способ улучшения физических свойств нефтяных топлив и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ улучшения физических свойств нефтяных топлив, включающий возбуждение пульсаций в движущемся потоке жидкости при условии возникновения колебаний амплитуд давления, скорости и ускорения, которые способствуют дроблению капель и пузырей в сплошной жидкости, отличающийся тем, что вначале поляризуют молекулы углеводородов, пропуская через электромагнитное поле напряженностью 0,2-0,3 Тл, затем подвергают макромолекулы и коллоиды резонансной вибрации частотой 20-30 Гц для увеличения амплитуды колебания, повышают давление насосом до 6,0-8,0 МПа на входе в суживающее и расширяющее устройство, где топливо разгоняют до 120-140 м/с с последующим торможением, достигая при этом давления 0,02÷0,01 МПа, затем разделяют поток на легкие и тяжелые фракции в трубке Ранка, легкие фракции направляют или на хранение, или на сжигание после поляризации молекул в электромагнитном поле, а тяжелые горячие фракции в количестве 10-15% от общего потока возвращают по трубопроводу в емкость с исходным топливом для повторной обработки.

2. Устройство для улучшения физических свойств нефтяных топлив, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено электромагнитным аппаратом для поляризации молекул, соединенным по трубе с емкостью, в которой размещен вибратор с электрогенератором частоты колебания, насосом для повышения давления потока жидкости перед входом в суживающее и расширяющее устройство, обеспечивающее истечение жидкого топлива со скоростью 120-140 м/с, трубкой Ранка для разделения обработанного потока топлива на легкие и тяжелые фракции, легкие фракции пропускают через электромагнитный аппарат и направляют или на хранение, или на форсунки для сжигания, а тяжелые углеводороды направляют по трубе в емкость исходного топлива для повторной обработки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к топливно-энергетическому комплексу, нефтепереработке, моторным топливам и маслам, в частности к изменению основных физических свойств жидких углеводородов.

Известен акустический способ снижения вязкости нефтепродуктов в пристеночном слое за счет внешнего воздействия ультразвуковых колебаний с пороговым значением амплитуды колебаний стенок труб не менее 1 мкм (М.А.Миронов и др. «Акустическая технология снижения вязкости нефтепродуктов в трубопроводах при низких температурах», М., «Химическое и нефтегазовое машиностроение», №1, 2004 г.).

Известно также устройство для акустического воздействия на приграничный слой нефтепродуктов через трубу, содержащее магнитострикционные преобразователи с рабочей частотой 22 кГц и ультразвуковой генератор (М.А.Миронов и др. «Акустическая технология снижения вязкости нефтепродуктов в трубопроводах при низких температурах», М., Химическое и нефтегазовое машиностроение», №1, 2004 г.). Основной недостаток способа и устройства состоит в том, что в результате воздействия ультразвуковых колебаний вязкость нефтепродукта снижается в тонком пристеночном слое толщиной менее 140 мкм без изменения эффективной вязкости основного ядра потока. При этом время релаксации, т.е. время восстановления исходной вязкости нефтепродукта, в пристеночном слое составляет несколько часов.

Известен гидродинамический способ улучшения физических свойств жидкого топлива за счет возбуждения кавитации с помощью встречно направленных струй и генерирования акустических колебаний в более узком интервале частот (А.Г.Вайнштейн и др. «Применение гидродинамического кавитационного аппарата для улучшения качества жидкого топлива», М., «Энергетик», №7, 2003 г.).

Известно также устройство для улучшения физических свойств смеси жидкого топлива, содержащее гидродинамический кавитационный аппарат встречно-вихревого типа (А.Г.Вайнштейн и др. «Применение гидродинамического кавитационного аппарата для улучшения качества жидкого топлива», М., «Энергетик», №7, 2003 г.).

Недостаток указанного способа и устройства заключается в том, что эффект по улучшению физических свойств конкретного композиционного топлива достигнут за счет гомогенизации смеси с образованием тонкодисперсной эмульсии без изменения структуры топлива на молекулярном уровне. Кроме того, для улучшения физических свойств жидкого топлива необходимо провести 3-кратную обработку топливной смеси в гидродинамическом кавитационном аппарате встречно-вихревого типа, что создает сложности при использовании способа на практике.

Известен способ хранения, подготовки и подачи мазута путем эмульгирования мазута с водой в сужающем устройстве, при котором за счет кавитационных процессов диспергируют капли воды до размера около 5 мкм, а в резервуаре с мазутом поддерживают температуру в пределах 90-140°С (Заявка №94023004, 27.04.1996, МПК В 01 F 3/8).

