Способ конверсии газообразных углеводородов в жидкие и устройство для его осуществления

Способ конверсии газообразных углеводородов в жидкие и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится преимущественно к области добычи нефти, природного газа, газового конденсата и каменного угля и может быть использовано для переработки попутно добываемых летучих углеводородов в углеводородную жидкость, стабильную при нормальных условиях.

В настоящее время значительная часть легких углеводородных газов, добываемых совместно с нефтью, природным газом и газовым конденсатом, а также газообразные углеводороды угольных шахт не находят должного применения. В связи с этим существует острая необходимость в создании технологий и соответствующих устройств, позволяющих в условиях газонефтяных промыслов и угольных шахт осуществлять переработку этого газообразного углеводородного сырья в жидкость с последующей подачей ее в нефтепроводы или транспортированием другим видом транспорта на нефтеперерабатывающие предприятия. Основным компонентом попутно добываемых или сопутствующих углеводородных газов является метан, в больших или меньших количествах, в зависимости от нефтегазового или угольного месторождения, содержатся алканы С₂-С₅, изоалканы С₄-C₅, редко - низшие олефины, в незначительных количествах всегда присутствует водород. Жидкие углеводороды, продукты конверсии газообразных углеводородов, представлены, как правило, предельными и непредельными углеводородами нормального и изостроения от С₆ и выше, и в гораздо меньшей степени нафтеновыми и ароматическими соединениями. Нормальный и изопентан может содержаться как в исходной газовой смеси, так и в составе жидких углеводородов - продуктов конверсии.

Традиционные каталитические способы превращения газообразных углеводородов в углеводороды жидкие требуют для своей реализации в местах добычи нефти, газа или угля малотоннажных производств с многозвенной технологией и достаточно развитой инфраструктурой (см. Пармон В.Н. и др. Переработка углеводородного сырья сибирских газоконденсатных месторождений в условиях жестких транспортных ограничений. // В сб. Проблемы и пути эффективного освоения минерально-сырьевых ресурсов Сибири и дальнего Востока. - Томск: STT, 2000. - с.18-19.). Такие технологии дороги и сложны в эксплуатации, особенно в условиях месторождений.

Известен способ нетермической плазмохимической конверсии метана в барьерном разряде (см. Plasma Chem., Edinburg, 1987, Simp. Proc. Vol.2 - p.765-770). По этому способу в объеме метана под давлением 250-270 Торр зажигается барьерный разряд. В плазме разряда происходит разложение метана на элементарные радикалы типа -СН₃, -СН₂-, и водород. Затем, при протекании вторичных реакций, происходит образование углеводородов с большим молекулярным весом, в том числе и жидких.

Недостатком этого способа является его неравновесность - образующиеся при одном разряде продукты разрушаются при последующем разряде, в свою очередь продукты этого разряда разрушаются следующим разрядом с образованием новых продуктов и т.д. В результате степень конверсии легких углеводородов в более тяжелые, в том числе и жидкие, является невысокой.

Наиболее близким к заявленному способу является выбранное нами в качестве прототипа техническое решение (Патент РФ №2123992, 1998), согласно которому жидкие продукты реакции, образовавшиеся в барьерном разряде, выводят из реакционной зоны при помощи углеводородной пленки, стекающей по стенке реактора, что способствует повышению степени конверсии.

Однако из-за низкого удельного значения площади поверхности пленки (в расчете на единицу объема реакционной зоны) только незначительная часть образовавшихся жидких углеводородов переходит в слой пленки. Кроме того, в устройствах для барьерного разряда в газах, в качестве которых используют, главным образом, озонаторы различного типа, на электроды подают переменное электрическое напряжение, что обуславливает повышенные энергозатраты в конденсаторах этого вида.

Общим недостатком устройств-озонаторов при конверсии газообразных углеводородов является наличие диэлектрического покрытия-барьера одного или обоих электродов, снижающего напряженность электрического поля в объеме газа (Разумовский С.Д. Кислород - элементарные формы и свойства. - М.: Химия, 1979.) и требующего повышенных напряжений на электродах, что также увеличивает энергозатраты.

Частично этот недостаток устранен в озонаторе (Патент США №4013567, 1977), включающем в себя соосные цилиндрические электроды, один из которых покрыт барьером из эмали с большой диэлектрической проницаемостью. Энергопотребление, однако, остается на достаточно высоком уровне, а наличие барьера усложняет конструкцию устройства.

