Способ инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации углеводородов и устройство для его осуществления

Способ инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации углеводородов и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к химической, газовой, нефтяной, нефтехимической промышленности и другим отраслям, связанным с переработкой углеводородного сырья, в частности с получением конденсата, состоящего из легких углеводородных газов, с переработкой высоковязкой нефти, нефтепродуктов и нефтяных остатков.

Проблема переработки углеводородов с получением наибольшего выхода желаемых низкомолекулярных соединений весьма актуальна. Процессы деструкции высокомолекулярных углеводородов давно находятся под пристальным вниманием и предлагаемые меры стимулирования и инициирования этих процессов различны.

Известен способ деструктивной переработки нефтепродуктов при температурах 470-500°, давлении 20-30 атм, позволяющий получить выход до 20-40% легких фракций с температурой кипения ниже 350°С при однократной прогонке (Хайрудинов И.Р., Ишкильдин А.Ф., Максименко М.М. “Термический крекинг и новые резервы углубления переработки нефти”. Учебное пособие. Уфа. Издательство УГНТУ, 1995, 53 с.). Недостатками известного способа являются повышенная энергоемкость и низкое качество получаемых продуктов.

Известен способ переработки тяжелых углеводородов в атмосфере водорода при высоких давлениях и температурах в присутствии катализатора (Е.В.Смидович “Технология переработки нефти и газа” М.: Химия, ч.11, 1980, с.137), в котором удается получать высокие выходы легких фракций, в том числе до 60%, с улучшенными антидетонационными свойствами. Однако применение дорогостоящих катализаторов, необходимость их частой замены, необходимость создания высокотемпературных режимов и высоких давлений приводят к значительным финансовым затратам как на начальном этапе строительства установок, так и в ходе их эксплуатации.

Известен способ переработки конденсированных углеводородов путем насыщения их газообразными алканами и/или водородом до газонаполнения выше 0,1 и воздействием ускоренными электронами при мощности дозы выше 340 Гр/с при поддержании указанного уровня газонаполнения барботажем газа (RU 2099387, С1).

Однако данный известный способ представляет собой слишком длительный процесс и применение его в технологических процессах нефтеперерабатывающих заводов сложно.

Известно, что при радиационном воздействии как γ-излучения, так и электронного, могут протекать процессы деструкции и поликонденсации углеводородных молекул. В этом случае течение процессов зависит от температуры и поглощенной дозы излучения, соотношение термических и радиационно-термических процессов в превращении исходных фракций зависит от комбинации мощности дозы излучения и температуры. (Мустафаев И.И. Радиационно-термические превращения тяжелой нефти и органической части нефтебитуминозной породы. " Химия высоких энергий", т.24, №1, 1990, с.22-26).

Известен способ переработки нефти и нефтяных остатков, представляющий собой процесс радиационно-термического крекинга (далее - РТК) нефтяных фракций, имеющих температуру кипения более 450°С, при температурах в диапазоне от 400°С до 410°С при воздействии пучка ускоренных электронов с энергией 1-4 МэВ и атмосферном давлении при поглощенных дозах от 1 до около 20 кГр и мощности дозы от около 1 кГр/с до около 94 кГр/с, и устройство для его осуществления, содержащее металлический реактор цилиндрической формы, снабженный стандартным холодильником и источником излучения (KZ, 4676, В). В патенте в качестве примера был описан процесс РТК, в котором в качестве объекта обработки использовали мазут, полученный прямой перегонкой нефти, с содержанием воды около 2% и серы около 1,4%.

При этом РТК нефтяных фракций, имеющих температуру кипения более 450°С, показал, что при заданной мощности поглощенной дозы около 1 кГр/с выход целевого продукта быстро растет в интервале поглощенной дозы от около 1 кГр до около 10 кГр и мало изменяется при дальнейшем ее увеличении. При одинаковой поглощенной дозе наблюдали линейную зависимость выхода топливных фракций от мощности поглощенной дозы.

