Результат интеллектуальной деятельности: Способ отделения от нефти моторных топлив и устройство для его осуществления

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к способам первичной переработки нефти для отделения от нее легких моторных топлив фракций от С₅ (пентан) до С₂₀ (эйкозан).

Известны способ и устройство для отделения от нефти дистиллятных фракции (по патенту RU254 2308, выбраны в качестве прототипов способа и устройства по настоящему изобретению) подачей через нагреватель нагретого до 360°С сырья в испаритель под давлением 10-15 атмосфер. Распыливание нефти осуществляют через форсунку по направлению снизу вверх. Способ осуществляют в цилиндрическом вертикальном испарителе, оснащенном патрубками. Внутри испарителя по его центру установлена форсунка, которая снабжена направляющими для подачи жидкости снизу вверх и расположена в выходной части патрубка подачи нефти в испаритель.

Его недостатком является низкий выход фракций С₅-С₂₀ из-за отсутствия обратной связи между параметрами работы насоса, нагревателя и параметрами нефти до испарителя и после испарения нефти. Способ характеризуется низкой эфективностью, поскольку, при разных составах нефти, выход фракций С₅-С₂₀ будет разным, поскольку теплота, требуемая для их испарения и давление подачи нети в испаритель будут отличаться Техническим результатом изобретения является повышение выхода моторных топлив (фракций С₅-С₂₀). Кроме того, повышается энергоэфективность отделения фракций С₅-С₂₀.

Технический результат достигается в способе отделения от нефти моторных топлив, в котором подают нефть под давлением 11-60 атмосфер, при температуре 340-450°С в испаритель через форсунку, при этом, автоматически устанавливают температуру и давление нефти перед подачей в испаритель, измеряя температуру в испарителе. Подают нефть в испаритель через форсунку по направлению снизу вверх. Здесь и далее под моторными топливами понимается смесь легких моторных топлив фракций от С₅ (пентан) до С₂₀ (эйкозан).

Технический результат достигается в устройстве отделения от нефти моторных топлив, включающем контроллер, испаритель с форсункой и с теплообменниками, форсунка соединена с насосом через емкость нагрева, соединенные с контроллером входные датчики температуры и давления и выходной датчик температуры, выполненное с возможностью автоматической установки при помощи контроллера температуры и давления нефти в емкости нагрева. Емкость нагрева оснащена горелкой. Форсунка установлена в испарителе по направлению снизу вверх. Теплообменники снабжены датчиками температуры, соединенными с контроллером.

Изобретение поясняется рисунком.

Устройство отделения от нефти моторных топлив (далее устройство) включает контроллер 1, соединенный: с входным датчиком 2 температуры, установленным на патрубке, соединяющем емкость нагрева 3 и испаритель 4; с входным датчиком 5 давления, установленным на патрубке между насосом 6 и емкостью 3 нагрева; с выходным датчиком 7 температуры, установленным на испарителе 4. Измеряя параметры датчиков, контроллер 1 управляет работой насоса 6, горелкой 8, нагревающей нефть в емкости 3 нагрева. Кроме того, контроллер 1 соединен с датчиками 9 температуры, установленных на патрубках теплообменников 10 и управляет их работой, изменяя количество хладагента, проходящего по змеевикам. В испарителе 4 установлена форсунка 11 по направлению снизу вверх, чем достигается увеличение времени на испарение капель распыляемой подогретой нефти.

Емкость 3 нагрева оснащена газовой горелкой 8, соединенной через управляемый контроллером 1 клапан 12 источником газа 13. Также, может использоваться жидкостная горелка 8 (например, мазутная) или емкость 3 нагрева может быть оснащена индукционным нагревателем.

Устройство выполнено с возможностью автоматической установки при помощи контроллера 1 температуры и давления нефти в емкости 3 нагрева в зависимости от температуры, установившейся в испарителе 4. Такая возможность обеспечивается совместной работой контроллера 1, входных датчиков 2, 5 температуры и давления, выходного датчика 7 температуры, насоса 6, горелки 8 при реализации способа отделения от нефти моторных топлив фракций С₅-С₂₀ как описано ниже (далее способ).

