Основные направления применения гидродинамический кавитационных струйно-ультразвуковых смесительных установок:

Гидродинамический кавитационный генератор-реактор создавался как гидродинамический реактор под большие промышленные производительности, (минимальная производительность от 10 т/ч) поэтому для ефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности возможно его самое эффективное применение для:

·подготовки нефти для транспортировки по трубопроводам, что приводит к уменьшению вязкости нефти, деструкция парафинов приводит к уменьшению отложений на стенках труб;

·предкрекинговая обработка нефти с целью увеличения выхода легких фракций;

·на НПЗ и мини НПЗ производство много компонентных топлив, смесевых бензинов, биотоплив, зимнего дизеля

·нефтебазы – использование для улучшения качества топлив (смесевые бензины, зимний дизель)

Кавитационные технологии обработки нефти для увеличения светлых нефтепродуктов

Идея дробить длинные органические цепочки на более короткие для получения свободных радикалов, образующих новые соединения, с тем чтобы получить больше светлых нефтепродуктов (СНП), не нова. Такие работы были начаты еще в СССР в 60-х годах, в частности на Полтавщине этим занимался целый институт, была разработана и запущена в серийное производство большая линейка гидродинамических смесителей, аппаратов вихревого слоя и т.д., которые широко зарекомендовали себя в области химии и нефтехимии уже тогда, а в особенности в сфере обеззараживания сточных вод, тяжелых вод загрязненных фенолами и т.д.. Но особенно актуальными они стали сейчас, в момент стремительного подорожания нефти как сырья и роста стоимости ее переработки, ухудшения качества нефти, ухудшения качества получаемых продуктов..

Нефть - высокомолекулярная, гетерогенная жидкость, молекулы которой при атмосферном давлении и нормальной температуре сложно ориентированы. При приложении к нефти внешнего давления в несколько сот атмосфер молекулы поляризуются, противодействуя внешним силам и сохраняя равновесие системы. Если внешнее давление резко снять, то внутренние силы начнут разрывать макромолекулы на более мелкие составляющие, причем, плотность продукта уменьшается. Этот принцип положен в основу обработки нефти с целью изменения ее структуры.
На сегодняшний день наиболее качественна обработка нефти кавитационным оборудованием. В результате физико-химических реакций после кавитационной обработки нефти возрастает удельный вес СНП.

Кавитация - это образование разрывов сплошности жидкости в результате местного спада давления. Если снижение давления происходит вследствие больших локальных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то кавитация считается гидродинамической, а если вследствие прохождения в жидкости акустических волн, - акустической.

Эффект кавитации сопровождается микровзрывами, ультразвуком, а также механическими срезами и соударениями при воздействии сотен режущих пар, двигающихся навстречу друг другу с высокой линейной скоростью. Величина этой скорости составляет несколько десятков метров в секунду, что дает возможность разрезать диспергируемые вещества на мельчайшие микрочастицы. Фактически это микроимпульсы. За одну минуту - сотни тысяч микроимпульсов.

В основе многих процессов переработки нефти и нефтяных остатков лежат фазовые переходы, характерные для нефтяных дисперсных систем. Воздействовать на кинетику фазовых переходов можно химическими веществами и физическими полями. В результате такого вмешательства изменяется радиус ядра и толщина адсорбционно-сольватной оболочки сложной структурной единицы, которая является элементом нефтяной дисперсной системы. Это позволяет увеличить выход целевых нефтепродуктов, улучшить их качество, снизить энергозатраты.

Экспериментальные исследования воздействия колебаний при прохождении через ультразвуковой кавитатор нефти показали следующие результаты:

- кавитационная обработка позволяет увеличить выход фракций при одинаковой температуре отгона.

Отсюда можно сделать вывод, что гидродинамика и создаваемые нею ультразвуковые колебания ускоряют диффузию нефти в полости парафина, интенсифицируют процесс его разрушения. Ускорение растворения парафина идёт за счёт интенсификации перемешивания нефти на границе нефть-парафин и действия импульсов давления, которые как бы разбрызгивают частицы парафина.

