Установка і спосіб переробки нафти

Пропонований винахід відноситься до хімічної техніки і до тепло електроенергетики, зокрема до установок перегонки і крекінгу нафти і відходів, одержання пари для котелень і ТЭЦ, водню, сажі, коксу, вапна, цементу, а також одночасно для прямого відновлення і загрубки матеріалів. Відомі установки перегонки і крекінгу нафти і відходів, що містять трубчасту піч з форсунками, ректифікаційну колону, реактори очищення від сірки і холодильники [K. Эсммер, Акумулятор знань по хімії, М., Світ, 1977 с. 255]. Найбільш близьким технічним рішенням, обраним як прототип, є установка з вакуумною перегонкою нафти [Довідник, Захист атмосфери від промислових забруднень, М., Металургія, 1988, с. 255]. У відомих установках відбувається повільне і нерівномірне конвекційне нагрівання нафти і великі втрати тепла. Тільки 25% тепла безпосередньо використовується на нагрівання. Для підвищення ефективності роботи і к.п.д установок сировину нагрівають у киплячому шарі, знижують чи підвищують тиск і температуру. Це приводить до підвищення вартості переробки 1 т. до 50$, але дає малий ефект. Застосування для нагрівання радіаторів відкритого вогню приводить до великої небезпеки вибухів. При температурах нафти по обсязі трубчастого радіатора від 100 до 900°С і наявності сірки утвориться багато меркаптанів і випаровується багато низько летучих фракцій, що важко розділити. Утвориться багато отрутних смол - відходів. Швидко засмічуються тверді каталізатори крекінгу і риформингу. Тому вартість і маса очисних споруджень і ректифікаційних колон більше чим установки. В основу винаходу поставлена задача, підвищити безпеку й ефективність поділу нафти на бензин, солярку і мазут за рахунок її миттєвого нагрівання і почергового випару фракцій без відкритого вогню при послідовному підвищенні температури в реакторах від 50 до 850°С. Відмовитися від складних ректифікаційних колон. Використовувати шкідливі смолисті відходи для одержання тепла і водню для роботи установки. Забезпечити роботу установки в замкнутому циклі без шкідливих викидів в атмосферу. Технічний результат, що може бути отриманий при здійсненні винаходу, складається в підвищенні ефективності крекінгу нафти, надійності, безпеки. У зниженні шкідливих викидів, массо габаритних характеристик і вартості. У спрощенні процесів одержання водню сажі, коксу, пари, з відходів. У швидкому одержанні, одночасно з перегонкою нафти, вапна, цементу скла, металів. При застосуванні розплавів суміші солей з металами й окислами на порядок збільшується швидкість нагрівання і передача тепла нафти в порівнянні з відомими установками, причому одночасно відбувається очищення від шкідливих речовин. Відповідно збільшуються продуктивність установок і зменшуються массо габаритні характеристики і вартість. Зменшення температури нагрівання корпусів реакторів від 50 до 850°С дозволяє виготовляти надійні малогабаритні промислові установки при зменшенні до 10 разів їхньої вартості і ваги. Поставлена задача зважується за рахунок того, що установка перегонки і крекінгу нафти складається з реакторів, що з'єднані по колу послідовно соплами через шар рідких легкоплавких, солей, металів і лугів, що містять гальванічні пари і каталізатори горіння вуглецю - СаСО3, сопла введення окислювача в розплав і магніти. Сутність винаходу пояснюється кресленням. На фіг.1 представлений у розрізі загальний вид пропонованого реактора. Реактори Р1, Р2, Р3 з'єднані соплами із сітками 4, 5, 6, 7 послідовно через герметизуючи шари розплаву суміші рідких солей, металів і лугів з частками металів, окислів, іонів металів, і карбонатів 8, 9, 10 і містять сопло 11, уведення повітря в розплав і магніти на корпусі реактора. У 7 завантажені гранули бокситу, крейди, карбонату кальцію. Робота установки здійснюється таким способом. Вихідна сировина, у якості які використовуються, нафта, газолін чи відходи нафти з бункера безупинно самопливом чи через насос (не показані), завантажуються через сопло 4 герметичного реактора Р1 у розплав при температурі 100-150°С, проходять через сопло і сітку і її краплі барботірують через розплав 8. При цьому фракції бензину миттєво і цілком перетворюються в пару, і випаровуються в камеру. Одночасно