Способ модификации углеводородного топлива и устройства для его осуществления

1 Область техники Изобретения относятся к области химии, в частности к технологии углеводородного топлива, и могут быть использованы при производстве различных видов топлива, например в топливной и нефтеперерабатывающей промышленности. Предшествующий уровень техники Известны технологии обработки различного вида углеводородных топлив, включающие воздействие на исходный продукт кислородом воздуха в присутствии катализаторов, которые осуществляются на устройствах, содержащих емкость для топлива с каталитическими элементами и устройства для подачи кислородосодержащего газа (см., например, патент Российской Федерации 2110555 С 1, опубл. 10.05.98). Аналогичные технологии, реализуемые на указанном выше устройстве, кроме того, требуют введение в объем исходного углеводородного топлива специальных химических добавок. (см.,например, патент Российской Федерации 2109033 С 1, опубл. 20.04.98). Процесс обработки топлива при этом происходит при существенных затратах на катализатор и химические добавки и зачастую при значительных экспозициях. Повышение октанового числа обуславливается за счет выделений солей серы и свинца и тяжелых металлов из топлива и перехода ряда составляющих тяжелых углеводородов в более легкие фракции, что также обуславливает значительные, зачастую до 50-60%, потери от общего первоначального объема топлива. Известен способ модификации углеводородного топлива, при котором осуществляют подачу топлива и озоносодержащего газа в проточную камеру, их перемешивание с получением двухфазной смеси, ее последующее преобразование и выделение готового продукта (патент РФ 1754762 МПК С 10G 7/00). Известно устройство для модификации углеводородного топлива, содержащее источник подачи исходного топлива, генератор озона,аппарат для преобразования исходного топлива и емкость для готового топлива (патент РФ 1754762, кл. С 10G 7/00). К недостаткам известных методов модификации углеводородных топлив и устройств для реализации этих методов следует отнести значительные энергозатраты, сложность конструкций из-за высокого давления, низкое качество и недостаточную эффективность обработки топлива и связанную с недостаточной эффективностью обработки необходимость в последующей его доработке путем применения химических реактивов и пиролиза. Из-за использования высокого давления установки имеют значительные габариты и, кроме того, из-за этого снижается их надежность. 2 Раскрытие изобретения В основу изобретения положена задача создания способа и устройств модификации углеводородного топлива, обеспечивающих повышение качества и активации углеводородного топлива с повышением октанового или цетанового чисел, что позволит резко уменьшить вредные примеси выхлопных газов при сгорании топлива. Поставленная задача решается тем, что в способе модификации углеводородного топлива подачу топлива осуществляют эжекцией в проточную камеру и в зону эжекции подают озоносодержащий газ, в образованной двухфазной смеси создают турбулентные потоки, а преобразованную смесь направляют в объем со стабильным уровнем давления и проводят термодинамическое выравнивание параметров смеси. При этом турбулентные потоки двухфазной смеси создают путем пропускания ее через сильное электрическое поле с униполярными импульсами тока, причем указанные турбулентные потоки создают в средней части проточной камеры. Задача решается также тем, что перед образованием турбулентных потоков создают участок, на котором поток двухфазной смеси закручивают вокруг оси проточной камеры, а эжекцию исходного топлива в проточную камеру осуществляют со смещением относительно ее оси. Задача решается также тем, что преобразованную смесь фильтруют от пены, твердых включений и водных растворов гидроокислов примесей топлива, и готовый продукт направляют на вход проточной камеры, и процесс повторяют, по меньшей мере, еще 1 раз. Задача решается еще и тем, что в процессе термодинамического выравнивания параметров в двухфазную смесь подают распыленную воду,и полученную эмульсию подвергают термодинамическому выравниванию параметров, и проводят гидрирование и восстановление с последующим разделением на фракции углеводородов. При этом воду перед распылением подогревают и в двухфазную смесь подают распыленной с наномикронной дисперстностью. Задача решается еще и тем, что после разделения эмульсии на фракции углеводородов их фильтруют, сепарируют, и очищенную и обогащенную часть направляют на вход проточной камеры, и процесс повторяют, по меньшей мере,еще 1 раз. Задача решается еще и тем, что после гидрирования и восстановления эмульсию подвергают электрогидродинамическому разделению,а после него активированную часть смеси направляют на вход проточной камеры и процесс повторяют, по меньшей мере, еще раз. Задача решается созданием устройства для модификации углеводородного топлива, содер 3 жащего источник подачи исходного топлива,генератор озона, аппарат для обогащения и преобразования исходного топлива и емкость