При испарении нефти устанавливается динамическое равновесие в системе, эффективные параметры работы которой зависят от состава нефти. Температуры кипения фракций при атмосферном давлении отличаются: С₅ - 30°С и С₂₀ - 340°С. Скрытая теплота парообразования у всех примерно одинаковая - 250 кДж*кг. В процессе работы, нефть нагревают в диапазоне температур 340-450°С. Нижняя температура определяется температурой кипения целевой фракции С₂₀.

Нефть нагревают горелкой 8 не более чем до 450°С в связи с тем, что начинается ее крекинг. Кроме того, при 444°С при атмосферном давлении начинает кипеть сера, растворенная в нефти. Насос 6, управляемый контроллером 1 поддерживает давление не менее 11 атмосфер - это критическая точка парообразования эйкозана С₂₀ (критическая температура парообразования - 485°С). Для эффективной реализации способа, необходимо определить состав нефти или использовать нефть известного состава. В контроллере 1 записывают массовые доли фракций С₅-С₂₀ в процентном отношении. Например: C₂₀ - 7 масс. %; С₁₉ - 5 масс. %; … C₅ - 1 масс. %. После чего контроллер 1 рассчитывает какое количество энергии необходимо затратить для перевода всей этой массы в газообразное состояние и рассчитывает температуру до которой необходимо нагреть всю нефть.

Изменяя давление в диапазоне 11-60 регулируется расход нефти в форсунке 11. В испарителе 4 атмосферное давление, поэтому, происходит адиабатическое расширение нефти и распыленная нефть охлаждается. При нагревании до 450°С и давлении 11-60 атмосфер некоторые углеводороды проходят через критическую точку и кипят в емкости нагрева, что не препятствует реализации способа.

При реализации способа контролируется давление и температура: по известному составу нефти, в контроллере 1 записывается зависимость температуры и давления нефти перед испарителем 4 от установившейся температуры в испарителе 4. Температура и давление нефти перед испарителем 4 регулируются насосом 6 (расход нефти) и горелкой 8 (нагрев нефти). Таким образом, благодаря обратной связи между элементами устройства, повышается выход моторных топлив (фракций С₅-С₂₀).

После испарения все газы поступают в первый теплообменник 10. В нем происходит остывание газов с начальной температуры до температуры установленной в контроллере 1. При этом, часть газов переходит из газообразного состояния в жидкое с отдачей тепла. Количество охладителя подаваемого в теплообменник 10 регулируется контроллером 1. На выходе из каждого теплообменника 10 установлен датчик 9 температуры, эта температура определяет, какая из фракций сконденсируется в теплообменнике. Часть газов конденсируется и вытекает из первого теплообменника 10, часть остается в газообразном состоянии. Также работаю следующие теплообменники 10, количество которых может быть произвольным (на рисунке показаны 3 теплообменника). Способ характеризуется высокой энергоэффективностью, поскольку нефти сообщается теплота, необходимая и достаточная для испарения и конденсации целевых фракций.

При реализации способа, в качестве побочного продукта, из нефти выделяются также фракции C₄-C₁. Несконденсировавшиеся газы C₄-C₁ можно пустить на горение, можно сжать в компрессоре и перевести в жидкое состояние С₄-С₃ (пропан, бутан). А С₂-С₁ (метан, этан) сжечь.

Пример расчета:

Например, 1 кг нефти нагрели до 450°С и распылили в атмосферное давление остудив до температуры 340°С. Разница температур составила 450-340=110°С. Теплоемкость нефти 2,1 кДж/кг. То есть выделится 2,1*110=231 кДж. Это почти весь этот объем перейдет в газообразное состояние - (92 масс. %).

Составы нефти разные, например, в удмуртской нефти легких моторных топлив фракций С₅-С₂₀ 40 масс. % от общей массы. И их все необходимо перевести из жидкого состояния в газообразное. 0,4*250=100 кДж (энергия на испарение). 100/2,1=48°С (на столько различается температура после испарения и нагрева). 340+48=388°С требуемая температура нагрева в емкости 3 нагрева под давлением.