Технологии кавитационной обработки нефти и нефтепродуктов Технологии кавитационной обработки нефти и нефтепродуктов

В основе многих процессов переработки нефти и нефтяных остатков лежат фазовые переходы, характерные для нефтяных дисперсных систем.

Воздействовать на кинетику фазовых переходов можно химическими веществами (поверхностно-активными веществами - ПАВ, присадками и т.д.) и физическими полями (тепловыми, кавитационными, электромагнитными и т.д.). В результате такого вмешательства изменяется радиус ядра и толщина адсорбционно-сольватной оболочки сложной структурной единицы, которая является элементом нефтяной дисперсной системы.

В гидродинамическом ультразвуковом кавитационном поле уменьшается выход карбидов, а при увеличении выхода бензина уменьшается количество непредельных углеводородов в бензиновых фракциях.
Кавитационная обработка ускоряет диффузию нефти в полости парафина, интенсифицирует процесс его разрушения. Ускорение растворения парафина идет за счет интенсификации перемешивания нефти на границе нефть-парафин и действия импульсов давления, которые как бы разбрызгивают частицы парафина.

Нефть не обладает вязкостью, подчиняющейся законам Ньютона, Пуазейля, Стокса, так как длинные беспорядочно расположенные молекулы парафина и смол образуют некоторую гибкую решетку, в которой располагается раствор. Поэтому система оказывает значительное сопротивление силам сдвига. Кавитация разрывает непрерывную цепочку, разрушая связи между отдельными частями молекул. Связи эти сравнительно малы, поэтому необходимо незначительное воздействие акустических волн.

Таким образом, кавитация влияет на изменение структурной вязкости, т.е. на разрыв Ван-дер-ваальсовых связей. Необратимое уменьшение вязкости нефти имеет место после облучения нефти ультразвуком интенсивностью 10 Вт/см2 и больше на протяжении нескольких часов.
Анализ исследований [2] показывает, что под воздействием кавитации большой интенсивности на протяжении длительного времени нарушаются С-С связи в молекулах парафина, вследствие чего происходят изменения физико-химического состава (уменьшение молекулярного веса, температуры кристаллизации и др.).

В процессе крекинга энергия, выделяющаяся при схлопывании кавитационных пузырьков, используется для разрыва химических связей между атомами больших молекул углеводородных соединений. Энергия разрыва связей изменяется в углеводородах в широких пределах, примерно от 40 до 400 кДж/моль. Прочность связи Свтор-Н меньше, чем С-Н, т.е. атом водорода легче оторвать в середине молекулы нормального парафина, чем с конца. Энергия разрыва С-С связей в молекулах нормальных парафинов также несколько уменьшается к середине углеродной цепи, т.е. длинные углеводородные молекулы автоматически разрываются в средней части [3].

Процесс крекинга протекает во всех нефтепродуктах. Поскольку кавитационные пузырьки можно генерировать с помощью интенсивного акустического излучения в любых жидкостях, то можно предположить, что разрыв химических связей, таким образом, можно осуществить в любом химическом соединении при интенсивности звука соответствующей прочности энергии связи.

В месте обрыва химической связи должен быть подсоединен какой-либо радикал. При недостатке свободных радикалов в реакционной среде молекулы с ненасыщенной связью могут свернуться в кольцо, образуя циклические или ароматические соединения.

Кроме процесса ароматизации в кавитационном активаторе можно осуществлять алкилирование, изомеризацию и другие процессы переработки нефти и нефтепродуктов. Данный способ позволяет осуществлять синтез легких нефтепродуктов из углеводородных газов. Это позволит вовлечь в процесс синтеза углеводородного топлива такие виды сырья, как газовый конденсат и природный газ [3].

Водотопливные эмульсии (ВТЭ).