для готового продукта, которое снабжено эжектором, патрубок всасывания которого подсоединен к генератору озона, вход подсоединен к источнику подачи исходного топлива, а выход - к аппарату для обогащения и преобразования исходного топлива, выполненному из последовательно соединенных двух проточных цилиндрических камер, между которыми размещен электрогидродинамический преобразователь потока,и камеры термодинамического выравнивания параметров, при этом выход емкости для готового продукта может быть соединен с источником подачи исходного топлива. Задача решается и тем, что аппарат для обогащения и преобразования исходного топлива выполнен с фильтром на основе ионообменных смол, электрогидродинамический преобразователь потока выполнен в виде проточной камеры с электродами, подключенными к источнику электрического тока с униполярными импульсами, а камера термодинамического выравнивания параметров выполнена в виде диффузора с пристыкованной цилиндрической камерой. При этом, по меньшей мере, одна проточная цилиндрическая камера и/или диффузор снабжены электромагнитными флотаторами. Задача решается также созданием устройства модификации углеводородного топлива,содержащего источник подачи исходного топлива, генератор озона, аппарат для обогащения и преобразования исходного топлива и емкость для готового продукта, которое снабжено эжектором, патрубок всасывания которого подсоединен к генератору озона, вход подсоединен к источнику подачи исходного топлива, а выход к аппарату для обогащения и преобразования исходного топлива, выполненному из последовательно соединенных двух проточных цилиндрических камер, между которыми размещен электрогидродинамический преобразователь потока, и, по меньшей мере, из двух камер термодинамического выравнивания параметров,устройства для подачи распыленной воды,фильтра и электрогидродинамического разделителя, причем электрогидродинамический разделитель соединен своими выходами с емкостью для готового продукта и с источником подачи исходного топлива. Задача решается также и тем, что первая по ходу перемещения смеси камера термодинамического выравнивания выполнена в виде диффузора с пристыкованной цилиндрической камерой, а вторая - в виде лабиринта с противотоками, при этом между этими камерами может быть установлен фильтр, соединенный своими выходами с источником подачи исходного топлива и с емкостью накопления осадка. Заявленный способ и устройства для модификации углеводородного топлива позволяют 4 модифицировать углеводородное топливо с получением высоких показателей качества. При использовании модифицированного углеводородного топлива, например моторного,резко снижаются вредные примеси выхлопных газов, такие как сера, свинец и др. Заявляемые устройства позволяют реализовать заявленный способ с обеспечением высокой степени качества получаемого топлива. При этом сами устройства являются более технологичными, чем известные, имеют более высокую надежность, так как позволяют вести процесс при более низких давлениях и температурах, и в связи с этим снижаются производственные затраты, в том числе энергозатраты. Краткое описание чертежей Изобретения иллюстрируются чертежами(фиг. 1 и 2), на которых схематично изображены два варианта устройства для модификации углеводородного топлива. На фиг. 1 изображено устройство для модификации моторного топлива. На фиг. 2 - устройство для модификации углеводородных топлив широкого ассортимента, предполагающее дополнительные использование в процессе модификации распыленной воды. Варианты осуществления изобретения Устройство для модификации моторного топлива (фиг. 1) выполнено следующим образом. Источник подачи топлива в виде емкости 1 исходного топлива и масляного насоса 2 своим выходом соединен с эжектором 3. Генератор озона 4 подсоединен к патрубку 5 всасывания эжектора 3. Аппарат для обогащения и преобразования исходного топлива выполнен из последовательно соединенных двух проточных цилиндрических камер 6, 7, между которыми размещен электрогидродинамический преобразователь потоков 8. Проточная цилиндрическая камера 6 соединена своим входом с эжектором 3. Камера термодинамического выравнивания параметров состоит из диффузора 9 и цилиндрической камеры 10, пристыкованной к диффузору 9. Выход цилиндрической камеры 10 соединен с многорядовым фильтром гранульного типа 11, выход которого соединен с камерой 12 разделения преобразованной смеси на две части,одну из которых насосом 13 направляют по трубопроводу в емкость 1 исходного топлива, а вторую - в емкость 14 готового продукта. Проточная цилиндрическая камера 7 и диффузор 9 снабжены электромагнитными флотаторами 15, предотвращающими налипание фракций смеси на их стенки. Устройство, изображенное на фиг. 1, работает следующим образом. Исходное топливо из резервуара подают в емкость 1 исходного топлива, где его подогревают в зависимости от вида состава от 50 до 80 С и с помощью масляного насоса 2 подают с заданным расходом Qp при напоре Рр на вход 5 эжектора 3, в который одновременно с помощью генератора 