Разложение тяжелых углеводородов на легкие фракции с использованием электродуговой плазмы

Залялетдинов, Фарид Дамирович

Разложение тяжелых углеводородов на легкие фракции с использованием электродуговой плазмы тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Залялетдинов, Фарид Дамирович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Разложение тяжелых углеводородов на легкие фракции с использованием электродуговой плазмы»

Автореферат диссертации на тему "Разложение тяжелых углеводородов на легкие фракции с использованием электродуговой плазмы"

На правах рукописи

ЗАЛЯЛЕТДИНОВ ФАРИД ДАМИРОВИЧ

РАЗЛОЖЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ НА ЛЕГКИЕ ФРАКЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМЫ

Специальность: 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О з МАР 2011

Казань 2011

4856448

Работа выполнена на кафедре общей физики Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева.

доктор физико-математических наук, профессор Б. А.Тимеркаев.

доктор технических наук, профессор К. Б. Панфилович;

доктор физико-математических наук, профессор Р. К.Сафиуллин.

Ведущая организация НПО «Вакууммаш» г. Казань

Защита состоится «§0 2011 г. в часов на заседании диссертаци-

онного совета Д 212.079.02'при Казанском государственном техническом уни-верситете.им. А.Н. Туполева по адресу: 420011, г. Казань, ул. К.Маркса, 10

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КГТУ им. А.Н.Туполева

Электронный вариант автореферата размещен на сайте Казанского государственного технического университета (www.kai.ru)

Научный руководитель Официальные оппоненты

Автореферат разослан » 2011 г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

доцент ~ А.Г. Каримова

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 деструкци-онного процесса пиролиза в плазменной струе инертного газа, водородсодер-жащего 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 XVI Туполевские чтения» (г. Казань 2008 г.), на VII Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург 2009г.),

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

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 — Ь - С 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; Д] , Дг - 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

Высоковольтный

импульс | I_

! * ~! ТЯ ЩМЭВ |

ЦА

Рис.2. Схема запуска электродугового нагревателя (Кн - кнопка включения блока поджига; С1-конденсатор (и=15кВ, С = 0,1МкФ), 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.

1 л . Блок питания 1

220 В

•. : ■■ ¿-. •

Электродуговой плазмотрон.

К настоящему времени созданы электродуговые плазмотроны мощностью от десятков киловатт до нескольких мегаватт, (плазмотроны марки ЭДП - 137 мощностью до 2000 кВт, ЭДП - 129 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 тарированного 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 водоохлаждае-мые: 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: с.мешения, 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 Рис. 9. Схема закалочного

и полачи сьгоья устройства

Подача сырья

Отвод воды

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.

125 150 175 200 225 250 275 300

Ток, А

Рис.10. Вольтамперные характеристики аргоновой дуги при различных расходах

то-то 160 150 140 130

—•— в = 1 г/с -•—6 = 1,2 г/с —л—в = 1,6 г/с

50 75 100 125

Ток, А

Рис.11. Вольтамперные характеристики азотной дуги при различных расходах

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.

ш 0)"

с: о.

—■—ток 125 А

—•—ток 150 А

-а- ток 200 А 160-

—▼— ток 300 А

га I

— ■ — ток 75 А

— ТОК 100 А

ток 125 А

0,8 1.0 1.2 1.4 1,'

Расход газа, г/с

Рис. 12. Зависимости напряжений дуги от общего расхода аргона

1.0 1,1 1.2 1.3 1.4 1.5 1,6

Расход газа, г/с 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.

___________—'—

15000 —«-юс 125 А 18000-

13500 —♦— ток 150 А ток 200 А ь- са 16500-

12000 —т— ток 300 А 15000-

10500 Д------ Л ______________* ЕЗ § 13500-

9000 ___ 5 12000-

7500- .—

■--— ■ 10500

-■—ток75А | —трк 100 А | -А- ток 125 А I

0,8 1,0 1.2 1.4 1.1

Расход газа, г/с

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

Расход газа, г/с

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.