В настоящее время актуальны задачи энергосбережения и экологической безопасности при работе энергетических топливных установок. Для решения этих задач интерес представляют топливные эмульсии мазут-вода.

При сжигании ВТЭ получают существенный экономический эффект, повышение КПД на 2-3% и снижение эмиссии загрязняющих веществ (СО, сажи, окислов азота, бензапирена и других канцерогенных полициклических ароматических углеводородов) в атмосферу.

Наибольший экономический эффект и одновременное снижение газовых выбросов обеспечивает добавление в топливо 15-20% воды, а наибольший экологический эффект в части утилизации загрязненных органическими продуктами вод реализуется при уровне водной фазы до 30%. Обеспечивается возможность сжигания некондиционных высоковязких и обводненных мазутов. В качестве водной фазы можно использовать загрязненные промышленные стоки предприятий. При повышении воды в эмульсии свыше 20% по объему, качественные показатели процесса горения снижаются. Однако если учесть , что процесс сгорания ВТЭ стабилен, открывается возможность уничтожения (огневого обезвреживания) жидких стоков производства. При этом стоки, даже если они не содержат горючих веществ, можно использовать в качестве водной фазы в мазутных эмульсиях и сжигать их, имея основной задачей именно их уничтожение, а не теплофизические параметры процесса.

Использование гомогенизированной водно-мазутной смеси позволяет повысить коэффициент сжигания топлива, сэкономить мазут и уменьшить вредные выбросы NO и СО в Атмосферу при их сжигании. Механизм этого эффекта объясняется следующим обстоятельством. Топливо поступая в горелку, распыляется форсункой. Дисперсность (размер капель) мазута составляет порядка 0,1-1 мм. Если в такой капле топлива находятся включения более мелких капель воды (с дисперсностью около от 1-7 мкм), то при нагревании происходит вскипании таких капель с образованием водяного пара. Водяной пар разрывает каплю топлива, увеличивая дисперсность подаваемого в горелку топлива. В результате увеличивается поверхность контакта топлива с воздухом, улучшается качество топливо-воздушной смеси. В высокотемпературной зоне топочной камеры капля эмульсии взрывается и происходит вторичное диспергирование топлива.

В результате таких микровзрывов в топке возникают очаги турбулентных пульсаций и увеличивает число элементарных капель топлива, благодаря чему факел увеличивается в объеме и более равномерно заполняет топочную камеру, что приводит к выравниванию температурного поля топки с уменьшением локальных максимальных температур и увеличением средней температуры в топке; повышению светимости факела благодаря увеличению поверхности излучения; существенному снижению недожога топлива; позволяет снизить количество вдуваемого воздуха и уменьшить связанные с ним теплопотери. Одновременно в факеле происходят каталитические реакции, ведущих к уменьшению вредных газовых выбросов. Время пребывания капель в реакционном объеме топки возрастает за счет удлинения их траектории в процессе турбулентного перемешивания, увеличивается удельная реакционная поверхность капель топлива.

Скорость сгорания топлива в виде мелких капель увеличивается и сопровождается выделением меньшего количества твердых продуктов, чем у крупных капель мазута, разрушаются смолисто-асфальтенновые структуры. Молекулы воды ускоряют ход реакций в окислительных процессах и в следствии возникновении полярного эффекта , существенного улучшающего ориентацию частиц активных радикалов топлива.

Еще одним важным фактором , характеризующим эффективность использование ВТЭ, является повышение эффективности и долговечности оборудования. Перерасход топлива из-за загрязнения поверхности нагрева в котлах сажистыми и коксовыми частицами может превысить 10-25%. При сжигании эмульсии часть капель долетает до поверхности нагрева и взрывается на них, что способствует не только предотвращению отложений, но и очистке от старых сажистых образований.
Кроме того, одним из факторов , определяющих эффективность использования ВТЭ в котельно-топочных процессах, является возможность на их основе решать ряд экологических проблем. Сжигание ВТЭ сокращает выход в газовых выбросах NOх (примерно на 90%),примерно в3-4 раза снижает сажистых отложений, уменьшает выход СО в среднем на 70%, бенз(а)пирена в 2-3 раза ит.д. Кавитационная обработка обработка водо-топливных эмульсий с добавлением кальция, и ее последующее сжигание позволяет уменьшить в дымовых газах концетрацию NOx в 2-5раз, концетрация сернистого ангидрида в 2-3 раза. В результате обработки мазута в эмульсионной установке , длинные молекулярные цепи преобразовываются в легкие углеводородные радикалы дистилятных топливных фракций.