Однако в описанном способе и устройстве РТК не решен чрезвычайно важный вопрос размещения разогретого мазута в реакторе в зоне электронного излучения для обеспечения необходимого времени его облучения и желаемой производительности установки. Тонкие фольги, используемые в качестве разделительных барьеров между нагретым сырьем и вакуумом ускорителя, работают в условиях высоких температурных нагрузок из-за нагрева фольги электронным излучением и нагрева от соприкосновения с жидким сырьем, имеющим температуру в интервале от 400 до 410°С, что является для них критичным.

Целью создания настоящего изобретения является разработка способа обработки углеводородов, позволяющего увеличить выход низкомолекулярных углеводородов, в частности в процессах промышленной переработки нефти и нефтепродуктов, и обеспечить желаемую производительность способа.

При создании изобретения была поставлена задача разработки способа инициирования процессов расщепления высокомолекулярных углеводородов и образования низкомолекулярных углеводородов путем облучения сырья ионизирующим облучением в оптимальных условиях наиболее полного использования энергии заряженных частиц для инициирования реакций диссоциации в массе сырья и последующим использованием образовавшихся продуктов диссоциации для цепных реакций деструкции и поликонденсации углеводородов.

Поставленная задача была решена созданием способа инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации углеводородов, включающего обработку исходного сырья, содержащего углеводороды, ионизирующим излучением электронами при повышенной температуре и атмосферном давлении, отличающегося тем, что осуществляют обработку поверхности слоя исходного сырья в присутствии газовой среды, содержащей водород и/или газообразные алканы, релявитивисткими электронами с энергией в диапазоне от около 0,5 до около 10,0 МэВ при толщине обрабатываемого слоя исходного сырья, равной глубине поглощения электронного излучения, определяемой из соотношения

λ×ρ=0,5Е-0,1,

где λ - глубина поглощения электронного излучения, см,

ρ - плотность сырья, г/см³,

Е - энергия электронов, МэВ.

При этом, согласно изобретению, предпочтительна обработка ионизирующим излучением релятивистскими электронами с энергией в диапазоне от около 0,5 до около 2,5 МэВ, что позволяет использовать существующие промышленно применимые источники электронного излучения - ускорители.

При этом, согласно изобретению, обработку ионизирующим излучением можно осуществлять в режиме непрерывного облучения.

Кроме того, согласно изобретению, обработку ионизирующим излучением можно осуществлять в импульсно-периодическом режиме.

При этом, согласно изобретению, целесообразно обработку слоя исходного сырья или потока сырья осуществлять с двух противоположных сторон, и толщина слоя или потока должна быть равна сумме глубин поглощения электронного излучения каждой стороной слоя.

При этом, согласно изобретению, слой исходного сырья формируют в потоке исходного сырья окружении газовой среды, содержащей водород и/или газообразные алканы.

Поставленная задача была также решена созданием устройства для инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации углеводородов, содержащего реакторную камеру, имеющую внутреннюю полость, источник ионизирующего излучения, имеющий, по меньшей мере, одно выходное окно, выполненное из материала, проницаемого для электронов выбранной энергии и внешней стороной сообщенное с внутренней полостью реакторной камеры, устройство подачи сырья в реакторную камеру, снабженное устройством нагрева сырья, и устройство отвода продуктов переработки из реакторной камеры, отличающегося тем, что дополнительно содержит устройство подачи газовой среды во внутреннюю полость реакторной камеры, устройство подачи сырья выполнено с возможностью формирования в реакторной камере слоя или потока сырья требуемой толщины, а в качестве источника ионизирующего излучения содержит источник, обеспечивающий создание, по меньшей мере, одного пучка релятивистских электронов с энергией в диапазоне от около 0,5 до около 10,0 МэВ перпендикулярно, по меньшей мере, одной поверхности слоя или потока сырья.

При этом в устройстве, согласно изобретению, целесообразно, чтобы устройство подачи сырья было выполнено с возможностью регулирования геометрических параметров поперечного сечения потока сырья.

При этом в устройстве, согласно изобретению, целесообразно, чтобы устройство подачи газовой среды было приспособлено для подачи газовой смеси в периферийную область внутренней полости реакторной камеры и устройство подачи сырья формирует в реакторной камере слой или поток сырья, окруженного газовой средой.

