Разложение тяжелых углеводородов на легкие фракции с использованием электродуговой плазмы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Разложение тяжелых углеводородов на легкие фракции с использованием электродуговой плазмы

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Высоковязкие нефтяные остатки (мазут, гудрон), которые образуются после выделения из нефти летучих и низкокипящих фракций, могут составлять от 50 до 80% от общей массы нефти в зависимости от ее качества. В связи с ростом потребления легких фракций нефтепродуктов использование высоковязких нефтей и нефтяных остатков в качестве дополнительного источника углеводородного сырья для производства легких фракций нефтепродуктов является во всем мире чрезвычайно актуальной задачей.

В последние годы в качестве одного из вариантов углубления переработки тяжелых нефтей и мазута предлагается использование мощного деструкционного процесса пиролиза в плазменной струе инертного газа, водородсодержащего газа, азота. Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию плазмохимического разложения углеводородного сырья, до сих пор актуальной остается проблема организации технологического процесса и увеличения выхода легких фракций из нефти.

Использование электродуговой плазмы для пиролиза углеводородов уже давно привлекает ученых и производственников благодаря своим уникальным возможностям как по избирательности реакций и простоте реализации технологического процесса. Теоретическая база разложения углеводородного сырья на легкие фракции строится на механизме взаимодействия данного сырья с низкотемпературной газоразрядной плазмой, в результате которого активизируются химические реакции. Интенсивности протекания этих реакций зависят от многих факторов, главными из которых являются состояние сырья, температуры плазмы и сырья, мольные соотношения между теплоносителем и сырьем, состояния возбужденностей молекул, скорости протекания реакций, процессы тепломассообмена, газодинамики, электродинамики и др.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Создать электродуговой плазмотрон мощностью до 20 кВт и определить его электрические, энергетические характеристики.

2. Создать экспериментальный стенд для изучения взаимодействия углеводородного сырья с потоком электродуговой плазмы.

3. Провести экспериментальные исследования характеристик плазмохимического реактора.

4. Провести теоретический анализ взаимодействия капель мазута с потоком электродуговой плазмы.

5. Провести анализ продуктов плазмохимического разложения углеводородного сырья.

Научная новизна диссертационной работы. Проведены комплексные исследования электрических, энергетических характеристик плазмотрона на его основе создан плазмохимический реактор для разложения тяжелых углеводородов на легкие фракции. Построены зависимости напряжения дуги и мощности плазмотрона от расхода плазмообразующего газа. Изучены процессы взаимодействия нефти, мазута с потоком электродуговой азотной и аргоновой плазмы.

На основе проведенных экспериментов по воздействию на нефть азотной и аргоновой плазмы предложен способ глубокой переработки тяжелых фракций нефти. Установлено влияние силы тока на концентрацию полученных компонентов

Установлено, что в результате взаимодействия плазмы с мазутом образовываются легкие углеводороды, такие как: метан, этилен, ацетилен, пропан, бутан, и полная бензиновая группа. Максимальные концентрации выхода ацетилена наблюдаются в аргоновой плазме при токах 200 - 300А, максимальные концентрации этилена в азотной плазме при токах 125 - 175А.

Практическая значимость. Результаты работы позволяют установить диапазон значений силы тока плазмотрона, при которых наблюдается наибольшая концентрация легких фракций.

Использование результатов. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при проектировании и разработке промышленных плазмохимических реакторов для разложения тяжелых углеводородов на легкие фракции в нефтехимической промышленности.

Достоверность полученных результатов подтверждается и обеспечивается использованием измерительной аппаратуры, прошедшей метрологическую поверку; расчетом погрешности измерений; хорошим согласованием полученных теоретических результатов по взаимодействию капель мазута с потоком электродуговой плазмы с экспериментальными данными.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальный стенд для плазмохимического разложения тяжелых углеводородов на легкие фракции.

2. Методика проведения экспериментов по разложению тяжелых углеводородов на легкие фракции.

3. Результаты по исследованию взаимодействия нефти, мазута с потоком электродуговой плазмы и разложению тяжелых углеводородов на легкие фракции.