Обработка ДТ

Гидродинамическая кавитационная обработка жидких топлив была, есть и будет наиболее эффективным способом безреагентной модификации топлива и основная борьба идет за способы создания таких устройств и процесов

Гидродинамическая кавитационная обработка жидких углеводородов (как процесс сопровождающийся концентрацией энергии, повышением температуры в локальном объеме до 1500-1800оС, а давления до 200 кг/см2.) эффективнее чем параметры крекинг-процесса.

Такая энергия изменяет физические свойства топлива (снижает зольность, коксуемость, размер механических примесей, плотность, температуру застывания и коэффициент фильтрации), его химические свойства (происходит деполимеризация, увеличивается содержание легких фракций, цетанового числа). Длинные молекулярные цепи преобразовываются в легкие углеводородные радикалы газовых, дистиллятных топливных фракций. Все исследования , проведенные после процесса кавитационной гомогенизации, подтвердили глубокие структурные изменения в молекулярном составе углеводородов, повышение степени дисперсности асфальтенов, карбенов, карбоидов до размерного ряда частиц 2-3 мкм. Даже простая деполимеризация любого жидкого топлива уже приравнивается к его активированию, что существенно улучшает полноту сгорания топлива, снижает вредные выбросы, увеличивает экономичность ДВС и длину его межремонтного пробега. Простая деполимеризация топлива эквивалентна превращению бревна в равную массу коротких и тонких деревянных лучинок.

Кроме этого, кавитация сопровождается и частичным разрушением самих молекул, с образованием свободных радикалов, которые еще больше инициируют процессы сгорания. Таким образом облегченный фракционный состав (при том же типе воздушного потока) не только облегчает зимний пуск ДВС (двигатель внутреннего сгорания, но делает сгорание топлива равномерным и экономичным. Мало того, так как производство А95 из А76, в основном не меняет его фракционный состав а только изменяет октановое число, то кавитационная обработка топлива, «дотягивает» фракционный состав «смесевого бензина» до стандартного.

Обработка ДТ имеет некоторые дополнительные особенности

· зольность снижается в 1,5-2 раза;

· содержание механических примесей снижается на 90%;

· улучшается коэффициент фильтруемости на 20%;

· снижается предельная температура фильтруемости на холодном фильтре и температура застывания ДТ

· увеличивается цетановое число

· увеличивается межремонтный период эксплуатации двигателя и топливной системы ;

· снизить температуру замерзания летнего ДТ ;

· снижается расход топлива

Оценка экономической эффективности использования эмульгированного топлива

В вопросе определения величины экономии топлива при сжигании водомазутной эмульсии (ВМЭ) нет единого мнения ни у практиков, ни у исследователей. Это, по всей видимости, связано с рядом трудно сопоставимых и сложно контролируемых параметров, относящихся к конкретным котлоагрегатам и собственно эмульсиям. Параметры эти можно разбить на две группы.

К первой группе параметров относится качество топлива, качество сжигания, конструктивные особенности и состояние конкретного котлоагрегата, возможность и точность измерения текущего расхода мазута, истинный уровень водности подаваемого на сжигание мазута, состав и температура дымовых газов, газоплотность топки, значение коэффициента избытка воздуха, точность управления дутьем, нагрузка котлоагрегата и т.п. При этом известно, что поступающие к потребителю мазуты обводняются при использовании острого пара в операциях разгрузки (зачистки) цистерн, а также в хранилищах из-за течей из паровых подогревателей и фильтрации грунтовых вод в случае подземных хранилищ. В таких мазутах вода содержится в виде линз и крупных капель. Распределение воды в хранилище, по сечениям и по высоте, известно весьма приблизительно.