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

450-

н 1200-

ш 400- X Ш

га ге" 1000-

с. с 350- ty с

О) Ф

S 300- ^

с. а. 600-

т 0!

5 250- у 5

с С 400-

200- , 1 ■ 1 ' ' 1

Ток, А

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

40 60 80 100 120 140 160 .

Ток, А

Рис. 16. Зависимость потери тепла через катод 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 A, 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.

6000-

>. 500Э

Im о.

о с 2 03

4000

о.о о.1 ог о.з

Радиус плазменного потока, см 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:

= ^ (1)

где

и = = = (2)

3 1тр 2 Л к '

г - радиус частицы; р, р: - соответственно плотность набегающего газа и частицы; Сх - коэффициент сопротивления частицы; V, V, - соответственно скорости набегающего газа и частицы.

В стоксовском режиме обтекания коэффициент сопротивления частицы определяется соотношением:

С, = 24 /11е, (3)

где Яе - число Рейнольдса.

Для потока газа, движущегося относительно частицы, число Рейнольдса: Ке=р(^> {4)

Здесь ¡1-коэффициент динамической вязкости.

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

9 М Г \

-Г^-Г-О'-О (5)

ш 2 г р1

При движении газа относительно частиц, число Маха определяется выражением:

М = (к -0/5", (6)

__С

где 5 = К Т - скорость звука в газе; у = —- - показатель адиабаты; Ср> С, - теплоемкости газа при постоянном давлении и объеме. Л - газовая постоянная.

Решим уравнение (5) с начальным условием при / = О V, = 0:

У.=У'

1-е 1гр-

.2.

2г р

Введем время г = —-—, что является аналогом времени релаксации.

Для капель радиусом г =1-10"4 м, плотности мазута 800 кг/м3 т равняется:

2-10~!л<г 800 кг ,ох

Г =-5-5--(8)

9/2М

Коэффициент динамической вязкости для аргона был найден из номограммы для определения вязкости газов при температуры плазмы 4000 К. При этом значение ц оказалось равным 107,8-10"* Пас.

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 г, 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:

С,т~Г~ = 4хга(Т-Т1) (9)

Здесь С, - теплоемкость вещества частицы; Т, - соответственно температуры газа и частицы; а = Ыи Я / 2г- коэффициент теплоотдачи от газа к частице; Я - коэффициент теплопроводности газа.

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

№ = N^1 + 3,42^} . (Ю)

Мис = 2 + 0,459 Ле0,55 Рг0,33 - число Нуссельта в условиях течения сплошной среды.

Учитывая, что Рг = Ср р ¡X, из (9) получаем уравнение нагрева частицы в потоке плазмы.

&Т, _-3 р№Ср,

Л 2 Рг Г ре

Это уравнение интегрируется аналогично уравнению (5):

(Т-Тг) . (11)

_£Г_=3 МШСр Т-Т, 2 Рг'

С учетом того, что при t:

v s> 2 Ргг ps 0 Tg= Т, находим:

ЪуНиСр \

т=т

1-е

2 Ргrlps

+ Т0е

3 ц Su Ср 2 Рг г~ ps

(14)

Здесь То - начальная температура частицы.

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

г 310-г цЫиСр,\ ЗЮ': цЬиСр.

1-е

т=Т

Рг г ps

+ Т0е

Рг г2 ps

(15)

Данное выражение позволяет определить при заданных значениях температуры плазмы место оптимального расположения закалочной камеры.

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 150° С, 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 - 150А, U - 124В, Grii. - 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

-«¡¡я.;

I I; И "I !