Личный вклад автора диссертации состоит в следующем:

При непосредственном участии автора создан лабораторный стенд для плазмохимического разложения тяжелых углеводородов на легкие фракции, включающий в себя: электродуговой плазмотрон, реакционную камеру, камеру закалки, а также системы электрического питания, газоснабжения, водоснабжения, измерительных приборов, подачи обрабатываемого сырья, отбора целевых продуктов. Автором были проведены многочисленные эксперименты как по изучению взаимодействия углеводородного сырья с электродуговой плазмой, так и по исследованию параметров электродугового плазмотрона. Проведены обобщения результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на «Международной молодежной научной конференции, посвященной 1000-летию г. Казани» (г. Казань 2005 г.), на «Международной молодежной научной конференции ХVI Туполевские чтения» (г. Казань 2008 г.), на VII Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург 2009 г.), на Международной молодежной научной конференции «XVII Туполевские чтения» (г. Казань 2009 г.), а также на научных семинарах кафедры общей физики КГТУ им. А.Н. Туполева в 2004-10 годах.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 12 печатных работ из них 3 статьи в рекомендованных ВАК научных журналах, 9 работ в трудах международных научных конференций. Результаты работы также отражены в научных отчетах по грантам Министерства образования и науки РФ в рамках программы: «Развитие научного потенциала высшей школы» 2.1.1/3199, Молодежному гранту АН РТ №08-14/ 2005 (Г) от 04 апреля 2005 г. «Разработка плазменной технологии по переработке бытовых отходов», и в научных отчетах по договорам №09-03-97010/2009 (РФФИ) АН РТ «Разложение мазута на легкие фракции с использованием плазмы газового разряда» и №09-03-97010/2010 (РФФИ) АН РТ «Разложение углеводородов в неравновесной плазме газового разряда».

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация объемом 120 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 50 рисунков и 25 таблиц. Список литературы включает 91 наименований.

Содержание работы

мазут электродуговой плазмотрон

Во введении диссертационной работы обосновываются актуальность, цели и задачи диссертации, формируются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен общий обзор экспериментальных и теоретических работ по исследованию плазмохимических методов разложения углеводородного сырья, и его составляющих. Приведены сравнительные показатели плазмохимического пиролиза жидких углеводородов с термическим пиролизом в трубчатых печах. Сравнение показало, что плазмохимические процессы обеспечивают более высокую степень превращения, чем базовые процессы, меньший расход сырья на единицу продукции. Большое внимание было уделено и конверсии углеводородов. Показано, что конверсия углеводородов в неравновесной плазме имеет ряд своих преимуществ перед конверсией в квазиравновесной плазме, а именно: отпадает необходимость в нагреве газа и последующей закалке продуктов. В связи с этим, возможно снижение затрат электрической энергии на конверсию и упрощение технологической схемы.

Однако, неравновесность плазмы достигается либо за счет низких давлений, либо за счет высоких градиентов электрического поля в плазме, реализующихся при небольших удельных мощностях поля, либо за счет импульсного модулированного ввода мощности в плазму. В связи с этим, данные способы приводят к резкому снижению производительности плазмохимических процессов.

Приведен обзор существующих на сегодняшний день некоторых лабораторных и опытно - промышленных установок.

Во второй главе приводится описание экспериментального стенда. Для проведения экспериментальных исследований взаимодействия тяжелых углеводородов с потоком электродуговой плазмы был спроектирован и создан экспериментальный стенд. Экспериментальный стенд состоит из системы электрического питания, системы зажигания дуги, газоснабжения, охлаждения, подготовки и подачи перерабатываемого сырья, плазмохимического реактора и закалочного устройства, системы отбора целевых продуктов. Описаны требования к конструкциям плазмотрона и плазмохимического реактора.

Система электрического питания.

Система электропитания плазмотрона постоянного тока должна обеспечивать непрерывный подвод энергии, а также позволять контролировать энергетический режим. Для этих целей была сконструирована цепь электрического питания, в которую входят следующие основные узлы (рис 1.): выпрямительный блок, состоящий из шести полупроводниковых вентилей типа ВЛ-200, собранные по схеме Ларионова (выходное напряжение выпрямителя составляет 500 В, а номинальный ток 600 А), развязывающий трансформатор 380/400, П-образный С - L - C фильтр, жидкостный реостат с подвижным электродом (для обеспечения возможности плавного регулирования выпрямленного напряжения), контрольно-измерительные приборы и пульт управления.