Вторая группа параметров описывает качество подаваемой на сжигание эмульсии, т.е. уровень водности эмульсии и степень дисперсности водной фазы. При этом на промышленных агрегатах, сжигающих ВМЭ, отсутствует поточный контроль уровня водности и информация о степени дисперсности дисперсной фазы подаваемой на сжигание эмульсии, хотя известны оптимальные значения этих параметров с точки зрения экологических требований и экономики процесса сжигания. Установлено, что оптимальный уровень водности в среднем близок к 20% при диаметре микрокапель воды порядка 10 мкм. При превышении этих значений по тому или иному параметру происходит излишнее обводнение единицы объема топки, что балластирует зону горения. Известно также, что при снижении диаметров микрокапель воды в эмульсии до субмикронного размера эффект микровзрыва сменяется более плавным выгоранием по схеме безводного топлива.

Определяемая расчетным путем в соответствии с формулой Менделеева теплотворная способность водотопливной эмульсии по сравнению с безводным топливом уменьшается пропорционально увеличению доли воды. При таком подходе не могут быть учтены особенности процесса сжигания эмульсии, отличающие ее горение от горения условно безводного топлива. Ориентироваться в этом смысле следует на величину КПД теплоагрегата.

Применение эмульгирования мазута позволяет повысить эффективность сжигания топлива и добиться прироста КПД котлоагрегата за счет следующих эффектов:

1. Наличие в сжигаемом мазуте воды при обычном гнездовом неравномерном ее распределении в виде крупных капель, линз и др. обязательно влечет за собой падение КПД котлоагрегата из-за неравномерности горения, помимо дополнительного расхода топлива на испарение воды. Даже при сжигании мазута с кондиционным содержанием воды (до 5%) среднеэксплуатационный коэффициент избытка воздуха оказывается выше оптимального на 5,5 % и среднеэксплуатационный КПД котлоагрегата падает на 0,5–1,1% %. Таким образом, эффективное использование обводненных мазутов возможно лишь при условии равномерного распределения воды в мелкодисперсном виде по всему объему.

2. Как правило, сжигание мазутов ведется при заметных избытках  = 1,2 и более), что ведет к росту потерь тепла с уходящимиaвоздуха ( газами. Обычно причиной повышенных избытков воздуха является недостаточное качество распыла топлива и смешения топлива с дутьевым воздухом. Применение водомазутных эмульсий позволяет повысить качество сжигания за счет внутритопочного дробления и вести сжигание на  близких кaпониженном дутье без увеличения недожога, вплоть до значений  единице.

3. Поддержание близких к номинальному значений КПД теплоагрегата при работе на режимах, меньших номинального, что достигается за счет эффекта вторичного дробления капель эмульсии в топке.

4.  Перевод котлоагрегата на режимы сжигания с малыми избытками воздуха позволяет понизить температуру точки росы уходящих газов ориентировочно до 100оС. Это, в свою очередь, существенно уменьшает степень сернокислотной коррозии оборудования и позволяет увеличить КПД теплоагрегата за счет рекуперации тепла уходящих газов на водо- и воздухоподогревателях.

5. Уменьшение штрафных санкций за счет снижения объемов вредных выбросов в окружающую среду. Применение водомазутных эмульсий позволяет уменьшить содержание вредных веществ в дымовых газах, при этом СО, NOx, SOх более чем на 50%.

6. Использование в качестве топлива горючих отходов различных производств (например, коксохимических, нефтеперерабатывающих и т.д.), стоимость которых существенно ниже стоимости мазута. В эмульгированном виде эти отходы можно сжигать без ущерба для экологии.