Таким образом, задача разработки способа и устройства для конверсии газообразных углеводородов в жидкие, обеспечивающих высокую степень конверсии и низкие энергозатраты, остается актуальной.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является осуществление конверсии газообразных углеводородов в жидкие с быстрым выводом большей части образующихся жидких углеводородов из реакционной зоны, а также с использованием постоянного напряжения, подаваемого на электроды, при отсутствии на них диэлектрического барьера.

Указанный технический результат достигается тем, что, как и в известном способе, газообразные углеводороды подвергаются воздействию электрических разрядов, а образующиеся жидкие углеводороды удаляют из реакционной зоны в поглощающую их жидкость, при этом в качестве устройства для конверсии газообразных углеводородов используют озонатор.

В отличие от прототипа конверсируемые газообразные углеводороды подвергают воздействию частичных разрядов путем диспергирования в объеме органической жидкости, помещенной в электрическое поле постоянного тока, процесс проводится в устройстве для конверсии газообразных углеводородов, включающем соосные внутренний и внешний электроды, внешний электрод состоит из чередующихся элементов, каждый из которых представляет собой две электрически изолированные друг от друга секции, одна из которых находится под напряжением, другая электронейтральна, при этом процесс осуществляется последовательно по элементам.

При прохождении пузырька газообразного углеводорода, диспергированного в диэлектрической органической жидкости, через слой этой жидкости в нем под действием внешнего электрического поля происходит ионизация молекул газа, разделение зарядов, возникает внутреннее электрическое поле, его напряженность возрастает по мере разделения зарядов вплоть до величины, при которой внутри пузырька происходит электрический разряд, который в физике диэлектриков носит название «частичный». Частота таких разрядов в пузырьках газа и их электрофизические характеристики определяются диаметром пузырьков, напряженностью внешнего электрического поля, а также значением диэлектрической проницаемости органической жидкости. В результате разряда химический состав газа изменяется с образованием набора соединений, в том числе и молекул жидких углеводородов, которые, соприкасаясь со стенкой пузырька, переходят в органическую жидкость, то есть практически мгновенно выводятся из реакционной зоны. Значение доли образующихся жидких углеводородов, перешедших в органическую жидкость, тем выше, чем меньше размеры пузырьков газа и чем больше их количество, в итоге - чем выше удельное значение площади поверхности «газ-органическая жидкость». Непосредственно после разряда напряженность поля внутри пузырька становится равной нулю, затем под действием внешнего поля снова происходит ионизация газа в пузырьке, разделение зарядов, следующий разряд, в результате которого вновь образуется некоторое количество молекул жидких углеводородов, переход их в окружающую пузырьки органическую жидкость и т.д.

Повторное диспергирование газа в следующих объемах помещенной в электрическое поле органической жидкости, при осуществлении процесса последовательно по элементам, связано с необходимостью исключить существенное укрупнение пузырьков газа как вследствие их физико-химической коалесценции, так и вследствие диполь - дипольного взаимодействия в процессе разделения зарядов внутри пузырьков. Принципиально не исключается возможность проведения процесса конверсии на одном элементе, например, при низком содержании конверсируемых углеводородов в газовой среде.

Органическую жидкость, в которой диспергируют газообразные углеводороды, помещают в электрическое поле постоянного тока в связи с тем, что процесс конверсии по данному способу, при любом его конструктивном исполнении, будет протекать в электрической емкости (конденсаторе), потребляемая электрическая энергия которой минимальна при нулевой частоте прилагаемого напряжения.

Диэлектрическая органическая жидкость, в которой диспергируют газообразные углеводороды, должна отличаться сравнительно высокой электрической прочностью и хорошей растворимостью в углеводородах. Этими свойствами обладает большинство жидких углеводородов, предельных и непредельных, нормального и изостроения, нафтеновых и ароматических. Окончательный выбор органической жидкости для осуществления данного способа конверсии производится по результатам эксперимента и по величине затрат. В частности, на нефтяных промыслах в качестве диэлектрической органической жидкости может быть использована глубоко обезвоженная, «сухая», нефть.

Предлагаемый способ конверсии газообразных углеводородов реализуется следующим образом.