Рис. 1. Принципиальная схема электрического питания плазменного стенда (К - контактор; Д₁, Д₂ - дроссель; ПМЕ1, ПМЕ2 - пускатели; ЖР - жидкостный реостат; Кн1 - копка управления контактором; Кн2 - копка управления жидкостным реостатом; РЩ - распределительный щит; Р - рубильник; РТ - разделительный трансформатор; ВБ - выпрямительный блок)

Система зажигания дуги

Для зажигания дуги был использован импульсно - периодический высоковольтный источник питания с напряжением 15 кВ. (рис. 2) Клеммы от высоковольтного источника питания соединяли с катодом и межэлектродной вставкой (МЭВ). При нажатии на кнопку пуск выносного пульта управления между катодом и МЭВ возникает искровой разряд, который инициирует дугу

Рис. 2. Схема запуска электродугового нагревателя (Кн - кнопка включения блока поджига; С1 - конденсатор (u = 15 кВ, С = 0,1 МкФ), К - катод плазмотрона, МЭВ - межэлектродная вставка, А - анод плазмотрона)

Система газоснабжения

Принципиальная схема системы газоснабжения приведена на рис. 3. В качестве рабочего газа в экспериментах применялся азот и аргон. Азот из баллона с редуктором под давлением до 3 кГ/см² подавался в расходомеры 5 и далее в плазмотрон.

Рис. 3. Схема системы подачи газа

1 - баллон с газом; 2 - редукторы; 3 - вентили; 4 - манометры; 5 - ротаметры; 6 - электродуговой плазмотрон; 7 - реакционная камера

Система охлаждения

Система охлаждения предназначена для снятия больших тепловых потоков в конструкции плазмотрона и охлаждения вспомогательного оборудования экспериментальной установки.

Схема предусматривает регулировку и контроль заданных значений давления, расхода и температуры охлаждающей воды.

Регулирование подачи воды к отдельным элементам плазмотрона и реакционной камеры осуществляется вентилями. Расход воды контролируется ротаметрами типа РС-5, РС-7. Температура воды на входе и выхода из узлов плазмотрона фиксировалось ртутными термометрами. Отработавшая вода сливалась в канализационную городскую сеть.

Электродуговой плазмотрон.

К настоящему времени созданы электродуговые плазмотроны мощностью от десятков киловатт до нескольких мегаватт. (плазмотроны марки ЭДП - 137 мощностью до 2000 кВт, ЭДП - 119 мощностью до 1500 кВт, ПР - 05 мощностью до 5000 кВт.) Наибольшие КПД преобразования электрической энергии в энергию плазмы имеют электродуговые плазмотроны. Так, для плазмотронов большой мощности этот показатель достигает 0,9 - 0,98.

Ресурс непрерывной работы плазмотронов в технологических процессах должен быть не менее 10² - 10³ ч. Ресурс работы электродуговых плазмотронов ограничен ресурсом работы катода и анода. Катод плазмотрона из торированного вольфрама с аргоновой защитой при токах 120 - 130 А может работать на воздухе в течение 548 ч. Ресурс работы медного анода при токах 120 - 130 А составляет 95 - 224 ч.

Для исследований взаимодействия углеводородного сырья с электродуговой плазмой, нами был изготовлен чертеж и создан однокамерный плазмотрон с межэлектродной вставкой мощностью 20 кВт. На рис. 4 приведен его чертеж.

Основными элементами данного плазмотрона являются водоохлаждаемые: катод, анод, межэлектродная вставка. Дуга стабилизирована потоком газа, подаваемого в дуговую камеру через тангенциальные отверстия. Наличие межэлектродной вставки, которая электрически изолирована от катода и анода, позволяет организовать распределенную подачу рабочего газа, что дает возможность получить более благоприятную вольтамперную характеристику и увеличить устойчивость дуги, увеличить коэффициент полезного действия. Не менее важными преимуществами распределенного вдува являются значительное уменьшение тепловых потоков к стенке дуговой камеры, повышение напряженности электрического поля в положительном столбе и возможность дополнительного управления свойствами дуги за счет изменения параметров вдува. Наличие межэлектродной вставки также облегчает запуск плазмотрона и защиту источника питания от высокочастотного импульса системы запуска.