випаровуються і пари бензинових фракцій, що утворяться при крекінгу нафти. Пари входять у холодильник (не показаний), барботують через воду, спливають і бензин через перегородку зливається в баки. Важкі фракції спливають на поверхню розплаву і через сопло 5 надходять у реактор Р2. У реакторі Р2 при 200°С виділяються пари солярки. У реакторі Р3 при 850°С відбувається розкладання в розплаві солі смол на вуглець і водень. Вуглець окисляється без вогню з виділенням тепла, що підтримує роботу установки, а водень надходить на вхід установки, барботірує через мазут, солярку, бензин і газолін (нафта), очищає к від сірки і меркаптанів і збільшує до 2 разів вихід бензину і солярки. Розігрів установки роблять нагрівачами, чи спалюванням палива, що вводиться із сіллю. Надалі установка працює автономно. Нагрівання реакторів виробляється теплопровідністю металу, солей і теплом водню. Нагрівання нафти виробляється в розплаві без прямого контакту з високотемпературними нагрівачами. Температурний режим підтримується за рахунок внутрішнього окислювання в розплаві солей нижнього реактора Р3 частини газу і коксу, що виділяються при піролизу. Повітря подається через патрубки 11. При повному окислюванні вуглецю в розплаві 95 % хімічної енергії палива використовується на нагрівання розплаву, нафти і відходів. Усе це тепло відбирається теплопровідністю на нагрівання сусідніх камер, а передача тепла теплопровідністю солі в сотні разів вище, ніж конвекційним нагріванням повітря. Тобто ефективність випару фракцій в установці підвищується в десятки разів. Відповідно зменшуються массо габаритні характеристики і вартість установок. У реакторі Р3 смола прогрівається від 850°С у корпуса до 3000°С у центрі розплаву. Унизу сопла Р1 у розплаві, відбувається піролиз твердих побутових відходів, тобто відбувається руйнування структури сировини і його розкладання на вуглець і водень, за рахунок впливу на кожну молекулу по всьому обсязі речовини температури, електрохімічних і хімічних каталізаторів. Гази, пари води, солей і металів барботірують через розплав у реакторах. Промінь плазми, що утворився, регулюють магнітними полями. За рахунок рівномірного нагрівання нафти і відходів у розплаві при температурі 850-3000°С, практично не утворяться шкідливі речовини - сірководень, диоксини. Для додаткового очищення до складу легкоплавкої речовини у сопло 7 введені обпилювання активних речовин і каталізаторів, наприклад, заліза й окислів, що утворять хлориди і сульфіди металів. Уводяться також боксит, крейда чи вапняк. Окисли і хлориди металів у середовищі рідкого каталізатора, яким служать розплави солей у присутності водню і вуглецю відновлюються в чисті метали. Періодично розплави солей зливають і виділяють з них метали, наприклад чи електролізом коагуляцією хімічними речовинами. При цьому можна одержувати порошки металів мікронних розмірів. Зокрема, при взаємодії в розплаві мідного купоросу з алюмінієм одержують порошки міді. Піролизний газ барботірує через розплав солі 10, очищається, додатково газифікується і надходить в ізольоване розплавом сопло 7, де проходячи через гранули бокситу, крейди і карбонату кальцію додатково очищається від сірки і додатково розкладається. При цьому розкладаються до елементарних складових і шкідливі речовини, що залишилися. У шарі твердої солі створюється лунка, що робить оптимальним процес розкладання. Після піролизу сировини в піддоні реактора залишаються кокс, порошки неорганічного матеріалу, шлак, вапно, цемент і стекло, що зливаються в герметичні бункери і форми. Солі й окисли прискорюють розкладання нафти за рахунок упровадження Na, Ca в межбазисні грати, зменшують енергію зв'язку і служать каталізатором горіння вуглецю і СО. Наприклад, СаСО3 прискорює швидкість їхнього горіння в 7 разів, NaCI у 3 рази. Пари води також служать каталізатором горіння. Без пар води оксид вуглецю не горить. За таких умов у зоні окислювання розвиваються високі температури і тиски. Швидкістю горіння легко керувати. Наприклад, уведення 1 % чи йоду його солей зменшує швидкість окислювання в 100 разів. Виділення Н, тепла і прискорення реакцій виробляється також електрохімічними реакціями. При введенні в розплав часток металу виходить маса гальванічних