Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ ШЛАМОВ В ОТКРЫТЫХ ХРАНИЛИЩАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к химической промышленности, к области технологии переработки и утилизации углеводородсодержащих (УВС) отходов, находящихся в открытых хранилищах, и может быть использовано для создания технологических комплексов переработки утилизации УВС шламов с помощью энергии электромагнитного излучения СВЧ диапазона путем бесконтактного объемного нагрева.

Известен способ, реализуемый устройством разделения водонефтяной смеси (патент РФ на полезную модель №40925 МПК⁷ B08B 7/04, опубл. 10.10.2004), заключающийся в воздействии микроволновой энергией от источника электромагнитных колебаний на обрабатываемую среду - водонефтяную смесь, находящуюся в трубопроводе.

Способ состоит в воздействии на поток нефтяной эмульсии энергией СВЧ через канал, отделенный от обрабатываемой среды радиопрозрачной диафрагмой конической формы с вершиной, обращенной вглубь входного участка трубопровода.

Недостатком данного способа является неравномерность воздействия электромагнитного излучения, а также, поскольку обрабатываемую среду необходимо транспортировать по трубопроводу, это ограничивает использование данного метода для высоковязких смесей.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ переработки нефтяных шламов с использованием СВЧ электромагнитного воздействия (патент РФ №2494824 МПК B09B 3/00 (2006.01) опубл. 10.10.2013, Бюл. №28), заключающийся в непрерывном воздействии СВЧ электромагнитного поля от источника электромагнитных колебаний на поток нефтешлама в СВЧ реакторе, эффективность которого достигается тем, что до подачи нефтешлама в СВЧ реактор определяют относительную диэлектрическую проницаемость ε′, удельную электрическую проводимость σ, плотность ρ, теплоемкость с, коэффициент затухания электромагнитной волны, определяют начальную температуру обрабатываемой среды T₀ и критическую температуру T_КР, до которой необходимо нагреть обрабатываемую среду и на основании определенных параметров рассчитывают эффективную скорость потока нефтешлама в СВЧ-реакторе и скорость подачи обрабатываемой продукции. Для более полного разрушения нефтешлама на отдельные фракции, предотвращения процесса обратной адсорбции на глобулах воды после СВЧ реактора, обработанную среду направляют в трехфазный декантер, где происходит разделение нефтешлама на товарную нефть, воду и механические примеси.

Недостатком данного способа является то, что нефтешлам подается в СВЧ реактор посредством насоса с заданным расходом Q, который невозможно выдержать в заданном интервале при изменении вязкости обрабатываемой среды из-за твердых включений частиц различного дисперсного состава. Кроме того, на транспортировку высоковязких смесей необходимы относительно большие затраты энергии.

Этих недостатков лишен предлагаемый способ переработки углеводородсодержащих шламов в открытых хранилищах.

Техническим результатом изобретения является обеспечение эффективной переработки УВС шламов с применением СВЧ излучения без дополнительной транспортировки шламов из открытых хранилищ, исключение загрязнения окружающей среды продуктами переработки ввиду отсутствия перемещения шлама.

Технический результат достигается тем, что в способе переработки УВС шламов в открытых хранилищах с использованием СВЧ электромагнитного излучения согласно изобретению на поверхность выделенного участка открытого хранилища устанавливают металлический защитный кожух с закрепленным на нем генератором СВЧ излучения и газоотводной трубой для газообразных продуктов переработки УВС шлама, при этом энергия излучения локализуется в объеме между металлическим изолирующим кожухом, погруженным в обрабатываемую среду на глубину, не меньшую чем ¼ длины волны СВЧ-излучения, и границей глубины проникновения излучения в обрабатываемую среду, вызывая деструкцию шлама, после чего газообразные продукты разложения отводят для дальнейшего разделения по фракциям, процесс переработки шлама продолжают до прекращения процесса газовыделения; при этом мощность излучения, необходимую для нагревания обрабатываемого объема шлама до заданной температуры, определяют по формуле.

Способ обеспечивает высокую степень разделения УВС шлама на отдельные фракции (газовую и твердую) без загрязнения окружающей среды за счет преобразования энергии электромагнитного излучения в тепловую, необходимую для перевода жидкой фазы (вода + УВС компоненты) в газовую, с дальнейшим разделением по фракциям.

На фигуре представлена схема устройства для осуществления способа переработки УВС шламов в открытых хранилищах с использованием СВЧ электромагнитного излучения. Устройство содержит генератор 1 СВЧ электромагнитного излучения; волновод 2; излучающую антенну 3, защитную мембрану 4, проницаемую для СВЧ излучения; изолирующий кожух 5; газоотводную трубу 6 для отвода газообразных продуктов переработки; манипулятор 7. На фигуре также обозначены: хранилище 8 углеводородсодержащего шлама; объем 9 шлама, поглощающий СВЧ излучение.

