способ термического обезвоживания мазута

Формула изобретения

Способ термического обезвоживания мазута путем нагрева обводненного мазута с последующим испарением влаги, отличающийся тем, что осуществляют локальный нагрев мазута с помощью установленного в нижней части резервуара нагревателя с температурой поверхности 150 - 190^oC в течение времени до достижения заданного содержания воды в мазуте, причем отношение поверхности нагревателя к массе мазута составляет 0,2 - 0,4 м²/т.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей промышленности и может быть использовано при обезвоживании мазута и переработке обводненных мазутных шламов в топливный мазут.

Известно обезвоживание мазута путем отстаивания воды при нагреве мазута до 70 - 90^oC. Отстой производят при выключенных нагревателях, так как включенные подогреватели вызывают конвекционные потоки жидкостей и затрудняют отстой (Правила технической эксплуатации нефтебаз, М, недра, 1986)

Недостатки этого способа следующие.

1. При плотности мазута 0,99 - 1,01 г/см³, близкой к плотности воды (1,0 г/см³), метод неприемлем, так как скорость седиментации (v) частиц воды, согласно уравнению Стокса уменьшается до нулевого значения.

где r - радиус частиц воды;

D₁ - плотность воды;

D₂ - плотность мазута;

g - ускорение силы тяжести;

- вязкость мазута.

2. Мазут содержит от 8,12 до 16,6% смол, от 0,94 до 14,5% асфальтенов, от 0,03 до 1,32% карбенов и карбоидов, а также парафиновые, нафтеновые, ароматические углеводы и другие соединения. В результате взаимодействия молекул некоторых органических соединений с водой происходит гидратация, образование кристаллогидратов. Образуются также коллоидные системы - мицеллы, сорбционно связывающие на своей поверхности воду.

Связанная вода приобретает свойства отличные от свободной воды. Известно, например, что кристаллогидрат сульфата меди CuSO₄ 5H₂O - медный купорос, полностью обезвоживается выше 258^oC. (Краткая химическая энциклопедия, М., Сов. энциклопедия, 1963).

Из гидратированного мазута путем отстаивания воду удалить невозможно.

3. При длительном хранении обводненного мазута развиваются колонии микроорганизмов. Развитие микроорганизмов способствует эмульгированию топлив, образованию слизи. Это приводит к стабилизации дисперсной системы вода-мазут и затруднениям при отделении воды от мазута методом отстаивания.

В связи с этим мазутные шламы, содержащие до 50% и более воды, чрезвычайно трудно отделить от воды и чаще всего для уничтожения их сжигают в специальных печах (И.Г. Фукс и др. Энциклопедические проблемы рационального использования смазочных материалов", М., Нефть и газ, 1993 г; П.В. Чулков, И. П. Чулков, Краткий словарь-справочник по нефтепродуктам, М, Политехника, 1997 г.; П.В. Чулков, И.П. Чулков, Топлива и смазочные материалы: ассортимент, качество, применение, экономика, экология, М., "Политехника", 1995 г.).

Известен способ термического обезвоживания нефтепродуктов, например, битума, нагреванием исходного битума до текучего состояния при перемешивании смеси исходного и обезвоженного битумов при 100 - 150^oC. Этот способ трудоемок, так как необходимо перемешивать смесь битумов с добавкой поверхностно-активного вещества с использованием специальных мешалок при температуре 100 - 150^oC. (Авторское свид. СССР 1747467, 1990 г.).

Температура вспышки у битума находится на уровне 220 - 240^oC поэтому можно греть весь объем битума при такой температуре, но нельзя применить этот способ для обезвоживания такого нефтепродукта, как мазут, температура вспышки которого в открытом тигле не ниже около 110^oC (П.В. Чулков, И.П. Чулков, Краткий словарь-справочник по нефтепродуктам, М., Политехника, 1997 г. ).

Целью изобретения является разработка такого способа обезвоживания мазута и мазутных обводненных шламов длительного хранения, который можно реализовать на нефтебазах и нефтеперерабатывающих заводах, с использованием существующих резервуаров и оборудования.

Данная задача достигается тем, что в емкость с обводненным мазутом помещают нагреватели с температурой поверхности стенки 150 - 190^oC.

За счет местного нагрева мазута до температуры нагревателей (150 - 190^oC) разрушаются кристаллогидраты и мицеллы на составляющие - воду и органические соединения. Для перемешивания мазута нет необходимости в мешалках - он перемешивается конвективным потоком нагретого мазута за счет нагревателей, а также выделяющимися парами воды. Пары воды удаляются из мазута в результате испарения. Одновременно, при наличии, гибнут колонии микроорганизмов - мазут пастеризуется.

Температура вспышки топочного мазута М100 в открытом тигле не ниже 110^oC. Для избежания воспламенения паров мазута от внешнего воздействия, например искры, необходимо чтобы температура мазута на поверхности была меньше 110^oC.

С другой стороны, для удаления связанной воды из обводненного мазута его необходимо нагреть до 150 - 190^oC, в зависимости от требования по конечному содержанию воды в мазуте. Указанное выше противоречие решается за счет размещения в донной части резервуара трубчатых нагревателей с температурой поверхности 150 - 190^oC.