елементів - електродами є метали і кокс, а електролітом розплавлені солі. Ці елементи є електрохімічними каталізаторами синтезу речовин. У них відбувається електроліз речовин з утворенням і з'єднанням атомарного кисню, водню, Na, C1, металотермія, електричні розряди зі швидкостями близькими до світлових, могутню кавітацію. При цьому величезна електрична енергія подвійних електричних шарів на поверхні часток металів заряджає паливо. Кінетична енергія навигационного пухирця, що захлопнувся, досягає 119Дж чи 7,44 1020еВ чи 7,44 1011ГеВ. Це величезна величина. Тому навигационные міхури руйнують самі міцні матеріали. Сучасні прискорювачі дають лише сотні ГеВ. Тиск у міхурі (2*107Па) 10млн.Н/м2 і швидкість розширення до 200м/с. Якщо газовий міхур досягне найбільшого розміру, тиск усередині нього різко падає. Розплавлений метал, що міститься в ньому, скипає і викидається в розплав разом з величезною електричною енергією подвійних електричних шарів на поверхні часток металів. Кавітацій міхур працює як універсальний прискорювач реакцій будь-яких речовин, що потрапили в його обсяг. У ньому можуть відбуватися й екзотермічні й ендотермічні хімічні і ядерні реакції, реакції розподілу і синтезу, наприклад: 1Н1+1Н1>1H2+1,442МеВ. Місцеві перегріви вище 3000°С і кавітація виникають і при термічних реакціях іонізованих алюмінію і натрію з окислами. Швидкістю реакцій керують і магнітними полями і кавітацією. Підвищення віддачі енергії горіння палива й одержання аномальне високих температур досягається за рахунок активної взаємодії електро заряджених часток палива з навколишнім його іонізованим окислювачем, утворення і з'єднання атомарного водню, ОН, 0 з води, а також натрію і хлору при електролізі, при реакціях з розпеченими металами і вуглецем. При з'єднанні атомарних речовин досягаються аномально високі температури, що плавлять, випаровують, ріжуть, спекають навіть тугоплавкі матеріали. Наявність розплавленої солі з високою теплопровідністю і теплоємністю, могутня кавітація і електро гідравлічні удари підсилюють цей ефект порівнюючи його з ефектом підвищення температури до 10000°С у стиснутої магнітними полями плазмі. При авто каталітичному окислюванні палива виходять температури як у плазмотроні. Загальне використання перерахованих вище фізико-хімічних процесів приводить к автокатолітичному прискоренню реакцій окислювання і підвищенню температури окислювання, до досягнення високої щільності енергії в локальній зоні простору до утворення нових речовин і використанню електричної і внутрішньої енергії речовин і вакууму. Розплав солей з електрохімічними каталізаторами створює умови для реалізації керованого процесу розкладання і є теплоємним середовищем для добору й акумулювання енергії. Для одержання високої щільності енергії необхідна спеціальна геометрична форма реактора. Ця форма 12 створюється в холодному шарі солі на дні реактора смолоскипом окислювання. В установці піролизу виявлена надлишкова енергія. 3 грами деревних обпилювань за секунди перетворили в пару і частково сплавили 10м нержавіючої сітки з температурою кипіння 3000°С. Це порозумівається тим, що додаткова енергія виділяється в результаті використання електричної енергії речовин, каталітичного процесу, при якому електрон водневого атома переходить на більш низький енергетичний Рівень 3,73кеВ. Синтезом нових елементів (Болотов), використанням енергії вакууму (Р. Фейнман). При горінні в розплаві солей одночасно відбувається пряме відновлення речовин з руд і окислів, служить енергійним металів. Відновлення Cu, Ni з їхніх окислів у присутності активованої сажі починається з 300°С, a Fe з 400°С. Магнітними полями магнітів установлених поза реакторами прискорюють відновлення магнітних матеріалів, витягають і осаджують їх на корпус чи форми. Відновлення сірки із сульфідів і окислів відбувається в присутності бокситу. Пари сірки барботують через розплав і осаджують на холодних стінках холодильника. Кисень витягають магнітними полями в ємності (не показані) чи використовують для внутрішнього горіння. При повному окислюванні вуглецю і водню установка експлуатується в замкнутому режимі роботи. Для виключення викидів оксиду і диоксиду вуглецю його пропускають через рідкий