Результат интеллектуальной деятельности: Способ выделения концентрата ценных металлов, содержащихся в тяжелых нефтях и продуктах их переработки

Настоящее изобретение относится к области нефтяной, нефтехимической промышленности и, более конкретно, к способам выделения концентрата ценных металлов из тяжелого нефтяного сырья (тяжелых нефтей, битумов, гудронов и других тяжелых продуктов переработки нефти) с использованием низкотемпературной плазмы, образуемой сверхвысокочастотным (СВЧ) электромагнитным излучением.

Тяжелое нефтяное сырье характеризуется повышенным содержанием соединений некоторых ценных металлов (V, Ni, Mo, Co и др.), которые практически теряются при переработке такого вида сырья традиционными методами. Существующие термические методы выделения металлов из тяжелого нефтяного сырья (деметаллизация), либо не дают требуемой степени очистки сырья от соединений металлов, либо их использование в промышленном масштабе экономически не целесообразно (многостадийные, энергозатратные и капиталоемкие).

Известен способ термической переработки высокомолекулярного углеродсодержащего сырья в более легкие соединения (RU №2385344, МПК C10G 9/28, C10G 15/08, C10G 11/18, опубликованный 27.03.2010), включающий воздействие сверхвысокочастотного излучения на зону химического превращения, в которую подают мелкодисперсное твердое вещество, поглощающее СВЧ излучение, при этом в зоне химического превращения сырье присутствует в виде жидкой кипящей фракции, что формирует хаотическое движение частиц мелкодисперсного твердого вещества. Парообразная фаза продуктов химического превращения проходит через жидкое высокомолекулярное углеродсодержащее сырье с последующим разделением на отдельные фракции полезных продуктов, при этом мелкодисперсное твердое вещество в зоне химического превращения разогревают переменным сверхвысокочастотным электромагнитным полем до температуры, при которой идут термические превращения субстрата, например 400-800°C. Недостатками данного способа является то, что вся энергия СВЧ-излучения тратится на нагрев мелкодисперсных веществ до температуры протекания реакции, а также на фракционирование продуктов реакции. Способ является дорогостоящим в связи с использованием сорбента и энергозатратным.

Известен способ скоростной деструкции нефтяных остатков и нефтешламов, описанный в (RU 2462500 C2, 10.06.2012). В известном способе предусматривается использование в качестве твердого пористого материала, поглощающего высокочастотное электромагнитное излучение, углеродных сорбентов, обладающих тангенсом угла диэлектрических потерь выше 8 и выбранные из ряда: сорбенты из бурого угля, газового угля, костра льна или древесных отходов. Процесс деструкции нефтяных остатков и нефтешламов включает их адсорбцию в порах и на поверхности углеродных сорбентов и обработку сверхвысокочастотным излучением при индуцированной температуре 300-600°C не более 10 мин в потоке аргона (Ar) или диоксида углерода (CO₂). Недостатком способа является высокая энергоемкость процесса за счет неэффективного использования энергии СВЧ в реакционном объеме и сложная схема из-за необходимости применения сорбента.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к предложенному изобретению является способ скоростной деструкции остаточных нефтяных продуктов, описанный в (RU 2535211 C2, 21.02.2013). Способ предназначен для переработки нефтяного пека и деасфальтизата, взятых в равных количествах с углеродным сорбентом. Способ включает адсорбцию указанных нефтяных продуктов в порах углеродного сорбента и обработку сверхвысокочастотным излучением при индуцированной температуре до 600°C в потоке аргона или диоксида углерода в течение 10-20 минут. Как правило, в качестве углеродного сорбента используют дробленый древесный уголь с тангенсом угла диэлектрических потерь, равным 8,8. Недостатками известного способа являются:

- невозможность переработки других видов тяжелого нефтяного сырья (гудрона, тяжелых нефтей, битумов и др.);

- использование сорбента, что приводит к разбавлению концентрата металлов и загрязнению его минеральными компонентами углей;

- использование древесного угля с определенным значением тангенса угла диэлектрических потерь, равным 8,8, что существенно сокращает возможности применения данного метода и удорожает процесс;

- высокая длительность процесса в связи с низкой температурой.

Задача предлагаемого изобретения заключается в выделении концентрата ценных металлов, содержащихся в тяжелых нефтях и продуктах их переработки наиболее простым и эффективным способом.

Одним из эффективных методов выделения ценных металлов из тяжелого нефтяного сырья является применение сверхвысокочастотного излучения (СВЧ-излучения) в качестве источника генерации плазмы и соответствующего разогрева зоны термохимического превращения сырья. Поскольку плазма находится внутри углеводородной жидкости, эффективность физико-химических процессов под действием ее активных частиц и излучения оказывается высокой, следовательно, велики и скорости образования продуктов разложения. Термохимическое воздействие на тяжелое нефтяное сырье оказывает плазма, образованная на конце вертикального электрода. В указанной плазменной области под действием СВЧ-энергии происходит разогрев нефтяного сырья, образование газового пузыря, содержащего углеводородные газы, и пробой газа. Газовый пузырь с горячими продуктами плазмохимических реакций, поднимаясь от электрода к поверхности жидкости, передает часть тепловой энергии в объем жидкости, тем самым нагревая ее. Кроме того, активные частицы плазмы (атомы, радикалы) проникают в объем обрабатываемой жидкости, инициируя в ней химические реакции. Таким образом, термохимические процессы происходят как внутри газового пузыря, так и в объеме жидкости за счет поглощения микроволнового излучения и взаимодействия с продуктами плазмохимических реакций.