Рис. 4. Чертеж однокамерного плазмотрона

1 - катод; 2 - паронитовые прокладки; 3 - МЭВ; 4 - кольцо закрутки; 5 - анод

На рис. 5 -7 приведены объемные чертежи анода, катода и межэлектродной вставки.

Рис. 5. Анод плазмотрона в разрезе



Рис. 6. Катод плазмотрона в разрезе

Рис. 7 Межэлектродная вставка плазмотрона

Все основные элементы плазмотрона выполнены из меди.

Плазмохимический реактор.

Плазмохимический реактор, являющийся основным узлом установки, должен обладать способностью длительное время работать при высоких температурах и с высоким КПД, обеспечивать равномерное распределение температур и концентраций газа по сечению реактора, необходимое время пребывания продуктов синтеза в реакционной зоне, а также заданный режим охлаждения продуктов реакции и др.

Условно плазмохимический реактор можно разделить на зоны: смешения, реакционную и закалки.

Отличительной особенностью газофазных плазмохимических реакций является то, что они осуществляются в условиях высоких (10³ - 2 * 10⁴ К) температур, для которых характерно резкое ускорение физико-химических процессов (возбуждение внутренних степеней свободы, диссоциация на атомы и радикалы, ионизация и химические превращения). В результате этих процессов возникает высокотемпературная газовая смесь, состоящая из реакционно-активных частиц: атомов, радикалов, ионов, электронов и свободных молекул. Скорости взаимодействия этих частиц существенно зависят от условий образования и существования низкотемпературной плазмы.

Многие технологические процессы в условиях низкотемпературной плазмы реализуются таким образом, что целевые продукты являются промежуточными соединениями. Поэтому для того чтобы определить место и время закалки продуктов реакции необходимо знание пространственно - временных характеристик процесса. Эффективность взаимодействия во многом зависит от организации смешения и тепломассообмена реагентов с потоком плазмы. Возможны следующие схемы смешения потоков: с радиальным вводом углеводородов, с попутным вводом, на встречных струях. Ввиду простоты и надежности наибольшее распространение получили схемы с радиальным вводом углеводородов. На рис. 8 приведена схема реакционной камеры и подачи сырья. Рабочая поверхность реакционной камеры выполнена из легированной жаропрочной стали, и имеет водоохлаждаемую рубашку. В ее конструкции предусмотрена возможность ввода обрабатываемого сырья.

Высокотемпературный поток газов после нагревания электрической дугой и смешения в реакторе с целью фиксации образовавшихся при высоких температурах реагентов, а также предотвращения обратных реакций требует эффективного охлаждения - замораживания, т.е. закалки.

Рис.8. Схема реакционной камеры и подачи сырья



Рис. 9. Схема закалочного устройства

Средняя скорость закалки для устройства прямо пропорциональна перепаду температур охлаждаемого газа, средней скорости и обратно пропорциональна длине закалочного устройства. Чем выше скорость закалки, тем больше конечного продукта остается в смеси охлажденных газов после закалки.

Наиболее распространенным для закалки продуктов плазмохимических процессов является рекуперативные закалочные устройства из-за простого исполнения и возможности утилизации сбросового тепла. Рекуперативная поверхностная закалка представляет теплообменник, в котором газы при течении вдоль или поперек твердой неплавящейся поверхности, омываемой с другой стороны холодным газовым или жидким теплоносителем.

С учетом всех рекомендаций была выбрана конструкция закалочной камеры с использованием пучка ребристых труб, как одна из наиболее эффективных. На рис. 9. показана схема закалочной камеры.

Она состоит из водоохлаждаемых стенок и трех рядов ребристых труб в рабочем сечении. Общая площадь прохождения продуктов реакции 200 мм². Периметр соприкосновения на самом узком участке 320 мм. Скорость закалки регулируется изменением расхода охлаждающей воды и скоростью потока.

В третьей главе диссертации описываются результаты экспериментальных исследований характеристик электродугового плазмотрона, при различных плазмообразующих газах. Вольтамперные характеристики строились по средним значениям тока и напряжения. Для измерения напряжения и тока дуги использовались вольтметры и амперметры типа М 1106 класса точности 0,2 и шунт на 500А. Результаты приведены на рис. 10 - 11. Горизонтальные и слегка падающие вольтамперные характеристики свидетельствуют о стабильности разряда. Эксперименты по снятию вольтамперных характеристик проводились при атмосферном давлении. В первом случае, измеряли зависимость напряжения дуги от общего расхода газа. Плазмообразующим газом служили азот или аргон. После того, как осуществлялся пуск электродугового плазмотрона, и устанавливался рабочий режим, производили снятие показаний приборов вольтметра и амперметра. Далее по показаниям ротаметров и манометров, пользуясь кривыми графиков азота и аргона по определению расхода, устанавливали необходимый расход газа.

