Способ получения жидких продуктов из твердого горючего топлива

(51) С 10 1/06 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ в качестве водорододонорного растворителя используют рециркулирующую фракцию с температурой кипения выше 350 С, осуществляется за счет создания мощной ударной волны,возникающей при высоковольтном электрическом разряде в условиях кавитационного режима течения обрабатываемой среды. Сущность изобретения углемасляную пасту подают в реакционный аппарат, снабженный специальным кавитационным устройством и двумя электродами, на которые подается высоковольтное напряжение. Техническим результатом совместного использования эффектов электрогидравлического удара и гидродинамической кавитации является увеличение степени превращения угля в жидкие продукты при условиях относительно мягкого технологического режима(76) Набиев Марат Аскенович , Ермагамбет Болат Толеуханулы, Кырысанов Олег Николаевич , Хитрин Валерий Аркадьевич(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ ИЗ ТВЕРДОГО ГОРЮЧЕГО ТОПЛИВА(57) Изобретение относится к области химической технологии, и может быть использовано для получения жидких углеводородов из твердого топлива (торф, горючие сланцы, лигниты, бурые и каменные угли) и углеродистого материала промышленных отходов (отходы углеобогащения,нефтепереработки, лигнины, пластические массы,резины и др.). Гидрогенизация исходного сырья, где 21117 Изобретение относится к области химической технологии, а именно к технологии ожижения углей для получения жидких углеводородов из твердого топлива (торф, горючие сланцы, лигниты, бурые и каменные угли) и углеродистого материала промышленных отходов (отходы углеобогащения,нефтепереработки, лигнины, пластические массы,резины и др.) и может быть использовано в углехимической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности. Известные способы термохимической переработки угля - ожижения заключаются в проведении процесса гидрогенизации и крекинга с использованием различных водорододонорных растворителей и катализаторов путем нагрева под давлением. Известен, например, способ гидрогенизации угля под давлением водорода 50-100 атм с органическим растворителем и катализатором гидрирования,содержащим Мо и , при температуре 400-425 С( авт. св. 355867, кл. С 10 1/06). Известен способ ожижения угля в присутствии атомарного водорода,образующегося при воздействии ультразвука на молекулярный водород( патент 58-35247, кл. С 10 1/06). Известен способ превращения угля в жидкие продукты путем смешивания угля с растворителем,являющимся смесью термически стабильных гидроароматических углеводородов,при повышенном давлении и температуре ( патент 4081351, кл. 208-8,1978). Известен способ термомеханического крекинга и гидрогенизации угля, который требует высокой температуры и высокого давления для его осуществления ( патент 4250015, 1981). Кроме того известен способ ожижения угля в присутствии атомарного водорода, индуцированного ИК-излучением ( .,., Т.,Т.,., Нихон Кагаку Кайси, . , .. . 1984.10, .1648-1655). Температура процесса 130-250 С, давление 133 Па. При этом скорость образования жидких органических соединений возрастала в 1000 раз, существенно уменьшалось содержание в них серы и кислорода. Основными недостатками этих известных способов являются многостадийность, длительность технологии,связанная с использованием специфических катализаторов, необходимостью применения высоких температур и давления. Использование ИК-излучения, а также ультразвука для непосредственного получения атомарного водорода из молекулярного является весьма энергоемким. Указанные факторы значительно повышают себестоимость получаемых продуктов,усложняют технологию процесса. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ получения жидких углеводородов из твердого топлива путем термомеханического крекинга и гидрогенизации, заключающийся в том,что термомеханический крекинг и гидрогенизацию осуществляют в условиях нестационарного течения 2- в реакционных роторных аппаратах с модуляцией(прерыванием) потока обрабатываемой среды двухфазной системы исходное сырье водорододонорный растворитель, при этом в качестве водорододонорного растворителя используют воду и смесь фракций с пределом кипения 35-110 С с рециркулирующим остатком после фракционирования с температурой застывания 20 С, имеющим пределы кипения 450600 С ( патент 2203924, кл. 101/06, 2003). К недостаткам этого способа относятся значительные энергозатраты(использование роторного реактора) и не достаточно высокий выход требуемых фракций продуктов ожижения (выход жидких углеводородных продуктов средних фракций 160-400 С составляет 22 от исходной массы угля). Техническим результатом изобретения является повышение эффективности гидрогенизации угля. Предложен способ, в котором жидкие углеводороды получают путем гидрогенизации угля,осуществляющейся при воздействии на углемасляную пасту высоковольтным электрическим разрядом (электрогидравлический эффект) в условиях кавитационного режима течения обрабатываемой среды в адиабатическом реакторе. В качестве водорододонорного растворителя используют рециркулирующий остаток после фракционирования кипящей выше 350 С. Основными действующими факторами электрогидравлического эффекта являются высокие и сверхвысокие импульсные гидравлические давления, приводящие к появлению ударных волн со звуковой и сверхзвуковой скоростями инфра- и ультразвуковые излучения,мощные электромагнитные поля (десятки тысяч эрстед),интенсивные импульсные световые, тепловые,ультрафиолетовые и рентгеновские излучения,мощные импульсно возникающие кавитационные процессы и т.