Оценка влияния гидродинамической кавитационной обработки темных нефтепродуктов на выход фракций, выкипающих до 400 °С

Цели. Снижение антропогенной нагрузки человечества на окружающую среду связывают с использованием альтернативных источников энергии. Однако часть из них имеет только региональное значение, а эффективность других дискуссионна. Для сокращения углеродного следа не меньший интерес представляют инновационные процессы, направленные на увеличение глубины переработки нефти. К числу таких процессов можно отнести и волновые технологии, частным случаем которых является кавитация. Кавитационные явления для нефтепереработки создают различными методами, наиболее перспективным из которых считаются гидродинамические. Установлено, что эффективность воздействия возрастает как при повышении давления при прокачке нефтепродукта, так и при увеличении количества актов воздействия. Цель данной работы - какой из двух факторов - градиент давлений или количество циклов воздействия - оказывает большее влияние на изменение характеристик нефтепродукта.

Методы. Явление кавитации создавали, прокачивая темные нефтепродукты через диффузор. Давление варьировалось от 20 до 50 МПа, а количество актов воздействия - от 1 до 10. Анализировалось влияние условий кавитации на изменение фракционного состава нефтепродуктов. В качестве целевых рассматривались фракции, выкипающие до 400 °C.

Результаты. Показано, что выход целевых фракций линейно увеличивается при повышении давления, возникающего в диффузоре. Зависимость выхода этих фракций от количества циклов обработки описывается моделью роста с насыщением. Предложено уравнение, описывающее влияние давления и количества циклов на выход фракции от температуры начала кипения (Т_НК) до 400 °С после кавитационной обработки темных нефтепродуктов. Установлена связь некоторых из коэффициентов этого уравнения с физико-химическими характеристиками исходного сырья.

Выводы. Предложено уравнение, позволяющее по физико-химическим характеристикам исходного сырья предсказать максимально возможный выход фракции Т_НК-400 °С в результате кавитационной обработки при различных условиях ведения процесса. Ошибка прогнозирования не превышает 12%. Анализ полученного уравнения и сопоставление энергозатрат при различных режимах ведения процесса показывают, что больший выход целевого продукта достигается в результате увеличения давления, а не числа циклов обработки.

1. Капустин В.М. Технология переработки нефти. В 4-х частях. Часть первая. Первичная переработка нефти. М.: КолосС; 2013. 334 с. ISBN 978-5-9532-0825-3

2. Чеботова В.И., Уланов В.В. Глубина переработки нефти в России. Деловой журнал NEFTEGAZ. RU. 2021;(109):14-17.

3. Артемов А.В., Переславцев А.В., Крутяков Ю.А., Вощинин С.А., Кудринский А.А., Бульба В.А., Острый И.И. Плазменные технологии переработки углеводородного сырья и отходов. Экология и промышленность России. 2011;(10):18-23.

4. Ганиева Г.Р., Тимеркаев Б.А. Плазмохимическое раезложение тяжелых углеводородов. Нефтехимия. 2016;56(6):651-654. https://doi.org/10.7868/S0028242116060046

5. Пивоварова Н.А. Использование волновых воздействий в переработке углеводородного сырья (Обзор). Нефтехимия. 2019;59(7):727-738. https://doi.org/10.1134/S002824211907013X

6. Иванов С.В., Воробьев С.И., Торховский В.Н., Герзелиев И.М. Применение гидродинамической кавитации для повышения эффективности каталитического крекинга вакуумного газойля. Тонкие химические технологии (Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова). 2013;8(3):67-69.

7. Балпанова Н.Ж., Тусипхан А., Гюльмалиев А.М., Ма Ф., Кызкенова А.Ж., Айтбекова Д.Е., Халикова З.С., Байкенова Г.Г., Байкенов М.И. Кинетика кавитации средней фракции каменноугольной смолы. Химия твердого топлива. 2020;(4):21-27. https://doi.org/10.31857/S0023117720040027

8. Иваницкий Г.К. Численное моделирование динамики пузырькового кластера в процессах гидродинамической кавитации. Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2011;(7):52-58.

9. Bhangu S.K., Ashokkumar М. Theory of Sonochemistry. Top. Curr. Chem. 2016;374(4):56. https://doi.org/10.1007/s41061-016-0054-y

10. Avvaru B., Venkateswaran N., Uppara P., Iyengar S.B., Katti S.S. Current knowledge and potential applications of cavitation technologies for the petroleum industry. Ultrason. Sonochem. 2018;42:493-507. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2017.12.010

11. Askarian M., Vatani A., Edalat M. Heavy oil upgrading via hydrodynamic cavitation in the presence of an appropriate hydrogen donor. J. Petr. Sci. Eng. 2017;151:55-61. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2017.01.037

12. Промтов М.А. Изменение фракционного состава нефти при гидроимпульсной кавитационной обработке. Вестник Тамбовского государственного университета. 2017;23(3):412-419. https://doi.org/10.17277/vestnik.2017.03.pp.412-419

13. Tao R., Xu. X. Reducing the viscosity of crude oil by pulsed electric or magnetic field. Energy & Fuels. 2006;20(5):2046-2051. https://doi.org/10.1021/ef060072x

14. Бесов А.С., Колтунов К.Ю., Брулев С.О., Кириленко В.Н., Кузьменков С.И., Пальчиков Е.И. Деструкция углеводородов в кавитационной области в присутствии электрического поля при активации водными растворами электролитов. Письма в журнал технической физики (Письма в ЖТФ). 2003;29(5):71-77.

15. Торховский В.Н., Воробьев С.И., Егорова Е.В., Иванов С.В., Антонюк С.Н., Городский С.Н. Превращение алканов под действием единичного импульса гидродинамической кавитации. Поведение среднецепных алканов С21-С38. Тонкие химические технологии (Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова). 2014;9(4):59-69.

16. Торховский В.Н., Воробьев С.И., Антонюк С.Н., Егорова Е.В., Иванов С.В., Кравченко В.В., Городский С.Н. Использование многоцикловой кавитации для интенсификации переработки нефтяного сырья. Технологии нефти и газа. 2015;97(2):9-17.

17. Скрябов Г.Я. Модели массопереноса и популяции с механизмом насыщения. Математическое моделирование. 2007;19(4):27-36.

18. Bertalanffy L. Basic concepts in quantitative biology of metabolism. Helgolander Wissenschaftliche Meeresuntersuchungen. 1964;9(1-4):5-37. https://doi.org/10.1007/BF01610024

19. Пешнев Б.В., Николаев А.И., Терентьева В.Б., Никишин Д.В. Механохимическая активация нефтяного сырья. Актуальные проблемы нефтехимии: Сборник тезисов докладов XII Российской конференции. М.: ИНХС РАН; 2021. С. 153-157. ISBN 978-5-990389144

20. Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. Процессы и аппараты химической технологии. Общий курс. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний; 2014. 1758 с. ISBN 978-59963-2214-5