При этом, согласно изобретению, устройство может дополнительно содержать второй источник ионизирующего излучения, обеспечивающий пучок релятивистских электронов с энергией в диапазоне от около 0,5 до около 10,0 МэВ и имеющий, по меньшей мере, одно выходное окно, выполненное из материала, проницаемого для электронов выбранной энергии и внешней стороной сообщенное с внутренней полостью реакторной камеры, и выходные окна первого и второго источника размещены на противолежащих стенках реакторной камеры напротив друг друга, и реакторная камера приспособлена для размещения слоя или потока сырья в окружении газовой среды между выходным окном первого и выходным окном второго источника ионизирующего излучения.

При этом, согласно изобретению, предпочтительно, чтобы источник электронного излучения обеспечивал создание, по меньшей мере, одного пучка релятивистских электронов с энергией в диапазоне от около 0,5 до около 2,5 МэВ, что позволяет использовать существующие промышленно применимые источники электронного излучения - ускорители.

При этом, согласно изобретению, устройство в качестве источника ионизирующего излучения может содержать источник, приспособленный для создания пучка релятивистских электронов в непрерывном режиме.

Кроме того, согласно изобретению, устройство в качестве источника ионизирующего излучения может содержать источник, приспособленный для создания пучка релятивистских электронов в импульсно-периодическом режиме.

Поставленная задача была также решена разработкой способа электронно-стимулированного крекинга углеводородсодержащего сырья, предпочтительно нефти, нефтепродуктов и нефтяных остатков, включающего термическую обработку сырья и обработку исходного сырья ионизирующим излучением электронами при повышенной температуре и атмосферном давлении, отличающегося тем, что обработку поверхности слоя или потока сырья ионизирующим излучением осуществляют в газовой среде, содержащей водород и/или газообразные алканы, релятивистскими электронами с энергией в диапазоне от около 0,5 до около 10,0 МэВ при толщине слоя или потока сырья, равной глубине поглощения электронного излучения, определяемой из соотношения

λ×ρ=0,5 Е-0,1

где λ - глубина поглощения электронного излучения, см,

ρ - плотность сырья, г/см³,

Е - энергия электронов, МэВ.

При этом, согласно изобретению, предпочтительна обработка ионизирующим излучением релятивистскими электронами с энергией в диапазоне от около 0,5 до около 2,5 МэВ, что позволяет использовать существующие промышленно применимые источники электронного излучения - ускорители.

При этом, согласно изобретению, обработку ионизирующим излучением можно осуществлять в режиме непрерывного облучения.

Кроме того, согласно изобретению, обработку ионизирующим излучением можно осуществлять в импульсно-периодическом режиме.

При этом, согласно изобретению, целесообразно обработку слоя или потока сырья осуществлять с двух противоположных сторон, и толщина слоя или потока должна быть равна сумме глубин поглощения электронного излучения каждой из сторон слоя или потока сырья.

При этом, согласно изобретению, слой исходного сырья или поток сырья формируют в потоке исходного сырья в окружении газовой среды, содержащей водород и/или газообразные алканы.

При этом преимуществом облучения с двух сторон является существенное снижение требований к биологической защите, так как энергия излучения при облучении с двух сторон в два раза меньше при той же глубине проникновения, в то время так толщина защиты нелинейным образом зависит от величины энергии электронного излучения.

Поставленная задача была также решена разработкой установки электронно-стимулированного крекинга углеводородов, предпочтительно нефти, нефтепродуктов и нефтяных остатков, содержащая ректификационную колонну, систему подачи сырья, снабженную устройством нагрева, устройства отвода продуктов возгонки и устройство отвода тяжелых остатков, отличающееся тем, что содержит устройство для инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации углеводородов согласно изобретению, содержащее реакторную камеру, имеющую внутреннюю полость, источник ионизирующего излучения, имеющий, по меньшей мере, одно выходное окно, выполненное из материала, проницаемого для электронов выбранной энергии и внешней стороной сообщенное с внутренней полостью реакторной камеры, устройство подачи сырья в реакторную камеру, снабженное устройством нагрева сырья, устройство отвода продуктов переработки из реакторной камеры и устройство подачи газовой среды во внутреннюю полость реакторной камеры, а устройство подачи сырья выполнено с возможностью формирования в реакторной камере слоя или потока сырья требуемой толщины, а в качестве источника ионизирующего излучения содержит источник, обеспечивающий создание, по меньшей мере, одного пучка релятивистских электронов с энергией в диапазоне от около 0,5 до около 10,0 МэВ перпендикулярно, по меньшей мере, одной поверхности слоя или потока сырья, и при этом устройство подачи сырья в реакторную камеру сообщено с системой подачи сырья и с устройством отвода тяжелых остатков, а устройство отвода продуктов переработки из реакторной камеры сообщено с устройствами отвода продуктов возгонки и с входом ректификационной колонны.