4 озона подают по патрубку всасывания 5 озоновоздушную или озонокислородную смесь заданного расхода Qн при напоре Рн. На выходе эжектора 3 потоки топлива и газов, вступая в химическую реакцию, преобразуются в двухфазное состояние по типу эмульсии. Для этого они подвергаются смешиванию в цилиндрических камерах 6-7. Время нахождения эмульсии определяется электродинамическим преобразователем потока 8 путем изменения интенсивности коронного разряда, приводящего в вариации по закону электронной линзы скорости истечения из одной части камеры 6 в камеру 7. Диффузор 9 и цилиндрическая камера 10 обеспечивают получение однородного по всему сечению потока эмульсии с определенной скоростью перемещения и выравнивание термодинамических параметров. При этом под действием химических реакций, трибоэлектризации и воздействия электроаэродинамических полей возникают пена и различные гидроокислы, образующие осадок. Для исключения этих составляющих эмульсия подается в многорядовый фильтр 11 гранульного типа. После фильтрации, если топливо не достигло требуемого качества, то его возвращают насосом 13 в емкость 1 исходного топлива для повторной обработки или направляют только часть его. Одновременно из фильтра удаляют пену и осадок. Готовое новое топливо собирают в емкости 14 готового продукта. Другой вариант устройства для модификации углеводородного топлива представлен на фиг. 2. Согласно этому варианту устройство дополнительно снабжено камерой 16 для подачи распыленной воды, связанной с системой 17 подачи и подогрева воды, лабиринтом 18 с противотоками, выполняющим роль второй камеры термодинамического выравнивания параметров,и электрогидродинамическим сепаратором 19,соединенным своими выходами с емкостью для готового продукта 14 и через насос 13 с емкостью 1 исходного топлива. Камера 12 дополнительно соединена своим вторым выходом с емкостью 20 сбора осадков и трубопроводом 21 с емкостью 1 исходного продукта. Повышение эффективности выделения легких углеводородов при обработке по предложенному методу произвольного исходного топлива из нефтепродуктов в отличие от вышеописанного устройства (фиг. 1) достигается тем,что в его технологическую цепочку дополнительно включен элемент, обеспечивающий тонкую очистку, обогащение и разделение эмульсии по фракциям - электрогидродинамический сепаратор 19, принцип действия которого подробно изложен в кн.Олофинский Н.Ф. Электрические методы обогащения. Москва. Недра. 1977. с.17 в. 6 Известно, что частицы среды, находящейся в газовой или распыленной фазе, поступая в электрическое поле, приобретают избыточный заряд и строго направленную траекторию движения, зависящую только от физикохимических свойств материала или усредненных компонентов рассматриваемой среды. Частицы среды, обладающие избыточным зарядом или будучи заряженными, приобретают свойства эмульсий или аэрозолей. Применение аэрозолей в процессах технологии обогащения, очистки и активации обусловлено тем, что на зарядку частиц и придания им направленного движения в электрическом поле, рабочей средой которого является газ, требуется на несколько порядков меньший расход энергии, чем для перемещения и их разделения в жидкой (вязкой) среде. Поступающая в типовой электрогидродинамический сепаратор жидкость тем или иным методом распыляется, затем подвергается классическому методу зарядки в поле коронного разряда, дальнейшей транспортировке к осадительному электроду с одновременной классификацией и разделением по массе и физикохимическим свойствам, т.е. по фракциям. В результате, применение электрогидродинамического сепаратора позволяет отделить легкие углеводороды со свойствами высококачественного моторного топлива, которое собирается в емкости 14. Тяжелые углеводороды,которые за имеющуюся экспозицию не успевают преобразоваться, направляют назад в емкость 1 исходного продукта для повторного взаимодействия, а осадок из различных гидроокислов и пены собирают в отдельной емкости 20. Экспериментально доказано, что использование электрогидродинамического сепаратора в устройстве позволяет преобразовать эмульсию, прошедшую обработку по предложенной методике, и выделить готовый продукт до 6571% от исходного. Устройство работает следующим образом. Исходное топливо заливают или постоянно подают самотеком в емкость 1 для исходного топлива, где его нагревают в зависимости от химсостава и вида топлива от 50 до 80 С и с помощью масляного насоса 2 подают с заданным расходом Qp, определяемым требуемой производительностью по готовому топливу при напоре Рр на вход эжектора 3, куда одновременно всасывается через патрубок 5 озоновоздушная или озонокислородная смесь, вырабатываемая генератором 4 озона с определенным расходом и концентрацией озона. На выходе эжектора 3 пересекающиеся потоки топлива и озоносодержащей смеси вступают в химические реакции процессов озонолиза и для полного усвоения (растворения в углеводородах) требуют определенного времени. С этой целью эти два потока закручиваются и преобразуются в двухфазное состояние, близкое 7 к