Содержание к диссертации
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ
ПРОБЛЕМЫ ОЧИСТКИ НЕФТЕПРОДУКТОВ ОТ СЕРОСОДЕРЖАЩИХ
СОЕДИНЕНИЙ 9
1.1 Обзор существующих методов очистки нефтепродуктов от
серосодержащих соединений 9
/. /./ Способы, связанные с разрушением сероорганических соединений и
удалением их из топлив 11
-
Адсорбционно-каталитическое обессеривание нефтяных фракций в присутствии адсорбентов и катализаторов 11
-
Обессеривание нефти и нефтепродуктов с помощью микроорганизмов 15
1.1.2 Способы селективного извлечения органических соединений серы с
одновременной очисткой нефтяных фракций 16
-
Использование процессов экстракции 16
-
Выделение окислами и солями тяжелых металлов 24
-
Способы окислительного десульфирования 25
-
Комплексообразование 32
1.1.3 Применение ультразвука в химико-технологических процессах 34
1.2 Акустическая аппаратура для химико-технологических процессов
42
-
Лабораторное оборудование 42
-
Крупногабаритное сонохимическое оборудование 46
-
Эффекты, возникающие в жидких средах в ультразвуковом поле .. 50
-
Основные выводы и постановка задачи исследований 54
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ОБЕССЕРИВАНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ В АКУСТИЧЕСКОМ ПОЛЕ.55
2.1 Методика проведения экспериментальных исследований 55
2.1.1 Эксперименты на лабораторной установке 55
2.1.1.1 Результаты экспериментов на лабораторной установке и их
обсуждение 62
2.1.2 Эксперименты на пилотной установке 74
-
Планирование эксперимента 74
-
Описание пилотной установки ; 77
-
Методика проведения эксперимента 79
-
Анализ результатов эксперимента 80
-
Расчет погрешности измерений 80
-
Результаты экспериментов на пилотной установке и их обсуждение 84
3 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ОБЕССЕРИВАНИЯ
НЕФТЕПРОДУКТОВ В АКУСТИЧЕСКОМ ПОЛЕ 92
-
Регрессионная обработка результатов экспериментальных исследований 92
-
Критериальное обобщение результатов экспериментальных исследований обессеривания нефтепродуктов с применением
ультразвукового воздействия 94
3.2.1 Обсуэ/сдение результатов критериальной обработки
экспериментальных данных 101
4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ 104
-
Методика расчета аппарата для ультразвукового обессеривания нефтепродуктов 104
-
Рекомендуемая технологическая схема для обессеривания нефтепродуктов 108
-
Расчет экономической эффективности от внедрения аппарата для обессеривания нефтепродуктов в ультразвуковом поле ПО
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 115
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 116
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
I — интенсивность ультразвуковых колебаний, Вт/см ;
Q — содержание соединений серы, % масс;
тобр - время обработки, мин;
t - температура, С;
А:- число промывок, шт;
Ef— эффективность очистки;
Sc - критерий Шмидта;
Gr — критерий Грасгофа;
Fod - диффузионный критерий Фурье;
Rea — колебательный критерий Рейнольдса;
ju - вязкость среды, Н*с/м2;
р - плотность среды, кг/м ;
D — коэффициент диффузии, м /с;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
R — радиус частицы катализатора, м;
/?- температурный коэффициент объемного расширения жидкости, 1/С;
At — разность температур, С;
т- время, мин;
со - круговая частота ультразвуковых колебаний, 1/с;
Q - количество теплоты, переданное среде, обрабатываемой ультразвуком, Дж;
m - масса обрабатываемой среды, кг;
С- удельная теплоемкость среды, Дж/(кгхС);
W— мощность ультразвука, Вт;
Wyd — удельная мощность ультразвуковых колебаний в расчете на единицу
реакционного объема, Вт/см ;
WzeH - мощность генератора ультразвуковых колебаний, Вт;
Van — объем аппарата, м ;
Н— высота аппарата, м.
Введение к работе
Ископаемые топлива являются самым большим и наиболее широко используемым в мире источником энергии, обеспечивая высокую эффективность, надёжные рабочие характеристики и относительно низкие цены. Существует много различных видов топлив, начиная от нефтяных фракций до угля, битуминозных песков и горючих сланцев. Эти топлива имеют широкий диапазон применения.
К сожалению, в большинстве случаев ископаемые топлива содержат серу, обычно в виде сероорганических соединений. Сера вызывает коррозию в трубопроводах, резко ухудшает эксплуатационные качества топлив и масел, что в свою очередь приводит к преждевременному отказу двигателей внутреннего сгорания, снижает активность антидетонаторов и антиокислительную стабильность топлива, повышает склонность к смолообразованию. Сера также отравляет катализаторы, используемые при очистке и сжигании ископаемых топлив. Из-за отравления ею каталитических преобразователей в автомобильных двигателях сера часто является причиной выброса оксидов азота (NOx) у автомобилей с дизельными двигателями. Сера также ответственна за твёрдые выбросы (сажу), поскольку высокосернистые топлива имеют тенденцию разрушать используемые сажевые ловушки. Одной из самых больших проблем, создаваемых соединениями серы, является получившийся при сгорании диоксид серы. В мире ежегодно вместе с нефтепродуктами сжигается около 4-Ю7 т серы. В пересчете на продукты сгорания это составляет примерно 8-Ю7 т диоксида серы или 1,2-108 т серной кислоты и приводит к выпадению «кислотных дождей», которые вредны для сельского хозяйства, живой природы и здоровья человека.