При этом в установке, согласно изобретению, целесообразно, чтобы устройство подачи сырья было выполнено с возможностью регулирования геометрических параметров поперечного сечения потока сырья.

При этом, согласно изобретению, устройство может дополнительно содержать второй источник ионизирующего излучения, обеспечивающий пучок релятивистских электронов с энергией в диапазоне от около 0,5 до около 10,0 МэВ и имеющий, по меньшей мере, одно выходное окно, выполненное из материала, проницаемого для электронов выбранной энергии и внешней стороной сообщенное с внутренней полостью реакторной камеры, и выходные окна первого и второго источников размещены на противолежащих стенках реакторной камеры напротив друг друга, и реакторная камера приспособлена для размещения слоя или потока сырья в окружении газовой среды между выходным окном первого и выходным окном второго источника электронного излучения.

При этом, согласно изобретению, предпочтительно, чтобы источник электронного излучения обеспечивал создание, по меньшей мере, одного пучка релятивистских электронов с энергией в диапазоне от около 0,5 до около 2,5 МэВ, что позволяет использовать существующие промышленно применимые источники электронного излучения - ускорители.

При этом, согласно изобретению, устройство инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации в качестве источника ионизирующего излучения может содержать источник, приспособленный для создания пучка релятивистских электронов в непрерывном режиме.

Кроме того, согласно изобретению, устройство для инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации в качестве источника ионизирующего излучения может содержать источник, приспособленный для создания пучка релятивистских электронов в импульсно-периодическом режиме.

Такое выполнение установки электронно-стимулированного крекинга делает возможным многократную обработку продуктов возгонки и тяжелых остатков, а также при этом позволяет использовать тепло продуктов возгонки и тяжелых остатков для нагрева сырья, поступающего на обработку в устройство для иницирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации.

При этом производительность устройства для инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации углеводородов согласно изобретению может быть согласована с производительностью установки электронно-стимулированного крекинга. В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров осуществления изобретения и прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг.1а, 1б - устройство для инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации углеводородов согласно изобретению, 1а - вариант для обработки слоя сырья, 1б - вариант для обработки потока сырья.

Фиг.1с - вид по стрелке А на фиг.1а, 1б.

Фиг.2 - график величины поглощенной энергии по глубине поглощения при облучении слоя сырья с одной стороны, согласно изобретению.

Фиг.3 - график величины поглощенной энергии по глубине поглощения при облучении слоя сырья с двух противоположных сторон, согласно изобретению.

Фиг.4 - график зависимости выхода топливных фракций от температуры сырья при облучении слоя сырья с одной стороны.

Фиг.5 - установка электронно-стимулированного крекинга углеводородов согласно изобретению, вариант выполнения.

Способ инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации углеводородов согласно изобретению был осуществлен в устройстве для инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации согласно изобретению

На Фиг.1 показано схематично конструктивное выполнение устройства 1 для инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации углеводородов согласно изобретению, на Фиг.1а - приспособленного для обработки дискретных порций исходного углеводородсодержащего сырья с одной стороны, на Фиг.1б - приспособленного для обработки потока исходного сырья с двух сторон.

Устройства 1 (Фиг.1a, 1б) содержат источник 2 ионизирующего излучения, реакторную камеру 3, устройство 4 подачи газовой среды в реакторную камеру 3, устройство 5 подачи сырья в реакторную камеру 3, снабженное устройством 6 нагрева сырья, устройство 7 отвода газообразных и жидких продуктов переработки.