-К iDÎ

Компонент Концентрация

Ацетилен 28720 мг/мЗ

Метан 1515 мг/мЗ

Пропан 263 мг/мЗ

СЗ 248 мг/мЗ

С4 3326 мг/мЗ

С5 1401 мг/мЗ

С6 161 мг/мЗ

С7 1360 мг/мЗ

С8 23 мг/мЗ

С9 80 мг/мЗ

Этан 17.3 мг/мЗ

Этилен 2402 мг/мЗ

изо-Бутан 62 мг/мЗ

н-Бутан 188 мг/мЗ

н-Пентан 96 мг/м.З

Рис. 20 Хроматографический анализ. Сырье - мазут, плазма - азотная. I - 150А, и - 124В,

йгиа- 1 г/с

Разложение нефти на легкие фракции в потоке аргоновой плазмы. Сырье - нефть в емкости нагревалось до 80° 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 - 125А, U - 54В, Graja - 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.

Компонент Концентрация

Метан 105 мг/мЗ

Этан 426 мг/мЗ

Этилен 3409 мг/мЗ

Ацетилен 3775 мг/мЗ

Пропан 1254 мг/мЗ

СЗ 293 мг/мЗ

С4 1242 мг/мЗ

С5 1457 мг/мЗ

С6 1070 мг/мЗ

01 1159 мг/мЗ

С8 1413 мг/мЗ

С9 882 мг/мЗ

СЮ 311 мг/мЗ

С11 и выше 76 мг/мЗ

Рис. 21 Хроматографический анализ. Сырье - нефть, плазма - аргоновая. I •

0^,-0,8 г/с

■ 125A..U-56B,

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

Компонент Концентрация

Метан 854 мг/мЗ

Этан 176 мг/мЗ

Этилен 2884 мг/мЗ .

Ацетилен 8521 мг/мЗ

Пропан 746 мг/мЗ

СЗ 427 мг/мЗ

изо-Бутан 212 мг/мЗ

н-Бутан 238 мг/мЗ

С4 217 иг/иЗ

изо-Пентан 73,1 мг/мЗ

н-Пентан 43,9 мг/мЗ

С5 761 мг/мЗ

С6 261 мг/мЗ

С7 303 мг/мЗ

С8 330 мг/мЗ

С9 44,3 мг/мЗ

Рис. 22 Хроматографический анализ. Сырье - нефть, плазма - аргоновая. I - 175А, U - 52 В,

Gnm - 0,8 г/с

Разложение мазута на легкие фракции с помощью аргоновой электродуговой плазмы.

Порядок экспериментов заключался в следующем: мазут нагревался до 150° 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 - 125 A, U — 54 В, Gma — 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.

:пид|>| roiftl врми.мм

Компонент Концентрация

Метан 8,5 мг/мЗ

Этан 13,7 мг/мЗ

Этилен 61,5 мг/мЗ

Ацетилен 92,4 мг/мЗ

Пропан 27,9 мг/мЗ

СЗ 13,9 мг/мЗ

изо-Бутан 9,3 мг/мЗ

н-Бутан 11,9 мг/мЗ

С4 7,9 мг/мЗ

изо-Пентан 1,6 мг/мЗ

н-Пентан 4,1 мг/мЗ

С5 22,9 мг/мЗ

Гексан 2 мг/мЗ

Рис.23 Хроматографический анализ. Сырье - мазут, плазма - аргоновая. I -

Gma-0,8 г/с

125 A, U - 56В,

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

s |

■ «

'I * й

Й 1Й

л"

Ч-+ и

1 5

Компонент Концентрация

Метан 481.55 мг/мЗ

Этан 10.53 мг/мЗ

Этилен 843.79 МГ/МЗ

Ацетилен 9763.65 мг/мЗ

Пропан 139.54 мг/мЗ

СЗ 153.16 мг/мЗ

изо-Бутан 24.84 мг/мЗ

н-Бутан 72.99 мг/мЗ

С4 151.2 мг/мЗ

изо-Пентан 1.28 мг/мЗ

н-Пентан 32.87 мг/мЗ

С5 832.79 мг/мЗ

С6 18.97 мг/мЗ

С7 338.78 мг/мЗ

С8 18.65 мг/мЗ

Рис. 24 Хроматографический анализ. Сырье - мазут, плазма - аргоновая. I - 300А, U - 50 В,

Gm,-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.

Научные статьи, опубликованные в рецензируемых научных в журналах, рекомендованных ВАК:

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 на-ноструктурированных 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.