С целью установления доверительного интервала и увеличения точности показаний все эксперименты повторяли по пять раз. При расчетах по критерию Стьюдента доверительный интервал составил 1,6 вольт.

Рис.10. Вольтамперные характеристики аргоновой дуги при различных расходах газа



Рис.11. Вольтамперные характеристики азотной дуги при различных расходах газа

По экспериментальным данным построены зависимости напряжения на дуге от общего количества плазмообразующего газа рис. 12 - рис. 13. Как и следовало ожидать, с ростом расхода газа напряжение разряда увеличивается. Напряжение азотной дуги в 2,5 - 3 раза выше аргоновой дуги.

Рис. 12. Зависимости напряжений дуги от общего расхода аргона

Рис. 13. Зависимости напряжений дуги от общего расхода азота

На рис. 14 - 15 представлены зависимости мощности плазмотрона от расхода плазмообразующего газа аргона и азота соответственно.

Рис. 14. Зависимость мощности плазмотрона от расхода газа (аргон) при различных токах

Рис. 15. Зависимости мощности плазмотрона от расхода газа (азот) при различных токах

Из рисунков 14 - 15 можно найти диапазон эффективной работы сконструированного плазмотрона как по току, так и по мощности. Он составляет от 100 - 300 А по току и от 5 до 20 кВт по мощности.

Тепловые характеристики плазмотрона. Тепловые характеристики плазмотронов определяют эффективность преобразования электрической энергии в тепловую энергию. К важнейшим тепловым характеристикам относятся потеря энергии через электроды и межэлектродную вставку, а также тепловой КПД плазмотрона, определяющий в значительной степени выбор его схемы и источник питания. Величина КПД в сильной степени зависит от процесса взаимодействия высокотемпературного газа со стенками дуговой камеры.

На рис. 16 - 17 приведены результаты экспериментальных данных по потерям тепла через катод и межэлектродную вставку в азотной плазме.

Рис. 16. Зависимость потери тепла через катод от тока

Рис. 17. Зависимость потери тепла через секцию МЭВ от тока

Анализ экспериментальных результатов показывает, что потеря тепла через элементы плазмотрона зависит, в основном, от тока. Влияние изменяемых параметров (расхода газа, давления) в пределах изменений проведенных экспериментов незначительны.

Определение радиального распределения температуры на выходе из плазмотрона.

Экспериментальным путем было определено радиальное распределение температуры на выходе из плазмотрона. Параметры электродугового плазмотрона, при которых проводили эксперимент: I = 200 А, U = 60 В, рабочим газом являлся аргон. В эксперименте применялся спектрограф ИСП-30 (рис. 18).

Рис. 18. Схема проводимого измерения: 1 - плазмотрон, 2 - конденсор, 3 - спектрограф

Излучение от пламени равномерно проектировалось конденсором 2 на щель спектрографа 3. На фотопленке фиксировались спектрограммы поперечного сечения плазмы. На основе расчетов была построена картина распределения температуры рис. 19. В качестве сечения для измерения температуры было выбрано место подачи сырья.

Рис. 19. Картина радиального распределения температуры плазмы на выходе из плазмотрона

Как показали расчеты, температура в области инжектирования сырья оказалась порядка 6000 К на всем сечении струи.

В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований воздействия электродуговой плазмы на углеводородное сырье, при различных плазмообразующих газах. Проведен теоретический анализ взаимодействия капель мазута с потоком электродуговой плазмы.

При плазмохимическом воздействии на распыленный мазут частицы мазута оказываются в плазменном потоке, и под действием тепловой и кинетической энергии плазмы, молекулы углеводородов будут испаряться с поверхности микрочастиц мазута, а также будет происходить их разложение вплоть до выделения чистого углерода и водорода. Т.е. при взаимодействии мазута с потоком электродуговой плазмы будут происходить плазмохимические процессы синтеза, термического разложения и диссоциации. Расчеты ведутся для аргоновой плазмы.