Эмульгирование тяжелых углеводородов с водой используется в теплоэнергетике для снижения температуры сгорания топлива и уменьшения образования окиси азота в дымовых газах, однако этот способ снижает КПД котла, увеличивает расход тепловой энергии на нагрев воды и унос с парами, а также приводит к коррозии труб котлов.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является способ возбуждения пульсации в движущемся потоке жидкости через трубу с периодически меняющимся сечением при условии возникновения колебания амплитуды давления, скорости и ускорения при частотах порядка десятков герц, которые способствуют дроблению капель и пузырей в сплошной жидкости (Р.Ш. Абиев, «Течение однородной несжимаемой жидкости в трубе с периодически меняющимся сечением», М., «Химическое и нефтегазовое машиностроение», № 1, 2003 г.).

Известно также устройство в виде трубы Вентури, состоящее из конфузора, сопла и диффузора, обеспечивающее повышение скорости потока жидкости в сопле до 10 м/с и снижающее давление основного потока после сопла в 1,35 раза (Р.Ш.Абиев, «Течение однородной несжимаемой жидкости в трубе с периодически меняющимся сечением», М., «Химическое и нефтегазовое машиностроение», №1, 2003 г.).

Основные недостатки способа и устройства заключаются в том, что основные пульсирующие явления, возникающие в трубе с периодически меняющимся сечением, с указанными параметрами и режимом течения жидкости, не обеспечивают необходимых сдвиговых усилий для разрушения тяжелых макромолекул, коллоидных соединений на более мелкие легкие фракции.

Решаемая задача - улучшение физических свойств жидких нефтяных топлив в процессе переработки смеси углеводородов на молекулярном уровне за счет разрушения тяжелых макромолекул углеводородов на более мелкие и легкие фракции и обеспечение снижения вязкости нефтяных топлив, уменьшение температуры их застывания, повышение температуры возгорания и полноты сгорания.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в способе улучшения физических свойств нефтяных топлив, включающем возбуждение пульсаций в движущемся потоке жидкости при условии возникновения колебаний амплитуд давления, скорости и ускорения, которые способствуют дроблению капель и пузырей в сплошной жидкости, согласно изобретению вначале поляризуют молекулы углеводородов, пропуская через электромагнитное поле напряженностью 0,2-0,3 Тл, затем подвергают макромолекулы и коллоиды резонансной вибрации частотой 20-30 Гц для увеличения амплитуды колебания, повышают давление насосом до 6,0-8,0 МПа на входе в суживающее и расширяющее устройство, где топливо разгоняют до 120-140 м/с с последующим торможением, достигая при этом давления 0,02...0,01 МПа, затем разделяют поток на легкие и тяжелые фракции в трубке Ранка, легкие фракции направляют или на хранение, или на сжигание после поляризации молекул в электромагнитном поле, а тяжелые горячие фракции в количестве 10-15% от общего потока возвращают по трубопроводу в емкость с исходным топливом для повторной обработки.

Устройство для улучшения физических свойств нефтяных топлив согласно изобретению дополнительно снабжено электромагнитным аппаратом для поляризации молекул, соединенным по трубе с емкостью, в которой размещен вибратор с электрогенератором частоты колебания, насосом для повышения давления потока жидкости перед входом в суживающее и расширяющее устройство, обеспечивающее истечение жидкого топлива со скоростью 120-140 м/с, трубкой Ранка для разделения обработанного потока топлива на легкие и тяжелые фракции, легкие фракции пропускают через электромагнитный аппарат и направляют или на хранение, или на форсунки для сжигания, а тяжелые углеводороды направляют по трубе в емкость исходного топлива для повторной обработки.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию «новизна».

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема устройства для улучшения физических свойств нефтяного топлива.

Устройство для улучшения физических свойств нефтяных топлив содержит последовательно соединенные трубопроводом емкость исходного топлива 1, насос низкого давления 2, теплообменник 3 для нагрева топлива, соленоидную катушку 4 для поляризации молекул топлива с блоком питания 5, емкость 6 с электровибратором и генератором колебаний 7, насос высокого давления 8, фильтр 9 для очистки топлива от твердых частиц, суживающее и расширяющее устройство 10, трубку Ранка 11, соленоидную катушку 12 с блоком питания 13, форсунку для сжигания топлива 14, расходомер 15, вентиль 16, манометры 17, 18, мановакууметр 19, трубопровод возврата тяжелых углеводородов 20 в емкость с исходным топливом.

Принцип работы устройства заключается в следующем.