Работы, опубликованные в других изданиях:

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, K.P. Муртазин // Международная молодежная научная конференция. «XVI 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, K.P. Муртазин // Международная молодежная научная конференция. «XVI Туполевские чтения». - Казань. - 2008. - Том 2. - С. 19 - 20.

8. Залялетдинов Ф.Д. Плазмохимический синтез углеродных нанострукту-рированных 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. -Том2.- 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.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Печ.л.1,25. Усл.печ.л. 1,16. Уч. изд. л. 1,0. _Тираж 100. Заказ 015._

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111, Казань, К. Маркса, 10

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Залялетдинов, Фарид Дамирович

Перечень сокращений условных обозначений символов, единиц и 4 терминов

Введение

Глава 1. Современное состояние исследований разложения 14 углеводородов (Литературный обзор)

1.1. Плазменные технологии разложения углеводородов

1.2. Некоторые лабораторные и опытно - промышленные установки

1.2.1. Плазмохимическая установка по переработке жидких нефтяных 41 отходов и нефтешламов

1.2.2. Переработка углеводородов в электрической дуге с целью 44 получения летучих фракций

Глава 2. Экспериментальный стенд по разложению тяжелых 53 углеводородов на легкие фракции

2.1. Система электрического питания

2.2. Система зажигания дуги

2.3. Система газоснабжения

2.4. Система охлаждения

2.5. Устройство для подачи сырья

2.6. Электродуговой ¡плазмотрон

2.7. Плазмохимический реактор

2.8. Камера закалки

Глава 3. Электрические и энергетические характеристики 77 плазмотрона

3.1. Вольтамперные характеристики плазмотрона

3.2. Тепловые характеристики плазмотрона

3.3. Радиальное распределение температуры струи плазмотрона

Глава 4. Плазмохимический метод переработки углеводородов с 89 помощью электродуговой плазмы

4.1. Теоретический анализ взаимодействия капель мазута с потоком 89 электродуговой плазмы

4.2. Разложение мазута на легкие фракции с помощью азотной 92 электродуговой плазмы

4.2.1. Методика проведения экспериментов

4.2.2. Результаты экспериментальных исследований

4.3. Разложение нефти на легкие фракции в потоке аргоновой 96 электродуговой плазмы

4.3.1. Методика проведения экспериментов

4.3.2. Результаты экспериментальных исследований

4.4. Разложение мазута на легкие фракции с помощью аргоновой 99 электродуговой плазмы

4.4.1. Методика проведения экспериментов

4.4.2. Результаты экспериментальных исследований

4.5. Выводы по 4 главе 105 Заключение 106 Литература

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

Т — температура столба сжатой дуги;

Я - радиус столба дуги;

- сила тока;

С — емкость; и - напряжение;

КПД - коэффициент полезного действия;

ВП — выпрямительный блок;

МЭВ - межэлектродная вставка;

АТ — прирост температуры; г| - КПД плазмотрона; й — расход газа; с — теплоемкость азота;

N — полезная мощность; а — электропроводность плазмы;

X - теплопроводность плазмы; а — теплоотдача газа; р — плотность газа;

Б - излучательная способность плазмы;

Ср — теплоемкость газа;

I - длина столба дуги;

Е — напряженность электрического поля;

СВЧ —сверхвысокочастотный;

ВВР - высоковольтный разряд;

V --вольтметр;

А - амперметр; в - расход плазмообразующего газа;

Аг - - аргон;

N2 - азот;

ТУ - технический углерод;

Н2 - водород;

С02 — углекислый газ;

СН4 - метан;

С2Н2 - ацетилен;

С2Н4 - этилен;

С2Нб - этан;

С3Н8 - пропан;

С6Н6 — бензол

УДК 537.