Источником 2 электронного излучения могут быть ускорители, обеспечивающие, согласно изобретению, пучок релятивистских электронов с энергией в диапазоне от около 0,5 до около 10,0 МэВ, преимущественно наиболее широко применяемые ускорители с энергией электронного излучения в диапазоне от 1,5 до 2,5 МэВ, например, мощностью до 100 кВт. Или ускорители, обеспечивающие пучок электронов в непрерывном режиме или в импульсно-периодическом режиме.

Источник 2 электронного излучения имеет выходное окно 8 для выхода пучка 9 электронов, плоскость которого выполнена из материала, проницаемого для электронов с выбранным уровнем энергии, например, из титановой фольги.

Реакторная камера 3 (Фиг.1a, 1б) выполнена, например, металлической и имеет внутреннюю полость 10, приспособленную для размещения слоя 11 (Фиг.1а) или потока 12 (Фиг.1б) исходного сырья в окружении газовой среды 13 при атмосферном давлении. Реакторная камера 3 снабжена отверстием 14 для подачи сырья во внутреннюю полость 10, соединенным с устройством 5 подачи сырья, и отверстиями 15, 16, соединенными с устройством 7 отвода газообразных и жидких продуктов переработки из внутренней полости 10.

Реакторная камера 3 снабжена также отверстием 17 для ввода газовой среды, соединенное с устройством 4 подачи газовой среды.

На боковой поверхности реакторной камеры 3 (Фиг.1a, 1б) выполнен вырез 18 (Фиг.1с), по форме и размерам соответствующий выходному окну 8 источника 2 ионизирующего излучения, а источник 2 размещен таким образом, чтобы выходное окно 8 было совмещено с вырезом 18 реакторной камеры 3 и пучок 9 релятивистских электронов был перпендикулярен поверхности слоя 11 (Фиг.1a) или поверхности потока 12 (Фиг.1б) исходного сырья.

Выходное окно 8 может быть выполнено, например, в виде прямоугольника, длина которого соответствует ширине потока 12 или слоя 11 обрабатываемого сырья.

Устройство 4 подачи газовой среды 13 может содержать, например, коллектор 19 (Фиг.1б), выполненный в верхней части реакторной камеры 3 и сообщенный с внутренней полостью 10 отверстиями 20, расположенными по периферии торца 21 реакторной камеры 3. Таким образом обеспечивают подачу газовой среды 13 вдоль стенок реакторной камеры 3 для охлаждения ее стенок и фольги выходного окна 8 источника 2 ионизирующего излучения.

Устройство 5 подачи исходного сырья может обеспечивать подачу сырья в реакторную камеру 3, например, струей, с созданием в реакторной камере 3 слоя 11 сырья (Фиг.1а) заданной толщины, например, в приспособленной для его размещения емкости, согласно изобретению, заполняя ее до заданной глубины δ, согласно изобретению, равной расчетной величине λ глубины поглощения. При этом емкость может быть выполнена, например, в виде лотка. Или устройство 5 подачи сырья может быть приспособлено для формирования в реакторной камере 3 потока 12 исходного сырья (Фиг.1б) заданной толщины δ, согласно изобретению, равной расчетной глубине λ поглощения электронного излучения, определенной из соотношения

λ×ρ=0,5 Е-0,1,

где Е - энергия электронов, ρ - плотность сырья,

и ширины, соответствующей длине выходного окна 8, например, в виде плоской струи, обращенной одной из плоскостей в сторону выреза 18 с выходным окном 8.

Устройство 5 подачи исходного сырья снабжено устройством 6 нагрева сырья, выполненным, например, в виде термостата или теплообменника. При этом в качестве рабочего тела теплообменника могут быть использованы, например, тяжелые фракции, полученные после возгонки обработанного сырья, имеющие температуру выше 410°С.

Устройство 7 отвода газообразных и жидких продуктов переработки содержит, например, магистральные насосы и трубопроводы для перекачки продуктов переработки. При применении устройства 1 в составе промышленных установок электронно-стимулированного крекинга отделение жидких и газообразных продуктов может происходить также в ректификационной колонне.

Способ иницирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации углеводородов согласно изобретению может быть осуществлен при обработке слоя углеводородсодержащего сырья, например мазута, нагретого до температуры не ниже 410°С, толщиной δ=λ или δ=∑λi соответственно облучением с одной стороны или с двух противоположных сторон (i=1; 2), пучком релятивистских электронов с энергией в диапазоне от около 0,5 до около 10,0 МэВ.