Отношение поверхности нагревателя к массе мазута определяется исходя из следующего:

- средняя температура мазута во время термического обезвоживания должна быть в пределах 100 - 110^oC, что обеспечивает из условий безопасности процесса выкипание воды при температуре ниже температуры вспышки мазута;

- нагрев мазута до температуры 100 - 110^oC не должен быть длительным;

По результатам исследований выбрана оптимальная скорость нагрева мазута до 100^oC, равная 8 - 16 градусов в час.

Исходя из обеспечения этих условий экспериментально установлено отношение поверхности нагревателя к массе мазута в теплоизолированном горизонтальном резервуаре объемом 60 м³. Это отношение равно 0,2 - 0,4 м² нагревателя на 1 тонну мазута при заполнении резервуара на 70% от общего объема резервуара.

Осуществляется способ следующим образом. Для обезвоживания мазута используют вертикальные и горизонтальные резервуары, предназначенные для хранения нефтепродуктов, и обогреваемые в нижней части нагревателями, например трубчатыми, с температурой поверхности 150 - 190^oC. Резервуар заполняется обводненным мазутом.

После включения обогрева средняя температура мазута в резервуаре поднимается до 105 - 108^oC. Местная температура мазута в локальной зоне соприкосновения его с нагревателем поднимается вплоть до 150 - 190^oC. Нагрев обводненного мазута ведут до тех пор, пока содержание воды не уменьшится для топочных мазутов до величины не более 5% или до выбранного заранее значения. Указанным способом топочный мазут и обводненные мазутные шламы обезвоживаются вплоть до 2% и менее.

Количество испаряемой воды за один час (М) можно оценить по следующей формуле:



где m - масса обводненного мазута, кг;

c - теплоемкость обводненного мазута, ккал/кг-град.;

t₁ - температура в начале нагрева, град.;

t₂ - температура обводненного мазута близкая к температуре кипения воды, ^oC (например 95^oC);

- время нагрева обводненного мазута от температуры t₁ до t₂, час;

Q_исп. - теплота испарения воды, ккал/кг.

Для определения температуры, до которой следует нагревать обезвоженный мазут, чтобы удалить воду, проводились следующие эксперименты.

Литровый химический стакан, содержащий 300 мл обезвоженного мазута и термометр для измерения температуры жидкости ставили на электроплитку ЭЛГА-1 и снимали кривую зависимости температуры (T) мазута от времени () при его постоянном нагреве. Темп нагрева во время экспериментов не изменяли. На рисунке 1 дана зависимость T () для двух видов мазута - обводненного мазутного шлама длительного хранения (более 5 лет) содержащего 50% воды, не отделяющейся методом отстаивания, и мазута, содержащего 2% воды.

Из фиг. 1 видно, что мазут, содержащий в начале эксперимента 50% воды за 5 минут нагревается до 100^oC, за 20 минут - до 120^oC, а при дальнейшем нагрева вплоть до 110 мин. температура находится в пределах 125 - 130^oC ( = 30-110 мин.) . Содержание воды в мазуте через 110 мин было равно 28%.

При включении подогрева мазут, содержащий 2% воды, нагревается с меньшей скоростью чем обводненный мазут содержащий 50% воды (фиг. 1). Через 30 мин кривая T () выходит на участок независимости T () вплоть до 40 мин. Участок независимости T () наблюдается и при температуре 170^oC в течение 6 мин. Мазут нагревали до 180^oC. При нагреве мазута было слышно потрескивание, при этом на поверхности выделялись газовые пузыри. Началось потрескивание при T = 40^oC с интервалом около 1 мин, а при 95^oC треск слышится через каждую секунду, при 175^oC потрескивание редкое, а при 180^oC потрескивание исчезло.

Потрескивание с выделением пузырьков на поверхности наблюдалось и при нагреве обводненного мазута с 50% воды. На 110 минуте был значительный выброс мазута из стакана - около 5 грамм.

Для полного удаления воды из мазута его необходимо локально нагревать до температуры не менее 180^oC. При использовании трубчатых паронагревателей температура пара должна быть на уровне 190^oC для обеспечения гарантированного локального нагрева мазута до 180^oC.

Нагреватели в резервуарах желательно использовать трубчатые. Они могут обогреваться паром, высокотемпературным носителем, электрическими нагревателями.

Предлагаемый способ термического обезвоживания мазута реализован на Московской нефтебазе.

Способ позволил обезводить 200 тонн обводного мазутного шлама, содержащего 50% воды. Шлам представлял собой однородную желеобразную массу. Попытки обезводить мазутный шлам методом отстаивания результатов не дали - вода не удалялась.

Использовался теплоизолированный горизонтальный резервуар объемом 60 м³, обогреваемый паровыми трубчатыми нагревателями с температурой насыщения водяного пара 170 - 180^oC. В одном из опытов в резервуар закачали 46 тонн мазутного шлама. Время обработки шлама было трое суток. Температура мазута на поверхности во время обезвоживания не превышала 108^oC (фиг. 2). За 72 часа удалено 22400 кг воды - за один час 244 кг воды. Содержание воды в полученном мазуте по результатам анализа было доведено до 5%.

Заявленный способ может быть промышленно применим на нефтебазах, нефтеперерабатывающих заводах, теплоэлектростанциях, работающих на мазутном топливе и других объектах, где используется мазут.