Сущность изобретения заключается в непрерывном воздействии СВЧ электромагнитного излучения от источника электромагнитных колебаний на объем УВС шлама, ограниченный изолирующим кожухом, а испарившаяся жидкая фаза шлама, состоящая из смеси углеводородов и паров воды, откачивается из замкнутого объема, ограниченного защитным кожухом и поверхностью уровня шлама в хранилище. Затем откачиваемая газовая смесь подается на разделение по углеводородным фракциям и конденсацию водяного пара. Мощность электромагнитного излучения, необходимого для переработки объема шлама, ограниченного защитным кожухом, определяется электрофизическими параметрами шлама и размерами ограничивающего кожуха. СВЧ электромагнитное излучение, ограниченное поверхностью изолирующего кожуха, выполненного из металла с высокой электропроводимостью, поглощается слоем УВС шлама толщиной δ, преобразуясь в нем в тепловую энергию [Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. Саратов: Изд-во Саратовского университета, 1983. - 140 с.].

где , - действительные и мнимые части абсолютных диэлектрической и магнитной проницаемости среды (УВС шлама);

σ - удельная проводимость среды;

ω=2πν - круговая частота электромагнитного излучения;

; - тангенсы углов диэлектрических и магнитных потерь;

ε″, µ″ - мнимые части относительной диэлектрической и магнитной проницаемости;

ε₀=8,87·10^-12 Ф/м, µ₀=4π·10^-7 Гн/м - электрическая и магнитная постоянные.

При поглощении СВЧ электромагнитного излучения температура обрабатываемого объема УВС шлама начнет повышаться пропорционально мощности генерирующего СВЧ устройства

где T(t)=T_в-T_с, T_в(t) - температура обрабатываемого вещества,

T_с(t) - температура окружающей среды;

P - мощность СВЧ-излучения;

V=S_k·δ - объем обрабатываемой среды;

S_k - площадь поверхности защитного кожуха, соприкасающегося с поверхностью хранилища УВС шлама;

α - объемный коэффициент теплообмена обрабатываемого участка с окружающей средой;

S - площадь контакта обрабатываемого объема с окружающей средой;

t - время обработки;

c, ρ - усредненные теплоемкость и плотность обрабатываемого УВС шлама.

Так как обрабатываемая среда (УВС шлам) состоит из смеси жидких компонентов и «сухого» остатка, то процесс нагрева будет состоять из нескольких стадий.

На первой стадии нагревается все вещество в выделенном объеме V=S_k·δ до температуры кипения T₁ компонента, имеющего самое низкое значение этой величины. Мощность излучения, необходимая для нагревания обрабатываемого объема шлама до заданной температуры, определяют по формуле

а время нагрева

Для испарения этого компонента при температуре T₁ потребуется дополнительная энергия СВЧ излучения

где λ₁ - удельная теплота испарения данного вещества;

m₁ - его масса.

Суммарное время отгонки первого компонента

На второй стадии оставшаяся часть смеси массой (m-m₁), плотностью ρ₁, объемом V₁, с площадью поверхности S₁, ограничивающей объем, соприкасающийся с окружающей средой, нагревается до температуры кипения T₂ следующего компонента

при этом мощность излучения и время обработки до полной отгонки 2-го компонента определяется соотношениями

где m₂, λ₂ - масса и удельная теплота испарения 2-го компонента.

Аналогично для 1-го компонента

На последней стадии («сухой» остаток) темп возрастания температуры определится по формуле:

При заданной температуре T_c время обработки на последнем этапе равно

где c_с, m_с - теплоемкость и масса «сухого» остатка;

P_с - мощность излучения на финишной стадии обработки.

Таким образом, полное время обработки

а удельные энергозатраты (Дж/кг) составляют

Полученные соотношения позволяют при заданном составе обрабатываемых отходов и их свойствах определять мощность излучения, время обработки на каждом этапе, а также суммарные энергозатраты, в зависимости от характера теплообмена с окружающей средой.

Способ осуществляется в следующей последовательности: манипулятором 7 устанавливают защитный кожух 5 с закрепленным на нем генератором 1 СВЧ излучения и газоотводной трубой 6 на поверхность выделенного участка открытого хранилища 8. Включают генератор 1, устанавливают необходимую мощность генерирующего устройства. Фиксируют изменение температуры обрабатываемого объема шлама 9. Газообразные продукты разложения УВС шлама, образующиеся вследствие поглощения СВЧ излучения и нагревания, отводят по газоотводной трубе 6 для дальнейшего разделения по фракциям. Пары воды также отводятся по газоотводной трубе 6 совместно с газообразными продуктами и конденсируются в емкости для сбора воды (на фигуре не показана). По мере смещения уровня поверхности шлама с помощью манипулятора 7 также смещают и кожух 5, обеспечивая необходимое погружение последнего. Процесс переработки УВС содержащего шлама продолжают до прекращения процесса газовыделения. Затем с помощью манипулятора 7 защитный кожух 5 с генерирующей системой (генератор 1, волновод 2, излучающая антенна 3) и газоотводной трубой 6 для отвода парогазовой смеси перемещают на новое место открытого хранилища и процесс переработки повторяют.

Применение изобретения позволит получать углеводородное сырье из трудноутилизируемых отходов, повторно использовать содержащуюся в них воду в технологических процессах, исключить выбросы из хранилищ в атмосферу, сократить расходы предприятий на содержание действующих полигонов и хранилищ углеводородсодержащих отходов, использовать оставшийся после удаления жидкой фазы «сухой» остаток в дорожно-строительном или ином производстве и подготовить земельные площади старых захоронений нефтешламов к рекультивации.