Эффективность инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации в основном обусловлена эффективностью использования энергии релятивистских электронов, характеризующейся поглощенной энергией электронного излучения и глубиной поглощения электронного излучения.

На Фиг.2 представлен график, иллюстрирующий величину поглощенной энергии как функцию производной для слоя толщиной δ=4,2 см обрабатываемого углеводородсодержащего сырья - мазута, имеющего плотность ρ=0,993 г/см³, для расчетной глубины поглощения λ=4,93 см при облучении слоя с одной стороны электронным излучением с энергией электронов 10,0 МэВ.

Из графика видно, что при обработке слоя мазута толщиной δ=4,2 см электронами с энергией 10,0 МэВ величина поглощенной энергии до толщины слоя δ=3,0 см слабо растет, при толщине 3,0 см составляет 2,35 МэВ на электрон, а затем резко уменьшается, что свидетельствует о существовании предела эффективного использования мощности излучения. Аналогичная картина наблюдается при обработке релятивистскими электронами, имеющими величину энергии в диапазоне от около 0,2 МэВ до около 10,0 МэВ. Поэтому, согласно изобретению, целесообразно выбирать толщину δ обрабатываемого слоя сырья, равную глубине λ поглощения излучения при обработке слоя с одной стороны или сумме глубин λ_i поглощения излучения при обработке слоя со стороны i.

Глубина λ_i поглощения электронного излучения одной стороной слоя при работе в диапазоне энергии электронов, согласно изобретению, от около 0,5 до около 10,0 МэВ, рассчитанная по известному специалистам соотношению

λ×ρ=0,5 Е-0,1,

где Е - энергия электрона, МэВ,

ρ - плотность исходного сырья, г/см³,

составляет от около λ=0,15/ρ до около λ=4,9/ρ. Например, для мазута, имеющего плотность 0,93 г/см³, при обработке его с одной стороны релятивистскими электронами с энергией 0,5 МэВ глубина λ поглощения составляет 0,16 см, а при обработке электронами с энергией 10,0 МэВ глубина λ поглощения составит 5,3 см, поэтому в случае обработки слоя сырья электронами энергии 0,5 или 10,0 МэВ с одной стороны предпочтительная толщина δ слоя сырья будет соответственно 0,16 см и 5,3 см.

Избежать неэффективного использования мощности электронного излучения, согласно изобретению, позволяет также облучение слоя или потока с двух противоположных сторон.

На Фиг.3 представлен график, иллюстрирующий величину поглощенной энергии как функцию производной для слоя толщиной δ=8,0 см, равной сумме расчетных величин глубины поглощения энергии электронов каждой стороной слоя или потока, для случая облучения мазута, имеющего плотность 0,92 г/см³, подвергаемого облучению с двух сторон электронами с энергией 10,0 МэВ. Из графика видно, что процесс поглощения энергии электронов стабилен в интервале от 0 до 8,0 см, величина поглощенной энергии почти не меняется на различной глубине поглощения, что свидетельствует о наиболее полном использовании энергии электронных пучков источников излучения.

Для обеспечения наиболее эффективного осуществления способа инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации исходное сырье, согласно изобретению, нагревают до температуры не ниже температуры начала термического разрушения углеводородных молекул сырья, то есть до температуры около 410°С.

На Фиг.4 показана зависимость выхода Q топливных фракций от температуры мазута при применении способа инициирования реакций диссоциации и поликонденсации, кривая "с" - выхода бензиновой фракции, кривая "d" - выхода дизельного топлива, при облучении мазута, имеющего аналогичные выше указанным физико-химические характеристики, релятивистскими электронами с энергией 10,0 МэВ. Из графика видно, что оптимальная температура мазута для электронно-стимулированного крекинга составляет от около 410 до около 420°С. Выход газообразных продуктов резко растет после достижения температуры мазута 400°С и начинает слабо меняться после нагрева до температуры 430÷440°С. Поэтому нагрев сырья выше 430°С потребует значительных энергозатрат, однако не принесет увеличения эффективности ионизирующего облучения.