Введение диссертация по механике, на тему "Разложение тяжелых углеводородов на легкие фракции с использованием электродуговой плазмы"

Высоковязкие нефтяные остатки (мазут, гудрон), которые образуются после выделения из нефти летучих и низкокипящих фракций, могут составлять от 50 до 80 % от общей массы в зависимости от качества нефти. В нефтяных остатках концентрируются сернистые соединения и порфирины. Повышенное содержание серы, металлов ограничивает применение их как топлива.

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.

Интенсивность 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.

Поэтому изучение взаимодействия электродуговой плазмы с углеводородами с целью их разложения на легкие фракции чрезвычайно актуально.

Цель диссертационной работы. Целью настоящей диссертационной работы является создание эффективного плазмохимического реактора для разложения тяжелых углеводородов на легкие фракции и углубление переработки высоковязких нефтей и мазута.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Создать электродуговой плазмотрон мощностью до 20 кВт и определить его электрические, энергетические и газодинамические 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. В диссертационной работе 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.

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

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, тяжелых нефтяных остатков 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, 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 1 ООО — летию г. Казани» (г. Казань 2005 г.), на «Международной молодежной научной конференции XVI 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 2004-2010 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 117 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 50 рисунков и 25 таблиц. Список литературы включает 91 наименований.

Заключение диссертации по теме "Механика жидкости, газа и плазмы"

4.5 Выводы по 4 главе.

Установлено, что в результате взаимодействия плазмы с мазутом образовываются легкие углеводороды, такие как: метан, этилен, этан, ацетилен, пропан, бутан, бутилен и другие.

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. Максимальные концентрации выхода ацетилена наблюдаются в области 1800 - 2100 К, при токах 200 - 300А в аргоновой плазме, максимальные концентрации.этилена в области 1600— 1800 К, при токах 125 — 175А в азотной плазме.

Показано, что оптимизируя эти параметры, можно добиться максимального выхода нужного состава углеводородов. Степень превращения сырья в газообразные продукты может достигать 90 и- более процентов.

На основе проведенных экспериментов по воздействию на нефть азотной плазмой установлена принципиальная возможность образования легких углеводородов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Создан экспериментальный стенд по изучению взаимодействия потока электродуговой плазмы с углеводородным сырьем, 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.

Проведены исследования электрических, энергетических характеристик созданного плазмотрона. Изучены вольтамперные характеристики плазмотрона. Построены зависимости напряжения дуги и мощности плазмотрона от расхода плазмо образующего газа. Изучены его тепловые характеристики. Экспериментальным путем определено радиальное распределение температуры на выходе из плазмотрона.

2. На основе проведенных экспериментов по воздействию на углеводородное сырье потоком азотной и аргоновой плазмой установлена возможность образования легких углеводородов.

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

3. Установлено, что в результате взаимодействия потока плазмы с мазутом образовываются легкие углеводороды, такие как: метан, этилен, ацетилен, пропан, бутан, и полная бензиновая группа. Показано, что степень образования легких фракций и их 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.

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Залялетдинов, Фарид Дамирович, Казань

1. Артамонов А.Г., Сурик А.Л., Шорин С.Н. Исследование процесса переработки органических отходов в плазменной струе двуокиси углерода. // Третий Всесоюзный симпозиум по плазмохимии. Москва. — 1979.-Наука.-С. 148- 152.

2. Артамонов А.Г., Сурик А.Л., Шорин С.Н. Исследование процесса конверсии органических отходов в плазменной струе водяного пара. // Третий Всесоюзный симпозиум по плазмохимии. Москва. — 1979. — Наука. С. 153 155.

3. Герасимов Ю.А., Идинов H.A., Полак Л.С., Попов В.Г. Эксперментальное исследование высокотемпературного окислительного пиролиза бензола. // Третий Всесоюзный симпозиум по плазмохимии. Москва. 1979. - Наука. - С. 177 - 179.

4. Ганз С.Н., Пархоменко В.Д., Краснокутский Ю.И. Получение ацетилена и цианистых соединений в плазме. // Киев. 1969.