Исходное топливо забирают из емкости 1 и насосом 2 поднимают давление до 0,2-0,3 МПа и подают в теплообменник 3, где его нагревают до температуры 50°С. Нагретое топливо пропускают через соленоидную катушку 4, создающую напряженность магнитного поля в пределах 0,2-0,3 Тл. Топливо с поляризованными молекулами подают в емкость 6, где под действием генератора колебаний 7 низкой частоты резонансно повышают амплитуду колебания тяжелых макромолекул. Затем насосом 8 повышают давление топлива до 6,0-8,0 МПа и через фильтр 9, контролируя давление по манометру 17, подают в суживающее и расширяющее устройство 10, где топливо разгоняют до скоростей 120-140 м/с с последующим торможением, в том числе за счет создания противодавления с помощью вентиля 16, контролируя его по манометру 18, создавая и поддерживая давление после суживающего устройства в пределах 0,02...0,01 МПа, контролируемого мановакууметром 19. За счет механических воздействий в устройстве 10 происходит деструктуризация топлива. Деструктированное топливо подают в трубку Ранка 11, где производят разделение тяжелых и легких углеводородов. Радиальный горячий поток тяжелых углеводородов направляют через расходомер 15 в количестве 10-15% от общего расхода по трубопроводу 20 в емкость с исходным топливом для повторной переработки и нагрева исходного топлива, что позволяет в дальнейшем отказаться от насоса 2 и теплообменника 3. Осевой, сравнительно холодный поток из трубки Ранка 11 подают или на хранение в резервуары, или после поляризации в соленоидной катушке 12 подают на форсунку 14 для непосредственного сжигания.

Пример выполнения способа улучшения физических свойств нефтяного топлива.

Мазут М-100, ГОСТ 10585-99, забирают из емкости 1 насосом 2 и давлением 0,2-0,3 МПа подают в теплообменник 3, где нагревают до температуры 40-50°С. Нагретый мазут поляризуют в соленоидной катушке 4, в которой с помощью блока электропитания 5 поддерживают магнитную напряженность в пределах 0,2-0,3 Тл. Под действием электромагнитного поля поляризованные молекулы углеводородов образуют вытянутые ориентированные цепи, что позволяет несколько уменьшить межмолекулярные силы. Затем поляризованные молекулы углеводородов подают в емкость 6, где под действием электровибрации низкой частоты, равной частоте колебания крупных макромолекул 20-30 Гц, вызывают резонансное увеличение амплитуды их колебаний и энергетического потенциала, что разрушает молекулярные связи. Известно, что крупные макромолекулы углеводородов имеют низкую частоту колебания и в основном они определяют температуру застывания, оказывают существенное влияние на суммарную вязкость смеси углеводородов, температуру возгорания, полноту горения и сажеобразование. Кроме того, радикалы тяжелых углеводородов, находясь в зоне горения, разрывают цепную реакцию горения, создают мертвые зоны и нарушают целостность процесса горения. Подготовленную смесь углеводородов с давлением 6,0-8,0 МПа насосом 8 через фильтр 9 подают в суживающее и расширяющее устройство 10, в котором разгоняют поток до скорости 120-140 м/с и далее вентилем 16 повышают противодавление на выходе до 0,6-1,6 МПа, обеспечивая разряжение после суживающего устройства 0,02...0,01 МПа. В результате турбулизации и кавитации в потоке происходит разрушение молекулярных связей углеводородов, расщепление тяжелых макромолекул на более мелкие и легкие молекулы. В трубке Ранка в результате воздействия осевых и тангенциальных сил производят разделение потока на легкие и тяжелые фракции. Тяжелые фракции под действием инерционных сил располагают по периферии и отводят через горячий конец трубки в количестве 10-15% от общего потока в исходную емкость на повторную переработку, а осевой поток, состоящий из легких фракций, направляют на хранение или подают на форсунки для сжигания.

В результате переработки тяжелого топочного мазута М-100 с помощью изложенного устройства температура его замерзания была снижена с 25°С до минус 2-6°С, температура воспламенения мазута была повышена с 110°С до 168°С, а кинематическая вязкость мазута при одной и той же температуре была уменьшена с 118 сСт до 31.0 сСт, т.е. почти в 4 раза. При этом в течение нескольких месяцев не наблюдались релаксационные явления. Таким образом, полученные новые физические свойства мазута М-100 носят длительный характер.

Изложенные результаты подтверждены заключением ОАО " Всероссийским научно-исследовательским институтом нефтяной промышленности".

Предлагаемое изобретение может быть использовано в технологическом процессе крекинга нефти, что позволит после переработки нефти по изложенному способу на молекулярном уровне значительно увеличить выход легких фракций и товарной продукции при сравнительно низких энергозатратах.

Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».