Уравнение движения микрочастицы в потоке электродуговой плазмы может быть записано в виде:

ma = F_тр, (1)

, (2)

r - радиус частицы; , _s - соответственно плотность набегающего газа и частицы; C_x - коэффициент сопротивления частицы; v, v_s - соответственно скорости набегающего газа и частицы.

В стоксовском режиме обтекания коэффициент сопротивления частицы определяется соотношением:

C_x = 24 / Re , (3)

где Re - число Рейнольдса.

Для потока газа, движущегося относительно частицы, число Рейнольдса:

 (4)

Здесь - коэффициент динамической вязкости.

С учетом (2), (3), (4) уравнение (1) может быть представлено в виде

(5)

При движении газа относительно частиц, число Маха определяется выражением:

M = ( -)/S, (6)

где - скорость звука в газе; - показатель адиабаты; C_p, C_v - теплоемкости газа при постоянном давлении и объеме. R - газовая постоянная.

Решим уравнение (5) с начальным условием при t = 0 = 0:

(7)

Введем время , что является аналогом времени релаксации.

Для капель радиусом r =1•10^-4 м, плотности мазута 800 кг/м³ равняется:

 (8)

Коэффициент динамической вязкости для аргона был найден из номограммы для определения вязкости газов при температуры плазмы 4000 К. При этом значение м оказалось равным 107,8•10^-6 Па•с.

Расчет времени выравнивания скоростей для капли мазута, с диаметром 0,1 мм составляет порядка 0,016 с. В то же время, при движении, частичка мазута нагревается и происходит испарение молекул углеводородов с поверхности частичек мазута. При этом мазут уменьшается в объеме. Чем меньше объем частицы, тем быстрее происходит ее ускорение. Зная , можно определить время пребывания частицы в плазме. Время оптимального пребывания частицы в плазме можно определить из анализа уравнения нагрева частицы в потоке плазмы. Изменение температуры частицы в потоке плазмы можно найти из уравнения конвективного теплообмена между частицей и газом:

(9)

Здесь C_s - теплоемкость вещества частицы; T, T_s - соответственно температуры газа и частицы; б = Nu / 2r - коэффициент теплоотдачи от газа к частице; - коэффициент теплопроводности газа.

Число Нуссельта, учитывающее разреженность потока газа на интенсивность теплообмена, находится из выражения:

, (10)

Nu_c = 2 + 0,459 Re^0,55 Pr ^0,33 - число Нуссельта в условиях течения сплошной среды.

Учитывая, что Pr = C_p /, из (9) получаем уравнение нагрева частицы в потоке плазмы.

. (11)

Это уравнение интегрируется аналогично уравнению (5):

, (12)

. (13)

С учетом того, что при t = 0 T_S= T, находим:

. (14)

Здесь T₀ - начальная температура частицы.

Если вместо t подставить время пребывания частицы в плазме, то можно найти изменение температуры частицы

Разложение мазута на легкие фракции с помощью азотной электродуговой плазмы

Для исследования взаимодействия углеводородного сырья с электродуговой плазмой были проведены ряд экспериментов. Порядок экспериментов заключался в следующем: мазут нагревался до 150⁰С, в емкость с мазутом через редуктор подавался сжатый азот. Давление в емкости поддерживалось на уровне 2,0 кГ/см². Затем производился запуск плазмотрона и устанавливался рабочий режим работы плазмотрона. Параметры работы плазмотрона соответствовали следующим значениям: I - 125A, U - 125B, G_газа - 1 г/с. Для исследования состава газ отбирался в газовые пипетки. Анализ проб проводили на хроматографе Кристалл-5000 на наличие углеводородов. Результаты представлены на рис. 20.

Рис. 20. Хроматографический анализ. Сырье - мазут, плазма - азотная. I - 125A, U - 125B, G_газа - 1 г/с

Разложение нефти на легкие фракции в потоке аргоновой плазмы

Сырье - нефть в емкости нагревалось до 80⁰ С, в емкость с нефтью подавался через редуктор сжатый азот и поддерживалось давление 1,5 кГ/см². Затем производился запуск плазмотрона и устанавливался рабочий режим работы. Параметры плазмотрона, при которых проводился эксперимент, были следующими: I - 125A, U - 54B, G_газа - 0,8 г/с. Для исследования состава газ отбирался в газовые пипетки. Анализ проб проводили на хроматографе Кристалл-5000 на наличие углеводородов. В выходном продукте обнаружились следующие углеводороды рис. 21.