5. Приймак А.Д., Валибеков Ю.В., Пархоменко В.Д., Полак Л.С. Высокотемпературное разложение газоконденсата в плазме азота. // Третий Всесоюзный симпозиум по плазмохимии. Москва. 1979. -Наука.-С.217-221

6. Тухватуллин A.M., Изигер Ю.В. Плазмохимический реактор -эффективное оборудование для деструктивных процессов в нефтехимии. // Тезисы докладов IX Всесоюзной конференции «Химреактор-9». -Гродно. 1986. - 4.2. - С. 51 - 55.

7. Жуков М.Ф., Засыпкин И.М., Тимошевский А.Н. и др. Электродуговые генераторы термической плазмы. // Новосибирск. 1999. - Наука. -Сибирское предприятие РАН. - С. 712.

8. Словецкий Д.И. Плазмохимическая переработка углеводородов: современное состояние и перспективы. // 3-й Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии. Сборник материалов. Иваново. - 2002. - Т.1. - С.55 - 58

9. Полак JI.C., Овсянников А.А.,Словецкий Д. И., Вурзёль Ф.Б. Теоретическая и прикладная химия. Москва. Наука. - 1975. - С. 304.

10. Новые материалы и технологии. Экстремальные технологические процессы // Под редекцией М.Ф. Жукова и В.Е. Панина. — Новосибирск. Наука. - 1992.

11. Антонов В.Н., Лапидус А.С. Производство ацетилена. — Москва. -Химия. 1970. - С. 393 - 403.

12. Muller R., Kaske G. // Erdohl und Kohle Erdohl Gas Petrochemie. 1984. -B.37. - P.149.

13. Жуков М.Ф., Калиненко P.А., Левицкий А.А., Полак Л.С. // Плазмохимическая переработка угля. Москва. Наука. - 1990. — С.200.

14. Русанов В.Д., Фридман A.A. //Физика химически активной плазмы Москва. Наука. - 1984. - С. 415.

15. Словецкий Д.И., Манкелевич Ю.А., Словецкий С.Д., Рахимова Т.В. // Химия высоких энергий. Москва. 2002. - Т. 36. - № 1. - С. 50.

16. Словецкий Д.И. // Труды 3-го Международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. Москва. Иваново. - 2002. -С. 55.

17. Словецкий Д.И., Грязнов В.М. // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Мембраны 1998». Москва. - 1998. - С. 210.

18. Словецкий Д.И. Плазмохимические процессы в нефтехимимии. И Нефтехимия. Москва. 2006. - Т. 46. - № 5. - С. 323 - 332.

19. Deminsky М, Jivotov V., Potapkin В., Rusanov V. // Proc. 15th Internat. Symp. on Plasma Chemistry. Orleans. France. - 2001. - V. - II. -P.697.

20. Гарифзянова Г.Г., Гарифзянов Г.Г. Пиролиз гудрона плазмохимическим методом // ХТТМ. 2006. - №3. - С. 15 - 17.

21. Жуков М.Ф., Засыпкин И.М. и др. // Электродуговые генераторы термической плазмы. — Новосибирск. Наука. — 1999. — С. 740.

22. Макоид В.К., Ганз С.Н., Пархоменко В.Д. Взаимодействие азота с жидкими углеводородами при высоких температурах. // Химия и химическая технология. 1972. -Т.15. -№ 4. - С. 506 - 508.

23. Тухватуллин A.M., Изигер Ю.В. Плазмохимический реактор -эффективное оборудование для деструктивных процессов в нефтехимии. // Тезисы докладов IX Всесоюзной конференции «Химреактор-9»- -Гродно.-1986.-4.2.-С. 51-55.

24. Яковлева E.A, Пластинина Б.Г., Полака JI.C. // Химия высоких энергии . 1982. Т. 16. №6. С. 454.

25. Яковлева Б. А, Пластинина Б.Г., Полака JI.C., Попов В-Т. Высокотемпературная углекислотная конверсия жидкого углеводородного сырья. Деп. В ВИНИТИ. - 1982.

26. Нурсултанов О.А., Полак JI.C., Попов В.Т., // Химия высоких энергий. 1974. Т.8. -№5. - С. 401.