7. Использование более дешевых высокосернистых мазутов, поскольку технология эмульгирования позволяет одновременно вводить в мазут водорастворимые обессеривающие присадки, например MgCl2 (бишофит).

8. Утилизация в составе водомазутной эмульсии обмазученных вод, отработанных масел и др.

9. Переход от паромеханических форсунок к механическим, что снижает расход пара на собственные нужды.

10. Гомогенизация подаваемого на сжигание мазута, обеспечивающая разрушение отдельных кластеров длинноцепных молекул, и эмульгирование не удаляемой доли воды в свою очередь повышает полноту и качество сжигания.

11. Увеличение количества отдаваемого теплоносителю тепла за счет меньшего загрязнения поверхностей нагрева, что позволяет поднять средний за время кампании КПД теплоагрегата.

Еще одним важным фактором, характеризующим эффективность использования водотопливных эмульсий в котельнотопочных процессах, является повышение эффективности и долговечности топочного оборудования. По некоторым зарубежным данным перерасход топлива из-за загрязнения поверхностей нагрева в котлах сажистыми и коксовыми частицами может превысить 30%-35%. При сжигании эмульсии часть капель последней долетает до поверхностей нагрева и взрывается на них, что способствует не только предотвращению отложений, но и очистке этих поверхностей от старых сажистых образований. Одной из серьезных проблем, возникающих при сжигании топочных мазутов, является большое содержание в них серы. Соединения серы уносятся с поточными газами, загрязняя атмосферу, а при использовании высокосернистых мазутов в металлургии частично переходят в расплав.

Суммарно перечисленный комплекс эффектов позволяет экономить до 20% условного топлива. Но для того, чтобы эти эффекты уловить и зафиксировать, необходимо достаточно точно контролировать и управлять рядом параметров, к которым относится:

·   текущий расход мазута,

·   водность подаваемого на сжигание мазута,

·   степень дисперсности водной фазы,

·   состав и температура дымовых газов,

·   расход и температура дутьевого воздуха,

·   коэффициент избытка воздуха на форсунке,

·   расход пара подаваемого на распыл

Вместе с тем, те или иные пункты таблицы могут быть не выполнены или выполнены не в полном объеме, что приведет к уменьшению суммы экономического эффекта.

В таблицу не включены оценки экономического эффекта, связанного со снижением токсичных выбросов (например, содержания NOx и SO3 в уходящих газах), которые могут быть сделаны на основании утвержденных нормативов для конкретного котлоагрегата и региона.

·   При сжигании ВМЭ интенсивность подвода окислителя в реакционную зону возрастает. В результате увеличивается скорость выгорания и объем факела. Температурное поле топки выравнивается с уменьшением max локальных температур и одновременным увеличением средней температуры в топке, играющей решающую роль в лучистом теплообмене.

Установлено, что излучательную способность факела определяют температура (ее средняя величина при ВМЭ больше), количество сажистых частиц и дисперсн. состав - т.е. удельная плотность излучающей поверхности (сажевого облака), при применении ВМЭ она резко растет.
Чем крупнее частица, тем дольше она горит, тем меньше площадь излучения и излучаемый тепловой поток.
При сжигании ВМЭ средний размер частиц сажи снижается в 1,5-2,5 раза. Во столько же раз растет излучающая поверхность.

ЛИТЕРАТУРА

1.Иванов В.М. Топливные эмульсии, М., 1962.

2. Корягин В.А. Сжигание водотопливных эмульсий и снижение вредных выбро-сов. С-П, 1995.

3. Промэнергетика, N1, 1987.

4. Спейшер В.А., Горбаненко А.Д. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках. М.,1991.

5. Воликов А.Н. Сжигание жидкого и газообразного топлива в котлах малой мощности. Л., 1989.

6. Егоричев А.П., Удилов В.М. Рациональное использование мазута в черной металлургии. М., 1987.

7. Лисиенко В.Г. и др. Усовершенствование методов сжигания природного газа в сталеплавильных печах. М.,1977.