Предварительно подготовленный (осушенный) газообразный углеводород под давлением направляют в объем органической жидкости, в которой его диспергируют в виде пузырьков; диспергирование газообразного углеводорода осуществляют пропусканием через пористый материал, расположенный под объемом органической жидкости. В процессе диспергирования газообразного углеводорода на электроды, между которыми расположена органическая жидкость, подают электрическое напряжение, создающее в объеме образующейся дисперсной системы электрическое поле с напряженностью, достаточной для возникновения в пузырьках газообразного углеводорода частичных разрядов, являющихся причиной конверсии молекул газообразных углеводородов. Вышедший из объема органической жидкости углеводородный газ, состоящий из непрореагировавших газообразных углеводородов и водорода, подвергают аналогичному воздействию во втором, третьем и т.д. объемах органической жидкости. Количество повторных операций определяется требуемой степенью конверсии. Образующийся в процессе конверсии газообразных углеводородов водород практически является дополнительным целевым продуктом, находящим широкое применение в различных отраслях промышленности.

Выбор вида (постоянного или переменного) подаваемого на электроды напряжения должен определяться, в конечном итоге, технико-экономическими соображениями.

На фиг.1а приведен график изменения во времени напряженности электрического поля внутри пузырька при внешнем синусоидальном электрическом поле, на фиг.1б - напряженности электрического поля внутри пузырька при внешнем постоянном электрическом поле. Пунктирными линиями представлена напряженность поля в пузырьке при отсутствии частичного разряда.

При воздействии на объем органической жидкости первого полупериода синусоидального поля разряд в пузырьке возникает тогда, когда напряженность поля в нем достигает значения Ез (напряженность зажигания разряда). После разряда напряженность поля падает до Еп (напряженность погасания), при которой разряд гаснет. После погасания разряда напряженность поля в пузырьке начинает нарастать от Еп по кривой, соответствующей изменению приложенного к объему жидкости электрического поля. При достижении напряженности поля значения Ез процесс повторяется. Разряды в пузырьке повторяются через промежутки времени, соответствующие изменению напряженности на ΔЕ=Ез-Еп. При прохождении напряженности внешнего поля через максимум напряженность поля внутри пузырька находится между значениями Ез и Еп. Затем происходит уменьшение до нуля и дальнейший рост до -Ез. При достижении напряженности поля в пузырьке значения -Ез происходит пробой в газе и процесс повторяется.

При наложении на объем органической жидкости внешнего постоянного электрического поля (фиг.1б) напряженностью Ео напряженность поля внутри пузырька, вследствие ионизации газа и разделения зарядов, начинает возрастать, доходя до критического значения Ез (напряженность зажигания разряда), при котором происходит электрический разряд. Напряженность поля внутри пузырька становится равной нулю, после чего процесс повторяется.

Предлагаемый способ конверсии газообразных углеводородов может быть осуществлен в устройстве, в котором, в отличие от устройства для барьерного разряда, внешний электрод состоит из чередующихся элементов, каждый из которых представляет собой две электрически изолированные друг от друга секции, причем первая, третья и т.д. нечетные, по ходу потока газа, секции находятся под напряжением, а четные секции электронейтральны и имеют отводные коллекторы, при этом поперечное сечение межэлектродного пространства перед каждой нечетной секцией перекрыто диэлектрической пористой перегородкой, ниже которой, кроме первой, на внутренней стенке внешнего электрода смонтирован кольцевой гидрозатвор, причем электроды не имеют диэлектрического покрытия. Четные, по ходу потока газообразного углеводорода, секции могут быть выполнены из диэлектрического материала.

Выполнение внешнего электрода из ряда электрически изолированных друг от друга секций, с последовательным чередованием находящихся под напряжением и электронейтральных, необходимо для повторения два и более раз процесса диспергирования газообразного углеводорода в органической жидкости, находящейся в электрическом поле. В межэлектродном пространстве секции, находящейся под напряжением, в объеме газовых пузырьков протекают электрические разряды, после чего пузырьки попадают в секцию электронейтральную, в которой электрические разряды в них не протекают и в которой происходит окончательный переход образовавшихся в разрядах молекул жидких углеводородов в окружающую органическую жидкость, после чего пузырьки переходят в газовое пространство этой секции. Повторное образование пузырьков газа происходит при прохождении его через пористую перегородку, расположенную непосредственно перед следующей, находящейся под напряжением секцией.