27. Словецкий Д.И. // Труды 3 -го международного симпозиума п° теоретической и прикладной плазмохимии. Иваново. ИГХТУ. — 2002- — С.55.

28. Бабарицкий А.И., Демкин С.А., Животов В.К., Смирнов Р.В. // Труды международного симпозиума по водородной энергетике. Москва. ~~ МЭИ.-2005.-С. 73.

29. Бабарицкий А.И., Деминсский M.А., Демкин С.А. и др. // Химия высоких энергий. 1999. - Т. 33 - №. 1 - С.48.

30. Баранов И.Е., Животов В.К., Русанов В.Д., Федотов И.Г. // Химия высоких энергий. 2003. - Т.37. - №4. - С.300.

31. Zhdanok S.A, Kraukiis A.V., Bouynov A.V., et.all. // in "Modern Problems of Combustion and its Application". Contribute papers , IV Internal. School -Seminar. Belarus. - Minsk. - 2001. - P.66.

32. Zhdanok S.A, HarbatauS.V., Pliavaka V, Shushkov S.V., MikhaylauA.A. //In "Modem Problems of Combustion and its Application", Contribute papers, IV internal. School Seminar. - Belarus. - Minsk. - 2001. - P.72

33. Kado Sh., et all // Proc. 15th Internat. Symp. on Plasma Chemistry. Orleans. - France. - 2001. - V. - II. - P.709.

34. Баранов И JE., Бибиков М.Б., Демкин С.А. и др. // Химия высоких энергий. 2004. - Т. 38 - №.3 - С.456.

35. Бабарицкий А.И.,Баранов И.Е.,Демкин С.А., Животов В.К. // Химия высоких энергий. 1999. -Т. 33- №.6- С.458.

36. Русанов В.Д., Бабарицкий А.И., Герасимов E.H. и др.// ДАН. 2003. -Т. 389. -ЖЗ. - С. 324.

37. Макоид В.К., Ганз CH., Пархоменко В.Д. // Химия и химическая технология. 1972. - ТЛ 5. - №4. - С.506.

38. Моссэ А.Л., Менх В.А., Крылова И.А., Забродин В.К. // ИФЖ. 1971.1. Т.20.-№3.-С.462.

39. Моссэ А.Л. Унифицированный ряд электродуговых плазмотронов для плазменных нагревательных устройств // Минск. АН БССР Институт тепло и массообмена им. А. В. Лыкова. - 1988. - С.40.

40. Вогулкин В. Э., Горбунов А.В., Моссэ A.JI. Галиновский А.А. Термосинтез ацетилена в электродуговом плазменном реакторе из пропан-бутана с закалкой газа пиролиза затопленной струей. // ММФ 5. - Минск. - 2004.

41. R.M. Santilli. Foundations of Hadronic Chemistry With Applications to New Clean Energies and Fuels. // Kluwer Academic Publishers. Boston -Dordrecht - London. -2001.- P.431.

42. Петров С. В., Коржик В. Н., Маринский Г.С., Вербовский А. В Плазменно дуговая технология получения нового экологически чистого топлива // Сварщик. 2007. - №2. -С.7- 10.

43. Миллер С.А. Ацетилен, его свойства, получение и применение. // Л. — Химия. 1969. - С. 679.

44. Muller R., Ruokert С. Resent developments for the production of acetylene from coal by the Huls arc process // ISPS 6. - Vol.l. - Montreal. - 1983. -P. 270-274.

45. Schulze R.A. Production of acetylene. // Chem. and Ind. 1968. - №45. -P. 1539- 1540.

46. Пархоменко В.Д., Сорока П.И., Краснокутский Ю.И. и др. Плазмохимическая технология. // Низкотемпературная плазма. -Новосибирск. Наука. - 1991. - Т.4 - С.392.

47. Кинетика и термодинамика химических реакций в низкотемпературной плазме. / Под редакцией Л.С. Полака. И Москва. Наука. - 1965. — С.253.