Современный мировой рынок предъявляет жесткие требования к качеству бензинов и дизельных топлив, в частности к содержанию в них серы. Большинство европейских государств переходит на дизельные топлива, удовлетворяющие требованиям EN 590, в соответствии с которыми содержание серы не должно превышать 50 ppm. Ещё более жесткие требования к дизельным топливам по содержанию серы устанавливаются в США. С 2005 г. все марки дизельных топлив должны содержать не более 5-10 ppm серы [1]. В России все выпускаемое в стране топливо должно соответствовать стандарту Евро-3, начиная с 2009 года. С 2010 года планка поднимается до Евро-4. Экологический стандарт Евро-5 должен ступить в силу в 2013 году.
Что касается непосредственно требований к качеству, то для бензина стандарта Евро-2 массовая доля серы не должна превышать 500 мг/кг (для дизельного топлива — 500 мг/кг), Евро-3 - 150 мг/кг (350 мг/кг), Евро-4 — 50 мг/кг (50 мг/кг), Евро-5 - 10 мг/кг (10 мг/кг) [2].
Для обеспечения требований, предъявляемых к качеству производимого топлива, и решения вопросов охраны окружающей среды, необходимо разработать новые более эффективные способы обессеривания. Процессы получения топлив, обеспечивающих пониженное содержание серы в продуктах, являются трудоёмкими и дорогостоящими, что соответственно приводит к повышениям цен на топливо и оказывает тем самым значительное влияние на экономику в целом.
В связи с этим возникает задача использования современных высоких технологий, обеспечивающих достижение требуемого эффекта без больших материальных и энергетических затрат. К их числу относятся технологии, использующие акустические методы воздействия на химико-технологические процессы.
Целью работы является:
Разработка метода направленного повышения качества нефтепродуктов путем снижения содержания сероорганических соединений, теоретическое и экспериментальное исследование процесса десульфурации нефтепродуктов в ультразвуковом поле, создание методики расчета параметров процесса обессеривания и оборудования.
7 Научная новизна:
Показано, что под действием ультразвука интенсифицируется процесс каталитического окисления серосодержащих органических соединений в углеводородных средах.
Установлено, что получаемые в результате такой сонокаталитической реакции окисленные серосодержащие органические соединения способны к необратимому переходу в капли образующейся в поле ультразвука обратной водно-углеводородной эмульсии.
Разработан процесс сонокаталитического окислительного обессеривания нефти и нефтепродуктов и показано, что этот процесс позволяет проводить глубокую сероочистку углеводородов.
Создана методика расчета параметров процесса обессеривания и оборудования.
Практическая значимость:
Предложена новая технология сонокаталитического обессеривания, основанная на каскадно-ступенчатой промывке обрабатываемого нефтепродукта циркуляционной водой. Сконструировано экспериментальное и пилотное оборудование для сонокаталитического обессеривания, а также разработана технологическая схема процесса.
Получены критериальные уравнения, позволяющие определить основные закономерности процессов, протекающих при каталитическом обессеривании нефтепродуктов в ультразвуковом поле. Разработана инженерная методика расчета параметров процесса сонокаталитического обессеривания нефтепродуктов и технологическая схема, включающая аппарат для ультразвуковой каталитической сероочистки.
Полученные результаты могут быть использованы при модернизации действующих и проектировании новых систем .обессеривания нефтепродуктов.
8 Апробация работы:
Результаты работы докладывались на следующих российских и международных конференциях: Международная научно-техническая конференция «Наука и образование - 2008», Мурманск, 2-10 апреля 2008 г., Пятая международная научно-практическая конференция "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности", Санкт-Петербург 28 - 30 апреля 2008 г., III Международная конференция «Альтернативные источники энергии для больших городов», Москва, 23-24 октября 2008 г., XIII Международная экологическая студенческая конференция - 2008 «Экология России и сопредельных территорий», Новосибирск, 24-26 октября 2008 г., Международная научно-техническая конференция «Наука и образование - 2009», Мурманск, 1-9 апреля 2009 г., VI Международная научно-практическая конференция «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов», Москва, 21-24 апреля 2009 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК, и 7 тезисов докладов.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав и выводов, включает 17 таблиц и 41 рисунок. Список литературы содержит 113 наименований.
Методы исследования. В диссертационной работе для решения поставленных задач использованы методы системного анализа, математического моделирования, линейной алгебры и статистической обработки результатов экспериментов.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно-обоснованных методов экспериментальных исследований, использованием гостированных поверенных приборов и современных инструментальных методов физико-химического анализа, которые обеспечивали получение устойчиво воспроизводимых результатов.