Расположенные ниже пористых перегородок кольцевые гидрозатворы, смонтированные на внутренней стенке каждой четной, электронейтральной секции внешнего электрода, предназначены для отведения из этой секции излишней жидкости, образовавшейся под действием электрических разрядов в предыдущей секции и смешанной с органической жидкостью, в объеме которой первоначально диспегируют газообразный углеводородный газ. За счет гидрозатвора поддерживается постоянный уровень жидкости в каждой электронейтральной секции. По мере отведения излишней жидкости первоначальная диэлектрическая жидкость полностью замещается жидкими углеводородами - продуктами конверсии.

При реализации частичных разрядов в пузырьках газообразного углеводорода, окруженных диэлектрической органической жидкостью, наличие диэлектрических покрытий на электродах теряет смысл, поскольку слой органической жидкости, прилегающей к электродам, сам по себе является покрытием (барьером).

Поскольку четные секции внешнего электрода не находятся под напряжением, они могут быть выполнены из диэлектрического материала, что удешевляет устройство и делает его в большей степени электробезопасным.

На фиг.2 представлена принципиальная схема устройства для осуществления предложенного способа конверсии газообразных углеводородов.

Устройство включает в себя внешний цилиндрический электрод, составленный из находящихся под напряжением секций 1 и электронейтральных секций 2, соосный с внешним внутренний электрод 3, входной патрубок 4, распределительную камеру 5, пористые перегородки 6, кольцевые гидрозатворы 7 с отводными коллекторами 8, устройства заземления 9, линию заполнения 10 и линию конверсированного продукта 11, газовый отводной патрубок 12; секции соединены между собой посредством фланцев 13 и электрически изолированы друг от друга диэлектрическими прокладками 14. Фланцевые соединения крепятся диэлектрическими болтами.

Устройство работает следующим образом. Исходный газообразный углеводород через входной патрубок 4 поступает в распределительную камеру 5, служащую для равномерного его ввода в первую пористую перегородку 6, далее, пройдя перегородку, в виде пузырьков он перемещается в межэлектродное пространство секции 1, в котором под действием электрических разрядов в пузырьках протекает процесс конверсии с поглощением образующихся жидких углеводородов окружающей органической жидкостью, после чего пузырьки переходят в межэлектродное пространство электронейтральной секции 2, где достигается более полное отделение образовавшихся жидких углеводородов. Дополнительный объем углеводородной жидкости, возникшей в процессе конверсии, переливается в гидрозатвор 7 и по отводному коллектору 8 поступает в линию конверсированного продукта 11. Вышедшие на поверхность жидкости пузырьки переходят в газовое пространство перед пористой перегородкой 6 следующей секции, далее процесс повторяется. Оставшийся после конверсии газ, преимущественно водород, выводится из верхней части устройства через газовый отводной патрубок 12.

Перед пуском устройства в работу межэлектродное пространство секций 1 по линии 10 заполняется исходной органической жидкостью до некоторого уровня в расчете, что при насыщении объема жидкости пузырьками суммарный уровень достигнет кромки гидрозатвора 7.

Реализация предложенных способа и устройства дает возможность проведения процесса конверсии газообразных углеводородов в жидкие без принципиальных ограничений на степень конверсии при минимальных энергозатратах.

1. Способ конверсии газообразных углеводородов в жидкие под действием электрических разрядов, отличающийся тем, что конверсируемые углеводороды подвергают воздействию частичных разрядов путем диспергирования в объеме диэлектрической органической жидкости, помещенной в электрическое поле постоянного тока, процесс проводится в устройстве для конверсии газообразных углеводородов, включающем соосные внутренний и внешний электроды, внешний электрод состоит из чередующихся элементов, каждый из которых представляет собой две электрически изолированных друг от друга секции, одна из которых находится под напряжением, другая электронейтральна, при этом процесс осуществляется последовательно по секциям.

2. Устройство для конверсии газообразных углеводородов в жидкие по п.1, включающее входной и выходной патрубки, соосные цилиндрические внутренний и внешний электроды, торцевые диэлектрические изоляторы, отличающееся тем, что внешний электрод состоит из чередующихся элементов, каждый из которых представляет собой две электрически изолированных друг от друга секции, причем первая, третья и т.д. нечетные по ходу потока газа секции находятся под напряжением, а четные секции электронейтральны и имеют отводные коллекторы, при этом поперечное сечение межэлектродного пространства перед каждой нечетной секцией перекрыто диэлектрической пористой перегородкой, ниже которой, кроме первой, на внутренней стенке внешнего электрода смонтирован кольцевой гидрозатвор, причем электроды не имеют диэлектрического покрытия

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что четные по ходу потока газа секции выполнены из диэлектрического материала.