции с пределом кипения 35-100^oС с рециркулирующим остатком после фракционирования с температурой застывания 20^oС и имеющим пределы кипения 450-600^oС.

Устройство и принцип работы реакционных роторных аппаратов с модуляцией (прерыванием) потока обрабатываемой среды позволяют воздействовать на последнюю таким мощным интенсифицирующим фактором, как кавитация.

Кавитация является сложным нестационарным гидромеханическим процессом, сопровождаемым вторичными физико-химическими процессами, такими, как люминесценция, искрообразование; ударные волны давления, скорости и температуры; микропотоки и кумулятивные микроструйки; нагревание и ионизация газа в кавитационном пузырьке.

Такое обилие вторичных эффектов позволяет успешно использовать кавитацию в процессе крекинга и гидрогенизации.

Возникновение и развитие кавитации в порах, трещинах и межзерновых пространствах твердых частиц способствует их интенсивному разрушению. Давление, генерируемое захлопывающимися кавитационными пузырьками, достигает величин порядка 10⁸ Па. Это обеспечивает достаточно высокую степень измельчения, рост удельной поверхности твердых частиц и их реакционную способность. Ускорение процесса происходит благодаря дискретному распределению энергии в большом числе малых объемов (центров кавитации). В этом случае энергия концентрируется в объемах порядка размеров кавитационных пузырьков (0,001-0,01 мм), что резко интенсифицирует процесс.

Отличительной особенностью работы роторного аппарата с модуляцией (прерыванием) потока является то, что кавитация и многочисленные кавитационные вторичные эффекты возникают в сильно турбулизированной среде: частицы дисперсной фазы, движущиеся с большими скоростями, подвергаются, кроме того, воздействию огромных ускорений, достигающих 10⁵ м/с², что на четыре порядка превышает ускорение свободного падения g. Сдвиговые напряжения и колебания дополняют перечень интенсифицирующих факторов, благоприятно влияющих на процесс термохимического разложения воды с образованием атомарного водорода и крекинговые процессы, в которых тяжелые углеводороды и радикалы разбиваются на более мелкие, низкокипящие молекулы.

Способ осуществляется по схеме, представленной на чертеже, следующим образом.

Измельченное предварительно твердое исходное сырье по линии 1 вместе с водой по линии 15, фракцией, кипящей при 35-100^oС, по линии 11 и рециркулирующим остатком с температурой застывания 20^oС и кипящим при 450-600^oС по линии 14 подают в смеситель 2. Приготовленную суспензию по линии 3 подают в реакционный аппарат 4 на термомеханический крекинг и гидрогенизацию. Твердые частицы, включая золу, по линии 5 поступают в накопитель (не показано). Продукты реакции по линии 6 подают в сепаратор 7, в котором отделяют твердые частицы, включая золу, отводимые в накопитель по линии 8. Далее, очищенные продукты реакции по линии 9 отводят в ректификационную колонну 10, из которой по линии 11 отводят в смеситель 2 фракцию, кипящую при 35-100^oС, по линии 12 - бензиновую фракцию, кипящую при 100-200^oС, по линии 13 - дизельную фракцию с температурой кипения 200-450^oС и по линии 14 - фракцию, кипящую при 450-600^oС, затвердевающую при 20^oС, часть которой подают в смеситель 2.

Пример 1.

Сырой торф влажностью 80% с содержанием углерода 49% на абсолютно сухое вещество и водорододонорный растворитель непрерывно подают через шнековый смеситель в роторный реактор с частотой вращения ротора 2500 об./мин на переработку. В рабочей камере ротора в результате кавитационных процессов происходят реакции механического разрушения твердых частиц, торфа, термохимического выделения водорода из воды и соединения (гидрогенизации) углерода с водородом. На выходе из реактора получают газообразную углеводородную смесь с температурой более 350^oС, которую после сепарирования направляют на разделение и фракционирование. Выход жидких продуктов средних фракций 160-400^oС составляет 17% от исходной массы торца.

В качестве водорододонорного растворителя используют воду и смесь фракции с пределом кипения 35-100^oС с рециркулирующим остатком после фракционирования с температурой застывания 20^oС и имеющим пределы кипения 450-600^oС.

Пример 2.

Способ проводят по примеру 1. Используют бурый уголь влажностью 55% с содержанием углерода 72% на абсолютно сухое вещество и добавлением в шнековый смеситель воды для получения влажности угля около 80%. Выход жидких углеводородных продуктов средних фракций 160-400^oС составляет 22% от исходной массы угля.