Устройство 1 для инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации согласно изобретению работает следующим образом.

Исходное сырье нагревают в устройстве 5 подачи исходного сырья до температуры не менее 410°С и подают в реакторную камеру 3, заполненную газовой средой, содержащей водород и/или алканы, где подвергают облучению релятивистскими электронами энергией в диапазоне от около 0,5 до около 10,0 МэВ, предпочтительно в диапазоне от около 1,5 до около 2,5 МэВ, в режиме непрерывного или импульсно-периодического облучения. При этом газовая среда омывает выходные окна 8 источника излучения 2 и охлаждает фольгу.

Время экспозиции выбирается из соображения достижения в обрабатываемом слое поглощенной дозы 10 кГр.

Исходное сырье может быть использовано как в жидком, так и в газообразном состоянии, может иметь различную плотность, различный химический состав.

В зависимости от количественного соотношения предельных и непредельных углеводородов в обрабатываемом сырье различно и содержание атомов водорода: чем больше предельных углеводородов, тем больше в нем атомов водорода.

Под действием электронного излучения в массе сырья сначала в поверхностных, а затем и в глубинных слоях сначала преобладают процессы, связанные с ионизационными потерями энергии электронов: образуется атомарный водород и ионы водорода, которые инициируют цепные реакции диссоциации углеводородных молекул, образуются свободные радикалы, ионы, которые затем стимулируют термическое разложение длинных молекул, разрывая связи в молекулах предельных и непредельных углеводородов с образованием новых более легких молекул.

При этом газообразные водород и алканы газовой среды, активированные в газовой среде ионизирующим излучением, также вступают в реакции диссоциации длинных углеводородных молекул или нейтрализации химических радикалов и увеличивают выход конечных продуктов.

Затем в массе сырья во внутренних слоях начинают преобладать процессы, связанные с радиационными потерями энергии электронов: в длинных тяжелых молекулах углеводородов происходит разрыв связей, в том числе с высвобождением примесных ионов, например, серы, которые с водородом образуют летучие соединения, например, H₂S, которые выводятся из массы сырья с газообразными продуктами переработки.

Жидкие продукты переработки выводят из реакторной камеры через отверстие 16, газообразные - через отверстие 15.

На Фиг.5 показана схема выполнения установки электронно-стимулированного крекинга, в которой устройство 1 для инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации углеводородов согласно изобретению включено в производственный цикл промышленно используемой установки для возгонки углеводородного сырья, преимущественно нефти и нефтепродуктов, содержащей ректификационную колонну 22 для разделения фракций исходного сырья, например, нефти или нефтепродуктов, систему 23 подачи сырья в ректификационную колонну, снабженную теплообменником 24 для нагрева сырья, например, с использованием тепла жидких продуктов переработки нефти, подаваемых в темплообменник из ректификационной колонны 22. Устройство 1 содержит источник 2 ионизирующего излучения, реакторную камеру 3, устройство 4 подачи газовой среды, устройство 5 подачи сырья, снабженное устройством 6 нагрева сырья до необходимой температуры. В качестве сырья для устройства 1 может быть использовано как исходное сырье, так и продукты переработки нефти, подаваемые в устройство 1, например, из ректификационной колонны 22, для первичной или вторичной обработки их ионизирующим излучением с целью обеспечения требуемого углеводородного состава продуктов переработки.

Установка электронно-стимулированного крекинга работает следующим образом: сырье, предназначенное для обработки ионизирующим облучением, предварительно нагревают в теплообменнике 24 или в печи, например, устройства 6 до температуры 410-420°С, подают в реакторную камеру 3, где в атмосфере газообразного водорода или алканов, подаваемых устройством 4, формируют поток сырья заданной толщины. Сформированный таким образом поток облучают пучком релятивистских электронов источника 2 ионизирующего излучения с одной стороны, как показано на Фиг.5, или с двух сторон, и затем жидкие продукты направляют в ретификационную колонну 22 для последующего отделения легких фракций, а газообразные продукты отводят для последующей очистки от вредных примесей. Тяжелые фракции из колонны 22 с помощью устройства 25 отвода тяжелых остатков и устройства 26 их возврата в систему 23 подачи сырья могут быть подвергнуты несколько раз термическому разложению, обработке ионизирующим облучением или после использования их в качестве рабочего тела в теплообменнике направлены в камеры сжигания тепловых электростанций.