д. Кавитационные эффекты возникают в связи со значительным понижением давления в жидкой среде до некоторого критического значения р(приблизительно равного давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре),приводящим к образованию парогазовых пузырьков микроскопических размеров, которые попадая в область повышенного давления, практически мгновенно схлопываются(менее чем за 1 мкс) кумулятивными струйками в точки, приводящие к ударным волнам давления (до нескольких тысяч атмосфер) и температуры (10001500 С). Таким образом,эффекты электрогидравлического удара и кавитации являются сложными нестационарными электро- и гидромеханическими процессами,сопровождаемыми сильными возмущениями, которые могут мгновенно находить отклик в системе, например, в виде разрыва межмолекулярных и межатомных (валентных) связей в органической массе топлива. Поэтому такие вторичные эффекты можно успешно использовать в реакции гидрогенизации угля. 21117 Отличительной особенностью работы адиабатического реактора (реакционного аппарата) с электроразрядной приставкой является то, что перед началом электроимпульсного воздействия углемасляная паста проходит через кавитационное устройство (в виде трубки Вентури или сопла Лаваля). Это приводит к образованию большого количества кавитационных пузырьков, тем самым создавая благоприятные условия для более эффективного использования электрогидравлического эффекта, так как амплитуда образующейся в таких условиях ударной волны превышает амплитуду инициирующей ударной волны. Другими словами, сила ударной волны в смеси жидкая средакавит. пузырьки становится больше, чем в чистой жидкости при одних и тех же параметрах электрического разряда. Появление большой амплитуды ударной волны и высокоскоростных кумулятивных микроструек жидкости при схлопывании пузырьков - это основные факторы приводящие к увеличению эффективности гидрогенизации угля. Особенности технологии позволяют с высокой мощностью (и с кумулятивным эффектом) воздействовать на объект. Основные процессы происходят в адиабатическом режиме, в очень короткий промежуток времени. Условно процесс можно описать следующим образом- деструкция и деполимеризация высокомолекулярных структур,образование свободных радикалов с высокой реакционной способностью,которые в силу своей природы способны вступать в реакции инициирования с молекулами других углеводородов, водородом или с другими радикалами,образовавшимися в результате жесткого комплексного воздействия- насыщение кратных связей структур водородом аналогично процессу каталитического крекинга под давлением водорода, одновременно происходят процессы изомеризации,алкилирования,автодеструктивного алкилирования и т.п.,преобладает реакция гидрирования. Технология позволяет осуществлять процессы,аналогичные процессам температурного и каталитического крекинга, но при этом с гораздо меньшими удельными энергозатратами, и в более мягком технологическом режиме (по критериям температуры и давления), удельные энергозатраты составляют в зависимости от технологической задачи 30-80 кВт/ч/т. Сущность способа поясняется фиг. следующим образом. Предварительно измельченный уголь по линии 1 вместе с рециркулирующей тяжелой фракцией кипящей выше 350 С по линии 18 подают в струйный смеситель 2. Приготовленную углемасляную пасту по линии 3 подают в нагревательную печь 4, в которой суспензию нагревают до Т 300 С. Затем по линии 5 через насос 6 и по линии 7 направляют в реакционный аппарат 8 на процесс гидрогенизации, одновременно по линии 9 подается водород под давлением 10 атм. Твердые частицы, включая золу, по линии 10 поступают в накопитель (не показано). Продукты реакции по линии 11 подают в сепаратор 12, в котором отделяют твердые частицы, включая золу,отводимые в накопитель по линии 13. Далее,очищенные продукты реакции по линии 14 отводят в ректификационную колонну 15, из которой по линии 16 отводят - бензиновую фракцию, кипящую до 180 С, по линии 17 - дизельную фракцию с температурой кипения 180-350 С и по линии 18 фракцию, кипящую выше 350 С, затвердевающую при 35 С, часть которой подают в смеситель 2. Пример 1. Переработке подвергают уголь,имеющий следующий состав 7,121,70,5340,774,515,43. Вместе с рециркулирующей фракцией с т. кип выше 350 С диспергируют в струйном смесителе. Затем полученную углемасляную пасту(с ультрадисперсными частицами) нагревают в печи до 300 С и направляют через насос в реакционный аппарат (снабженный кавитационным устройством и электродами), в котором процесс гидрогенизации угольной пасты протекает под воздействием высоковольтного электрического разряда(мощностью до 10 кВт/см 2) с одновременным введением в реактор водорода под давлением 10 атм. В результате жесткого комплексного воздействия в течение 8-10 минут происходит деструкция молекул угля и молекул газа с образованием продуктов, содержащих светлые фракции бензина и дизельного топлива с низким молекулярным весом. Далее продукты проходят через сепаратор, где твердый шлам отделяется от жидких и газообразных продуктов. Жидкие продукты подаются в ректификационную колонну,где происходит их разделение на бензиновые,дизельные фракции и тяжелые фракции. Степень превращения органической массы угля (ОМУ) составляет 96-98. Выход бензина - 37,дизельного топлива - 42. В результате периодического действия мощной ударной волны, образующейся при электрическом разряде в углемасляной пасте, могут разрушаться свободные высокомолекулярные нитевидные молекулы линейного и разветвленного строения и алкилароматические углеводороды с длинными боковыми цепочками. Разрушение происходит за счет сильного гидродинамического воздействия струй жидкости и температуры в паровых полостях. Разрыв молекул происходит в местах, где энергия связи меньше действующей на нее силы. Таким местом в молекуле алкана является связь СС находящаяся ближе к центру и связь боковой цепочки алкилароматических углеводородов. В результате такого разрыва в реакторе образуются свободные радикалы различной молекулярной массы и различного химического строения. При взаимодействии друг с другом и активированным водородом свободные радикалы способны образовывать новые углеводороды. Указанные факторы резко интенсифицируют процесс быстрого превращения ОМУ в жидкие продукты,обогащенные водородом. 3 21117 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ получения жидких продуктов из твердого горючего топлива путем гидрогенизации,отличающийся тем,что гидрогенизацию осуществляют в условиях кавитационного режима течения обрабатываемой среды - в реакционном аппарате, в котором осуществляют воздействие на углемасляную пасту электрогидравлическим ударом, при этом в качестве водорододонорного растворителя используют рециркулирующую фракцию с температурой кипения выше 350 С.