Рис. 21. Хроматографический анализ. Сырье - нефть, плазма - аргоновая. I - 125A, U - 56B, G_газа - 0,8 г/с

Увеличение силы тока I - до 175А приводит к увеличению концентраций ацетилена в несколько раз рис. 22.

Рис. 22. Хроматографический анализ. Сырье - нефть, плазма - аргоновая. I - 175A, U - 52 B, G_газа - 0,8 г/с

Разложение мазута на легкие фракции с помощью аргоновой электродуговой плазмы

Порядок экспериментов заключался в следующем: мазут нагревался до 150⁰ С, в емкость с мазутом через редуктор подавался аргон. Давление в емкости поддерживалось на уровне 2 кГ/см². Затем производился запуск плазмотрона и устанавливался рабочий режим работы плазмотрона. Ток и напряжение, а также расход рабочего газа имели постоянные значения и соответствовали значениям: I - 125A, U - 54 B, G_газа - 0,8 г/с. После взаимодействия углеводородного сырья с аргоновой плазмой, реагирующая смесь поступала в реакционную камеру, стенки которой имеют водяное охлаждение. Далее газ отбирался в газовые пипетки, для исследования состава. Анализ проб проводили на хроматографе Кристалл-5000 на наличие углеводородов. В выходном продукте обнаружились следующие углеводороды рис. 23.

Рис. 23. Хроматографический анализ. Сырье - мазут, плазма - аргоновая. I - 125A, U - 56B, G_газа - 0,8 г/с

С увеличением силы тока до 300А, концентрация ацетилена возрастает рис. 24.

Рис. 24. Хроматографический анализ. Сырье - мазут, плазма - аргоновая. I - 300A, U - 50 B, G_газа - 0,8 г/с

Из приведенных анализов отчетливо видно, что увеличение силы тока в дуге приводит к увеличению концентраций более легких фракций и уменьшению бензиновых фракций.

Если появление в конечном продукте изобутана, этилена, ацетилена и бензиновых фракций можно было объяснить также их наличием в исходном сырье - нефти, то появление этих же компонентов при экспериментах с мазутом указывает на эффективность плазмохимических процессов при электродуговом воздействии на тяжелые углеводороды с целью их разложения на легкие фракции.

В заключении сформулированы основные выводы:

1. Создан экспериментальный стенд по разложению тяжелых углеводородов на легкие фракции, который включает в себя системы электрического питания, системы зажигания дуги, газоснабжения, охлаждения, подготовки и подачи перерабатываемого сырья, плазмохимического реактора и закалочного устройства, системы отбора целевых продуктов. Определены требования к плазмотрону, плазмохимическому реактору, закалочному устройству.

Проведены исследования электрических, энергетических характеристик плазмотрона. Изучены вольтамперные характеристики плазмотрона.

Построены зависимости напряжения дуги и мощности плазмотрона от расхода плазмообразующего газа. Экспериментальным путем определено радиальное распределение температуры на выходе из плазмотрона.

2. На основе проведенных экспериментов по воздействию на нефть азотной и аргоновой плазмы установлена возможность образования легких углеводородов.

Показано, что плазмохимическая переработка тяжелых фракций нефти с использованием низкотемпературной плазмы позволяет углубить переработку нефти.

3. Установлено, что в результате взаимодействия плазмы с мазутом образовываются легкие углеводороды, такие как: метан, этилен, ацетилен, пропан, бутан, и полная бензиновая группа. Показано, что степень образования легких фракций и его качественный состав зависят от состава и состояния исходного сырья, от исходного состава и температуры плазмы, количественных соотношений между расходами сырья и плазмообразующего газа, от места смешения и эффективности закалочного устройства. Показано, что оптимизируя эти параметры, можно добиться максимального выхода нужного состава углеводородов. Максимальные концентрации выхода ацетилена наблюдаются в аргоновой плазме при токах 200 - 300А, максимальные концентрации этилена в азотной плазме при токах 125 - 175А.