эмульсии, с помощью проточных цилиндрических камер 6 и 7, а управление временем движения в них осуществляют вариацией турбулентности путем изменения интенсивности коронного разряда в типовом электрогидродинамическом преобразователе потока 8. Для уменьшения скорости перемещения эмульсии и термодинамического выравнивания параметров устройство содержит диффузор 9 и цилиндрическую камеру 10. На выходе этой камеры 10 скорость потока постоянна практически по всему сечению. В отличие от устройства, принципиальная схема которого приведена на фиг. 1, в данном устройстве (фиг. 2) в однородный поток для интенсификации процессов озонолиза и преобразования компонентов топлив в более легкие вдувают распыленную до тумана и подогретую до температуры 50-70 С воду. Смешивание однородного потока с избытком кислородосодержащих и трибозаряженных компонентов топлива с распыленной водой происходит в камере 16, а сама вода подготавливается в устройстве 17. Образованная эмульсия из камеры 16 для поддержания необходимой экспозиции по процессам озонолиза и гидрирования поступает в лабиринт 18, представляющий собой систему с встречно направленными потоками, обеспечивающими противоток эмульсии. В результате химических реакций, происходит бурное пенообразование, возникают гидроокислы металлов, переходящие в нерастворимые сульфаты, парафиты и нитриты. После лабиринта 18 эмульсия поступает в в камеру разделения 12 и через фильтр 11 многорядовый гранульного типа - в электродинамический сепаратор 19 для активации и полного разделения. Часть эмульсии, не прошедшей полный по циклу озонолиз и гидрирование, по трубопроводу 21 возвращается в емкость 1 исходного продукта. Сюда же возвращаются и тяжелые фракции после электросепарации. Получаемый готовый (новый) продукт с заданными характерными параметрами собирается в емкости 14. Рабочий объем этой емкости однозначно определяется требуемой производительностью комплекса. Объемы же цилиндрических камер смешивания, камер термодинамического выравнивания, лабиринта, фильтра и электрогидродинамического сепаратора выбирают с учетом возможной подачи воды до 25% от исходного топлива и пенообразования. Для подтверждения правильности и работоспособности предложенный способ и устройства проверялись на действующих полномасштабных моделях этих устройств, позволяющих перерабатывать 100 л исходного углеводородного топлива, а также провести обработку цело 003680 8 го ряда соединений синтетического происхождения и получаемых из различных нефтей. В устройствах (фиг. 1 и 2) подвергнуты обработке и модификации котельное топливо(мазут - КТ-4 ВЛ), прямогонное онзельное топливо ДТ с ВЛТ-4, дизельное топливо высшего качества ДГ, прямогонный бензин с температурой возгонки Тнк 90 С, авиационный керосин РД. Проведенные испытания полностью подтверждают эффективность заявленных изобретений. В результате исследования всех топлив,удается после обработки согласно изобретениям в новом продукте повысить октановое или цетановое число на 3-5 единиц, одновременно снизить массовую долю серы, полностью конвертировать меркантановую серу, в 20 раз снизить кислотность МГ КОН, поднять на 20-45% йодное число, в 100-200 раз повысить содержание спиртов, на 25-35% повысить эфирное число и на 50% поднять гидроксильное число. Положительным является тот факт, что согласно заявленным изобретениям обогащение,очистка, активации топлив могут быть произведены при нагреве исходного топлива максимально до температуры 80 С при давлении не более 0,2 МПа при внедрении озона из атмосферного воздуха и водопроводной воды до 20% на 100 л исходного, при этом, как показали многократные испытания, в готовом топливе полностью отсутствует вода. Эти же анализы показывают, что собираемый осадок содержит достаточное количество парафитов и ароматики, требующих дальнейшей утилизации и переработки. Промышленная применимость Заявляемые изобретения найдут широкое применение на предприятиях нефтяной, нефтеперерабатывающей и химической промышленности, в том числе на автозаправочных станциях. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ модификации углеводородного топлива, при котором осуществляют подачу топлива и озоносодержащего газа в проточную камеру, их перемешивание с получением двухфазной смеси и последующее преобразование смеси и выделение готового продукта, отличающийся тем, что подачу топлива осуществляют его эжекцией в проточную камеру и в зону эжекции подают озоносодержащий газ, в образованной двухфазной смеси при перемещении по проточной камере создают турбулентные потоки, а преобразованную смесь направляют в объем со стабильным уровнем давления и проводят термодинамическое выравнивание параметров смеси. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что турбулентные потоки двухфазной смеси созда 9 ют путем пропускания ее через сильное электрическое поле с униполярными импульсами тока. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед образованием турбулентных потоков создают участок, на котором потоки двухфазной смеси закручивают вокруг оси проточной камеры. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что турбулентные потоки двухфазной смеси создают в средней части проточной камеры. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что эжекцию топлива в проточную камеру осуществляют со смещением относительно ее оси. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразованную смесь фильтруют от пены,твердых включений и водных растворов гидроокислов примесей топлива, готовый продукт направляют на вход проточной камеры и процесс повторяют, по меньшей мере, 1 раз. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе термодинамического выравнивания параметров в двухфазную смесь подают распыленную воду, и полученную эмульсию подвергают термодинамическому выравниванию параметров, и проводят гидрирование и восстановление с последующим разделением на фракции углеводородов. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что после разделения эмульсии на фракции углеводородов их фильтруют, сепарируют, и очищенную обогащенную часть направляют на вход проточной камеры, и процесс повторяют, по меньшей мере, еще 1 раз. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что воду перед распылением подогревают. 10. Способ по п.8, отличающийся тем, что в двухфазную смесь подают воду, распыленную до наномикронной дисперсности. 11. Способ по п.8, отличающийся тем, что сепарацию осуществляют электродинамическим разделением. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что после электрогидродинамического разделения активированную часть смеси направляют на вход проточной камеры и процесс повторяют,по меньшей мере, еще 1 раз. 13. Устройство для модификации углеводородного топлива, содержащее источник подачи исходного топлива, генератор озона, аппарат для обогащения и преобразования исходного топлива и емкость для готового продукта, отличающееся тем, что оно снабжено эжектором,патрубок всасывания которого подсоединен к генератору озона, вход подсоединен к источнику подачи топлива, а выход - к аппарату для обогащения и преобразования исходного топлива, выполненному из последовательно соединенных двух проточных цилиндрических камер,между которыми размещен электрогидродинамический преобразователь потока, и камеры 10 термодинамического выравнивания параметров смеси. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем,что выход емкости для готового продукта соединен с источником подачи исходного топлива. 15. Устройство по п.13, отличающееся тем,что аппарат для обогащения и преобразования исходного топлива выполнен с фильтром на основе ионообменных смол. 16. Устройство по п.13, отличающееся тем,что электродинамический преобразователь потока выполнен в виде проточной камеры с электродами, подключенными к источнику электрического тока с униполярными импульсами. 17. Устройство по п.13, отличающееся тем,что камера термодинамического выравнивания параметров смеси выполнена в виде диффузора с пристыкованной цилиндрической камерой. 18. Устройство по п.13, отличающееся тем,что, по меньшей мере, одна проточная цилиндрическая камера и/или диффузор снабжены электромагнитными флотаторами. 19. Устройство для модификации углеводородного топлива, содержащее источник подачи исходного топлива, генератор озона, аппарат для обогащения и преобразования исходного топлива и емкость для готового продукта, отличающееся тем, что оно снабжено эжектором,патрубок всасывания которого подсоединен к генератору озона, вход подсоединен к источнику подачи исходного топлива, а выход - к аппарату для обогащения и преобразования исходного топлива, выполненному из последовательно соединенных двух проточных цилиндрических камер, между которыми размещен электрогидродинамический преобразователь потока, и,по меньшей мере, двух камер термодинамического выравнивания параметров, устройства для подачи распыленной воды, фильтра и электрогидродинамического разделителя. 20. Устройство по п.19, отличающееся тем,что электрогидродинамический разделитель соединен своими выходами с емкостью для готового продукта и с источником подачи исходного топлива. 21. Устройство по п.19, отличающееся тем,что электрогидродинамический преобразователь потока выполнен в виде проточной камеры с электродами, подключенными к источнику электрического тока с униполярными импульсами. 22. Устройство по п.19, отличающееся тем,что первая по ходу перемещения смеси камера термодинамического выравнивания параметров выполнена в виде диффузора с пристыкованной цилиндрической камерой. 23. Устройство по п.19, отличающееся тем,что вторая по ходу перемещения смеси камера термодинамического выравнивания параметров выполнена в виде лабиринта с противотоками. 24. Устройство по п.19, отличающееся тем,что перед электрогидродинамическим разделителем установлен фильтр, соединенный дополнительными выходами с источником подачи исходного топлива и с емкостью накопления осадка. 25. Устройство по п.19, отличающееся тем,что, по меньшей мере, одна цилиндрическая проточная камера и/или диффузор снабжены электромагнитными флотаторами.