Производительность G процесса обработки сырья ионизирующим излучением в устройстве 1 электронно-стимулированного крекинга, с одной стороны, определена соотношением

G=ν·l·ρ·δ,

где ν - скорость потока сырья,

l - ширина потока электронов в направлении, перпендикулярном направлению перемещения потока сырья,

ρ - плотность сырья,

δ - толщина слоя или потока, которая для случая обработки потока или слоя с одной стороны, согласно изобретению, равна глубине поглощения излучения этой стороной слоя, а для случая облучения слоя или потока с двух сторон, согласно изобретению, равна сумме глубин поглощения излучения каждой стороной слоя, и поэтому производительность G устройства 1 инициирования согласно изобретению может регулироваться изменением геометрических и динамических параметров потока.

С другой стороны, производительность G устройства обусловлена также параметрами процесса облучения:

G=P/D,

где Р - мощность пучка релятивистских электронов: Р=Е×I,

где Е - энергия релятивистских электронов, а I - ток пучка релятивистских электронов,

D - средняя доза, поглощенная в слое сырья,

и производительность G устройства 1 электронно-стимулированного крекинга может регулироваться током I ускорителя.

Таким образом, при использовании установки электронно-стимулированного крекинга может быть достигнута задаваемая пользователем производительность устройства 1 в составе установки, а также производительность может регулироваться в течение процесса в зависимости от скорости подачи исходного сырья, плотности продуктов переработки, подвергающихся ионизирующему излучению, с помощью регулирования геометрических параметров потока сырья, например, в устройстве 5 подачи сырья в реакторную камеру с помощью регулирования ширины потока и тока источника ионизирующего излучения. При этом время обработки сырья электронами, то есть время экспозиции будет зависеть от геометрических параметров выходного окна источника излучения, например его высоты.

Примеры 1-6.

Далее описаны примеры применения способа инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации углеводородов согласно изобретению в устройстве 1 для инициирования цепных реакций диссоциации и поликонденсации согласно изобретению при обработке проб мазута при исходной температуре около 420°С объемом 600 мл, имеющего плотность около 0,992 г/см³, в среде водорода облучением пучком релятивистских электронов энергией 10,0 МэВ, 2,5 МэВ, 1,5 МэВ в течение 20 с с одной стороны и аналогичных проб мазута в среде водорода электронами тех же энергий с двух противоположных сторон. Пробы были помещены в емкость в реакторную камеру слоем соответственно толщиной 4,9 см, 1,2 см и 0,6 см при облучении слоя с одной стороны и слоем толщиной 9,0 см, 2,5 см и 1,5 см при облучении слоя с двух сторон. Усредненная мощность поглощенной дозы на пробу 1,1 кГр/с, мощность дозы в центре пучка электронов составляла до 40 кГр/с, поглощенная доза на всю пробу - более 20 кГр.

В результате цепной реакции из мазута под действием электронного ионизирующего излучения образовались легкие топливные фракции, которые потом были проанализированы методом разгонки. Сравнительные результаты разгонки исходного сырья, не подвергавшегося облучению электронами, и продуктов переработки, полученных с использованием электронно-стимулированного крекинга согласно изобретению, приведены в Табл.1.

Из таблицы 1 можно сделать вывод, что после обработки мазута релятивистскими электронами в нем значительно возросло содержание легких топливных фракций, имеющих температуру кипения Т_кип=360°С (с 6,2% до 51,5%) и Т_кип от 160 до 360°С (до 43,1%) за счет уменьшения содержания фракций, имеющих температуру кипения Т_кип>360°С (с 93,3% до 47,6%), при этом фракции, имеющие Т_кип>450°С, в продуктах переработки отсутствуют.

Также были изучены физико-химические свойства остатков, имеющих Т_кип>360°С после разгонки исходного мазута, не подвергавшегося облучению, и после разгонки продуктов, полученных после облучения. Результаты представлены в Табл.2.

Из результатов, приведенных в Табл.2, видно, что после обработ