48. Ильин Д.Т., Еремин Е.Н. // Химические реакции органических продутое в электрических разрядах. Москва. - Наука. - 1966. -С. 16-19.

49. Кобаев Ю.Н., Козлов Г.Н. // Химия высоких энергий. 1970. - Т.4, -№6.-С. 519-521.

50. Кобаев Ю.Н., Худяков Г.Н. // Третий Всесоюзный симпозиум по плазмохимии. Москва. - Наука. - 1979. - С. 155 - 156.

51. Жуков М.Ф., Калиненко P.A., Левицкий A.A., Полак Л.С. // Плазмохимическая переработка угля. Москва. - Наука. - 1990. -С. 200.

52. Тимеркаев Б.А., Залялетдинов Ф.Д., Мухамадияров Х.Г.,Муртазин K.P. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания. // Международная молодежная научная конференция. XVI Туполевские чтения. Казань. - 2008. - Т. 2. - С.17 - 18.

53. Даутов И.Г., Залялетдинов Ф.Д., Зарипов Ш.Ш. Распределение потенциала, концентраций электронов и ионов у поверхности твердого тела. // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2005. - № 1 (37) -С. 29-31.

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

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

56. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. // Москва. Наука. - 1992. -С. 337.

57. Электродуговые плазмотроны / Под редакцией члена корреспондента АН СССР М.Ф. Жукова // Новосибирск. - Наука. - 1980.

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

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

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

61. Тимеркаев Б.А., Залялетдинов Ф.Д., Мухамадияров Х.Г.,Муртазин K.P. Воздействие на мазут выскоэнергетичными ионами воздуха. // Международная молодежная научная конференция XVI Туполевские чтения. Казань. - 2008. - Т. 2. - С. 19 - 20.

62. Энгель А. Ионизованные газы. // Москва. Физматгиз. - 1959. - С. 332.

63. Грановский Л.Д. Электрический ток в газе. Установившийся ток. / Под редакцией JI.A. Сена, В.Е Голанта. // Москва. Наука. - 1971. - Главная редакция физико-математической литературы. — С. 526.

64. Капцов H.A. Электрические явления в газах и вакууме. // М. — Л. — ГИТТЛ.- 1950.-С. 836.

65. Коротеев A.C., Костылев A.M., Коба В.В. и др. Генераторы низкотемпературной плазмы // Москва. — Наука. 1969. - С.128.

66. Жуков М.Ф., Смоляков В.Я., Урюков Б.А. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны). // Новосибирск. Наука. - 1975. - С.298.

67. Даутов Г.Ю., Дзюба В.Л., Карп И.Н. Плазмотроны со стабилизированными электрическими дугами // Киев. Наук, думка. -1984.-С.168.

68. Донской A.B., Клубникин B.C. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. // Л. Машиностроение. - 1979. - С. 221.

69. Амбразявичус А.Б. Теплообмен при закалке газов. // Вильнюс. -Мокелас,- 1983.-С. 192.

70. Финкельнбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термодинамическая плазма. // Москва. издательство иностранной литературы - 1961. — С.369.

71. Даутов Г.Ю., Жуков М.Ф. Некоторые обобщения, исследований электрических дуг. // ПМТФ. 1965. - № 2. - С. 97 - 105.

72. Даутов Г.Ю., Дудников Ю.С., Жуков М.Ф. и др. Характеристики стабилизированной дуги с межэлектродной вставкой. // ПМТФ. — 1967. — № 1.-С. 172- 176.

73. Даутов Г.Ю., Жуков М.Ф. Критериальные обобщения характеристик плазмотронов вихревой схемы.// ПМТФ. 1965. — № 6. - С.111 — 114.

74. Ясько О.И. Критерии для обобщения характеристик различных типов электрических дуг. // ИФЖ. 1968. - № 1. - С. 165- 169.

75. Смоляков В.Я. О некоторых особенностях горения электрической дуги в плазмотронах постоянного тока. // ПМТФ. 1963. - № 6. - С.148 - 153.87.