Разложение тяжелых углеводородов в свободной электрической дуге

В данной работе предлагается организация электрической дуги непосредственно в среде тяжелых углеводородов. Экспериментальная установка представляет собой вакуумную камеру, изготовленную из нержавеющей стали с водоохлаждаемыми стенками. В камере предусмотрены устройства для регулирования расстояния между электродами, устройства для напуска и откачки газа, токовводы. В полостях стенок камеры протекает вода из водопроводной системы. Водоохлаждаемые дверцы камеры снабжены окошками для визуального контроля за ходом эксперимента. Был использован источник постоянного тока с выходным напряжением до 50 В и с регулируемой величиной выпрямленного тока в пределах от 60 до 300 А. В качестве электродов были использованы угольные электроды, вмонтированные в специальные устройства. Мазут наливался в специальную керамическую чашку, в которой вмонтирован угольный анод. Катод и анод утоплены в мазуте. Для удаления воздуха из камеры в течение определенного времени ее продували аргоном. Состав буферного газа на результат не влияет, здесь важно лишь отсутствие кислорода, так как при наличии кислорода выделившиеся газы и пары бензина взрываются.

Для поджига дуги надо создать контакт между электродами и затем электроды следует отвести на определенное расстояние. Между электродами зажигается электродуговой разряд. Высокая температура электрической дуги создает давление, которое поддерживает внутри мазута плазменную область. Края этой области соприкасаются непосредственно с мазутом. За счет высокой температуры высококипящие фракции тяжелых углеводородов оказываются в области плазмы и под действием быстрых электронов и высокоэнергетичных ионов разбиваются на мелкие фракции. Образовавшиеся газы и пары углеводородов под давлением вырываются из-под мазута в камеру, а на их место подходят другие. По мере разложения тяжелых углеводородов и образования легких фракций в камере создается избыточное давление, и газ начинает выходить через специальный патрубок. Через некоторое время выделившиеся газы и пары можно собирать в тары.

Проанализируем явления, которые происходят в электрической дуге, утопленной в мазуте. Температура свободной электрической дуги с угольными электродами при токах до 100 А не превышает 6000 К. При этом теплоотвод от дуги осуществляется за счет естественной конвекции. Однако при столь высоких температурах происходит диссоциация молекул на составные элементы, которая требует большие энерговложения, поэтому реальная температура окажется значительно ниже. В электрической дуге, утопленной в мазуте, устанавливается давление, которое соответствует глубине погружения дуги. Так как глубина мазута всего несколько сантиметров, то и давление окажется порядка атмосферного. При таких условиях отличие электрической дуги в мазуте от свободной дуги будет заключаться в следующем. Электродуговой канал будет заполняться газами и парами углеводородов самых разнообразных фракций. Та часть мазута, которая непосредственно контактирует с дугой, будет находиться в состоянии кипения, поставляя в область разряда разнообразные нефтяные фракции. Поверхностное кипение и сравнительно низкая теплопроводность мазута предотвращают перегрев основной массы мазута и его коксование. Молекулы углеводородов, оказавшись в области электрического разряда, будут атакованы быстрыми электронами и ионами разряда, а также возбужденными атомами и молекулами углеводородных газов. В результате большая часть длинных углеводородов будут разложены на более мелкие фракции. Из-за воздействия Архимедовой силы и высокой температуры образовавшиеся газы и пары углеводородов быстро покидают область разряда, уступая место потоку новых углеводородов. Пары углеводородов, среди которых в большом количестве содержатся бензиновые и другие легкие фракции, растворяются в мазуте, постепенно превращая его снова в нефть. Газообразные фракции также частично поглощаются в мазуте, но их большая часть вырывается наружу. После сбора этот газ имеет белый цвет, он тяжелее воздуха, несмотря на то, что в его составе содержится и метан, и водород, и ацетилен.

Мощность электрической дуги, которая выделяется в разряде, идет на нагревание мазута, на нагревание газа, на теплоту парообразования, на разложение тяжелых углеводородов, а также на нагревание камеры, поэтому уравнение теплового баланса может быть записано следующим образом

IUt = c 1 m 1 ∆T 1 + c 2 m 2 ∆T 2 +

+ c 3 m 3 ∆T 3 + λm 4 + μm 5 . (1)

где с 1 , с 2 , с 3 – теплоемкости мазута, газа, камеры соответственно, m 1 , m 2 , m 3 – массы мазута, газа, камеры соответственно, ∆T 1 – приращение температуры мазута, ∆T 2 – приращение температуры углеводородного газа, ∆T 3 – приращение температуры камеры, λ – удельная теплота парообразования углеводородов, m 4 – масса испарившихся углеводородов, μ – удельная теплота диссоциации углеводородов, m 5 – масса диссоциированных углеводородов.

Расчеты по формуле (1) затруднены, так как не удается точно определить ни массу диссоциированных углеводородов, ни температуру мазута. Дело в том, что ввиду малой теплопроводности мазута и высокой удельной мощности электрической дуги термодинамические процессы в мазуте будут неравновесными. Поэтому в первом приближении в начальной стадии процесса (во временах менее 1 с) можно принять, что вся подведенная теплота к внутренней поверхности мазута в электродуговой трубке идет на испарение молекул мазута. Тогда энергия электрической дуги пойдет на нагревание газа, диссоциацию углеводородов и испарение молекул мазута. Уравнение (1) примет вид:

IUt = c 2 m 2 ∆T 2 + λm 4 + μm 5 . (2)

Принимая температуру кипения тяжелых углеводородов 1070 К и то, что весь испарившийся газ нагревается и диссоциирует (т.е. m 2 = m 4 = m 5 ), можно оценить массу диссоциированных углеводородов за 1 с.

Преимуществом данного способа углубленной переработки нефти является высокая эффективность перед другими плазмохимическими способами. Эффективность использования электрической энергии достигает 100%, так как даже охлаждение электродов электрической дуги происходит в самом мазуте.

Нагревание мазута обеспечивает быструю сменяемость углеводородов в области разряда. Другое преимущество заключается в отделении серы от мазута. Во время работы на электродах происходит образование коксовых отложений. Эти отложения были подвергнуты тщательному и многостороннему анализу. Исследование кокса производилось на масспекто-графе 800HS2. Ниже представлены условия проведения и результаты анализа.

Instrument: 800HS2 Atmosphere: air Collimator:

• 3    (mm) Spin: off

  Analyte	TG	kV	uA	FI	Acq.(keV)	Anal. (keV)	Time (sec)	DT(%)
  Ti-U	Rh	50	70-Auto	-	0-40	0.00-40.00	Live-99	39
  Na-Sc	Rh	15	1000-Auto	-	0-20	0.00-4.40	Live-100	24

Качественные Результаты Peak List

Количественные результаты

По результатам видно, что твердые ос- 3 ^. татки состоят из серы (до 80,5%), ванадия (до 9,4%), железа (7.6%) и меди (2,5%). Следует отметить, что в экспериментах были использо- ₄ ваны угольные электроды, поэтому появление ^. меди и железа в твердых остатках разложения мазута связано их наличием в составе мазута. Высокий процент содержания ванадия в коксовых остатках переработки мазута позволяет ^5. использовать данный метод для его извлечения в качестве целевого продукта.