розплав з електрохімічним каталізатором і одержують рідке паливо. При цьому водень з води з'єднується з оксидом вуглецю і виділяється кисень. Відбираючи кисень, одержують нафта, бензин і солярку. При частковому доборі одержують метанол. Швидкістю синтезу палива з оксидом вуглецю і воднем керують введенням у розплав часток металу, причому в гальванічних елементах електродами є метали і кокс, а електролітом розплавлені солі з температурою 100350°С, наприклад сплав хлоридів цинку і заліза, а кисень відбирають магнітними полями. Такі ж процеси можуть йти під землею, коли виходить нафта. Аналіз отриманого таким методом метанолу підтвердив, що він не відрізняється від промислового. Парі води, солей і металів використовують як робоче тіло в турбінах і інших пристроях. Вироблений водень застосовують як паливо в двигунах і інших пристроях. Установки можуть установлюватися безпосередньо на борті транспорту, а їхні двигуни при цьому працюють від будь-якого виду палива і при цьому додатково можуть виробляти бензин і метанол. Установка ПК 1, розміром з цебро дозволяє одержати з відходів нафти, водень і синтез газ у кількості достатнім для роботи легкового автомобіля. При застосуванні ПК для забезпечення паливом двигунів автомобілів, тракторів, літаків вони стають абсолютно пожаро безпечними, тому що у щосекунди з нафта виділяються грами водню і вуглецю, що при вибуху не можуть заподіяти шкоди транспортному засобу. Реактор РЗ не чуттєвий до хімічного і теплофізичного складу сировини. Очищення не потрібно. Працює і на рудах і на отрутохімікатах і на вугільній породі і на сланцях і на токсичному паливі. Одночасно при роботі може відновлювати метали, миттєво плавити алюміній, плавити, гартувати і нагрівати для вигину стекло, заткати кераміку, виробляти до 50 % по масі коксу чи активованого вуглецю, вапно і цемент, одержувати пара з температурою 1000°С, одержувати недосяжні для хімічних палив температури і тиск. Кокс служить екологічно чистим і пожаро безпечним паливом замість бензину і солярки. Приклад 1. Як паливо в установку завантажують залізну руду і ТБО. У цьому випадку відбувається відновлення руди з виділенням тепла. Добавка поташу прискорює швидкість реакції в кілька разів. Fе2О3+Н2=2Fе3O4+Н2О Реакція проходить з подальшим одержанням чистих металів. Приклад 2. Як паливо в сопло завантажують окисли, наприклад бора і кремнію. У цьому випадку відбувається без газове горіння в розплаві солі з виділенням тепла. Приклад 3. Як паливо в установку завантажують обпилювання руди і металів. У цьому випадку Н є окислювачем. Реакції йдуть у розплаві солі з виділенням тепла – ТіН2 - 69,5, FeH2 - 0,84, ZnH2 - 169,3кДж/моль. Отримані дорогі продукти застосовуються для збереження водню, одержання порошків і покрить. 4. Токсичні речовини СІ, F, S реагують у розплаві солей з металами і лугами з утворенням корисних речовин і тепла, наприклад: 2 Са(ОН)2+СІ 2=СаСІ2+Са(СlO)2+2Н2O 5. Азот при температурі в зоні горіння 3000°С реагує в розплаві солей з неметалами і металами і їхніми окислами з виділенням тепла й утворенням нітридів -твердих, тугоплавких матеріалів. Енергії одна тонна відходів нафти виділяє 10000кВт із кпд 90%, а для запуску установки потрібно 10кВт, після чого вона працює автономно, тому строк окупності установки ПК близько 6 місяців. Фізико-хімічні процеси, що відбуваються в реакторі пропонованої установки дозволяють перетворити шкідливі речовини, наприклад, сірководень і хлор в екологічно безпечні з'єднання і чисту сірку. Склад газоподібних продуктів і коксу відповідає екологічним вимогам і припустимим концентраціям. Результати іспитів продукції пиролізної установки приведені нижче. 1. Технічний аналіз технічного вуглецю отриманого при газифікації відходів нафти, (%): волога аналітична W а 0,6 Зольність Аа 6,7 Зміст загальної сірки Sаt 0,93 Вихід летучих речовин Vd 2,7 Елементний склад (на суху масу) %; Вуглець Сd 90,7 Водень Нa 0,62 Кисень+азот (0+N)dd 0,05 теплота згоряння Вища Qsdaf 7760ккал/кг (32,47МДж/кг) Нижча Qir 7150ккал/кг (29,95МДж/кг) Калорійний еквівалент (при питомій теплоті згоряння умовного палива Q=7000ккад/кг) дорівнює величині 1,02. Результати аналізу складу газу: Водень 40% Метан 42% CO 15% Азот 2% Інші домішки