Поставленная задача эффективного выделении концентрата ценных металлов, содержащихся в тяжелых нефтях и продуктах их переработки, решается следующим образом.

Способ выделения концентрата ценных металлов, содержащихся в тяжелых нефтях и продуктах их переработки, заключается в том, что подвергают обработке тяжелое нефтяное сырье действием СВЧ-плазмы в течение 2 минут в обогреваемом реакторе, снабженном вертикальным электродом со сквозным отверстием, через который в слой нефтяного сырья подают инертный газ - аргон, причем плазма и сопровождающий процесс пробой газа инициируются СВЧ-энергией на кончике электрода при температуре не выше 1500 K, а затем осуществляют фильтрационное разделение обработанного нефтяного сырья с получением твердого продукта, представляющего собой концентрат с повышенным содержанием ценных металлов.

В обогреваемый плазмохимический реактор установки, снабженный вертикальным электродом со сквозным каналом для подачи инертного газа - аргона, загружают тяжелое нефтяное сырье. Через электрод подают инертный газ, после чего включают питание реактора и генерируют плазму. На кончике электрода инициируется пробой газа с дальнейшим образованием газовых пузырей, температура внутри которых достигает 1500 K. Обработку проводят в течение 2 минут.

В качестве исходного сырья используется металлосодержащее тяжелое нефтяное сырье с плотностью от 900 до 1100 кг/м³. В качестве материала для электрода используется медный стержень.

Способ позволяет получить концентрат ценных металлов, таких как Ni, V, Mo, Co, Cu, Zn и других, содержащихся в исходном сырье.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена блочная схема реализации способа выделения концентрата ценных металлов из тяжелых нефтей и продуктов их переработки под действием сверхвысокочастотного излучения в плазме.

Достижение технического результата - выделение концентрата ценных металлов в виде твердого продукта и получение жидких углеводородов с пониженным содержанием металлов, из которых, с использованием традиционных технологий, могут быть получены компоненты моторных топлив и сырья для нефтехимической промышленности.

Предлагаемый метод позволяет перерабатывать широкий спектр тяжелого нефтяного сырья без добавки сорбента, при этом длительность процесса сокращается с 20 до 2 мин.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами, не ограничивающими область его применения.

Пример 1

Навеску обезвоженной и разогретой до 333 K нефти с плотностью 910 кг/м³ массой 45 г загружали в реактор установки, через который барботировали аргон. Расход аргона составлял 6,3 нл/ч. Реактор герметично закрывали, включали воду для охлаждения элементов установки и при заданной оптимальной мощности заряда (750 Вт) производили пуск установки.

Обработку проводили в течение 2 минут. В качестве источника сверхвысокочастотного излучения использовали магнетрон M-140 (частота генерации 2,45±0,05 ГГц), питание осуществляется от сети переменного тока 380 B.

По окончании двух минут установку выключали. Далее проводили фильтрационное разделение обработанного нефтяного сырья с получением продуктов: твердообразного и жидкого. Таким образом, продуктами реакции термохимического воздействия на нефтяное сырье в поле СВЧ с инициированной плазмой являлись жидкие углеводороды с пониженным содержанием металлов и твердые отложения со стенок реактора, с поверхности электрода и после фильтрации обработанного нефтяного сырья.

Выход продуктов на исходное сырье составил:

- жидкие углеводороды после фильтрации - 96,8% мас.;

- твердые отложения (концентрат ценных металлов) - 0,7% мас.;

- потери - 2,5% мас.

Указанные твердые отложения представляли собой концентрат ценных металлов. В табл. 1 приведены содержания металлов в исходной нефти и полученных продуктах.

Пример 2

Способ осуществляли так же, как в примере 1, но в качестве сырья использовали разогретый до 120°C гудрон с плотностью 1082 кг/м³.

Выход продуктов на исходное сырье составил:

- жидкие углеводороды после фильтрации - 94,9% мас.;

- твердые отложения (концентрат ценных металлов) - 2,0% мас.;

- потери - 3,1% мас.

В табл. 2 приведены содержания металлов в исходном гудроне и полученных продуктах.

Пример 3

Способ осуществляли так же, как в примере 1, но в качестве сырья использовали разогретый до 160°C остаток вакуумной дистилляции продукта гидроконверсии гудрона. Плотность вакуумного остатка - 1095 кг/м³.

Выход продуктов на исходное сырье составил:

- жидкие углеводороды после фильтрации - 93,2% мас.;

- твердые отложения (концентрат ценных металлов) - 3,1% мас.;

- потери - 3,7% мас.

В табл. 3 приведены содержания металлов в исходном сырье и полученных продуктах.