4. Проведенные эксперименты и полученные результаты по плазмохимическому способу переработки нефти и мазута позволяют констатировать, что найден способ глубокой переработки тяжелых нефтей.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. Залялетдинов Ф.Д. Распределение потенциала, концентраций электронов и ионов у поверхности твердого тела / И.Г. Даутов, Ф.Д. Залялетдинов, Ш.Ш. Зарипов // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2005. - №1. - С. 29 - 31.

2. Залялетдинов Ф.Д. Электродуговой способ производства углеродных наноструктурированных порошков / А.Ш. Арсланов, Ф.Д. Залялетдинов, Х.Г. Мухамадияров, Д.Б. Тимеркаева // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2010. - №3. - С. 239 - 246.

3. Залялетдинов Ф.Д. Разложение углеводородов в потоке электродуговой плазмы / А.Ш. Арсланов, Ф.Д. Залялетдинов, И.М. Закиров, Д.Б. Тимеркаева // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2010. - №3. - С. 123 - 128.

4. Залялетдинов Ф.Д. Применение дуговой плазмы для переработки стекловидных отходов / Ф.Д. Залялетдинов, Т.Я. Асадуллин // Международная молодежная научная конференция, посвященная 1000-летию г. Казани. - Казань. - 2005. - Том 2. - С. 29 - 30.

5. Залялетдинов Ф.Д. Плазмохимический способ переработки мазута / Ф.Д. Залялетдинов, Д.Б. Тимеркаева, И.Г. Галеев // Международная молодежная научная конференция, посвященная 1000-летию г. Казани. - Казань. - 2005. - Том 2. - С. 30 - 31.

6. Залялетдинов Ф.Д. Альтернативные топливы для двигателей внутреннего сгорания / Б.А. Тимеркаев, Ф.Д. Залялетдинов, Х.Г. Мухамадияров, К.Р. Муртазин // Международная молодежная научная конференция. «ХVI Туполевские чтения». - Казань. - 2008. - Том 2. - С. 17 - 18.

7. Залялетдинов Ф.Д. Воздействие на мазут выскоэнергетичными ионами воздуха / Б.А. Тимеркаев, Ф.Д. Залялетдинов, Х.Г. Мухамадияров, К.Р. Муртазин // Международная молодежная научная конференция. «ХVI Туполевские чтения». - Казань. - 2008. - Том 2. - С. 19 - 20.

8. Залялетдинов Ф.Д. Плазмохимический синтез углеродных наноструктурированных порошков / Ф.Д. Залялетдинов, А.Ш. Арсланов, Х.Г. Мухамадияров, Д.Б. Тимеркаева // Сборник трудов седьмой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» / Высокие технологии, фундаментальные исследования, образование. - Санкт-Петербург. - 2009. - Том 2. - С. 104 - 106.

9. Залялетдинов Ф.Д. Электродуговой способ отделения редкоземельных элементов из отходов нефтепереработки / Ф.Д. Залялетдинов, А.Ш. Арсланов, Х.Г. Мухамадияров, Б.А. Тимеркаев // Сборник трудов седьмой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» / Высокие технологии, фундаментальные исследования, образование. - Санкт-Петербург. - 2009. - Том 2. - С. 158-159.

10. Залялетдинов Ф.Д. Получение редкоземельных металлов при плазмохимическом воздействии на углеводородное сырье. / А.Ш. Арсланов, Ф.Д. Залялетдинов, Б.А. Тимеркаев // Сборник тезисов международной молодежной научной конференции «XVII Туполевские чтения». - Казань. - 2009. - Т.2. - С. 65 - 67.

11. Залялетдинов Ф.Д. Распределение потенциала, концентраций электронов и ионов у поверхности твердого тела. / И.Г. Даутов, Ф.Д. Залялетдинов, Ш.Ш. Зарипов // Сборник тезисов международной молодежной научной конференции «XII Туполевские чтения». - Казань. - 2004.

12. Залялетдинов Ф.Д. Электродуговой способ получения углеродных наночастиц. / А.Ш. Арсланов, Ф.Д. Залялетдинов, Д.Б. Тимеркаева, Б.А. Тимеркаев // Сборник тезисов международной молодежной научной конференции «XVII Туполевские чтения». - Казань. - 2009. - Т.2. - С. 69 - 70.

Размещено на Allbest.ru

...