声空化协同供氢剂的重油改质系统与方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种声空化重油改质系统及方法，更具体的说是一种声空化协同供氢剂的重油改质系统与方法。
背景技术
[0002]
能源是关乎国计民生的命脉，进入21世纪以来，
原油供应的重质化、劣质化(高硫、高酸、高金属含量、高残炭等)已是一个不争的事实，重油主要包括稠油、油砂等天然重质原油和原油加工过程中产生的渣油，据统计，全球范围内的重质原油储量约占石油总储量的70％，渣油产量更是高达原油加工量的50％左右。此外，清洁车用
燃料和低
碳烯
烃的需求日益增加，环保要求更加严厉，上述因素都使得石油加工行业面临着极大的压
力和挑战。重油中的胶质、
沥青质含量高，导致重油
粘度大，给运输、加工带来一定难度，同时重油中
汽油、柴油馏分含量少，需要通过其他方式才能获得成品油产品，因此重油炼化加工困难。现有的重油炼化工艺主要包括以延迟焦化为代表的
脱碳工艺和以加氢裂化为代表的加氢工艺，但是都不同程度地存在裂解不完全、油浆严重缩合、催化剂使用量大、催化剂中毒等问题，因此通过重油改质为后续加工提供优质原材料是提高重油加工利用率的重要手段。
[0003] 被美国工业界誉为“工业味素”的功率超声技术与检测超声、医疗超声并称为
超声波应用的三驾
马车，其主要利用
超声波场在周围介质中所产生的强烈空化、热、机械等效应，改变介质的物理、化学属性。目前，功率超声技术已经在原油降粘、油砂分离、原油破乳脱盐、柴油
氧化
脱硫、油品调和等石油化工领域得到一定应用。公开发布的研究成果表明，当大功率超声波作用于重油时，超声空化产生的瞬时高温、高压和强力微射流可使部分化学键发生断裂，形成大量自由基，但两个长链上的自由基极易结合在一起，形成一个分子链更长的大分子，导致其重质成分更重、更易生焦，为此需利用能够在常温常压下提供活泼氢的供氢剂对长链分子上的自由基缩合反应进行抑制。
[0004] 供氢的概念最初由Exxon公司于上世纪七十年代提出，主要目的是克服常规
煤液化时大分子
芳香性自由基相互缩合导致转化率过低的问题。供氢的本质是氢转移反应，即在煤液化过程中添加一类物质，它们可以在反应过程中释放出活泼氢自由基，捕获煤裂化生成的大分子芳香性自由基，阻滞它们之间的缩合，进而提高煤的液化转化率。重油在热加工过程中同样存在因为大分子缩合生焦导致转化率过低的现象，出现的问题与煤液化过程类似。因此研究人员尝试了供氢剂在重油加工中应用的可能性，结果发现，供氢剂的特性在重油热加工过程中同样适用，一系列的新工艺过程得到成功开发。
发明内容
[0005] 本发明主要解决的技术问题是提供一种声空化协同供氢剂的重油改质系统与方法，能够有效提高重油轻质成分含量、改善重油流动性，解决由重油轻质组分含量低、粘度大所导致的集输和转运难度大、重油炼化加工轻质油产率低等问题。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明一种声空化协同供氢剂的重油改质系统由供氢剂供给单元、混合单元和多个声空化处理单元组成，供氢剂供给单元提供供氢剂并连接在混合单元的输入端，混合单元混合重油与供氢剂，混合单元的输出端连接着声空化处理单元，声空化处理单元对重油进行改质，多个声空化处理单元相互之间
串联或并联或串并联混合连接。
[0007] 所述的供氢剂供给单元包括供氢剂储罐、供氢剂供给
泵、供氢剂调节
阀、供氢剂流量表和供氢剂注入器，供氢剂供给泵连接在供氢剂储罐的出口，供氢剂调节阀连接在供氢剂供给泵的出口，供氢剂调节阀的输出端通过管道连接在供氢剂注入器的输入端上，供氢剂注入器的输入端还连接有重油管线，供氢剂流量表安装在连接供氢剂调节阀和供氢剂注入器的管道上。
[0008] 所述的混合单元包括混合器和变径接头Ⅰ，混合器的输入端连接着供氢剂注入器的输出端，混合器的输出端连接着变径接头Ⅰ的小径端，变径接头Ⅰ的大径端与声空化处理单元的输入端相连。
[0009] 所述的声空化处理单元包括
超声波换能器、处理容器和超声波电源及控制单元，超声波换能器位于处理容器内，超声波电源及控制单元控制超声波换能器的工作状态并通过
导线与超声波换能器连接。
[0010] 作为本发明的进一步优化，本发明一种声空化协同供氢剂的重油改质系统所述的声空化处理单元还包括多个
支撑架，支撑架安装在处理容器内，并且超声波换能器套在支撑架上。
[0011] 作为本发明的进一步优化，本发明一种声空化协同供氢剂的重油改质系统所述的支撑架上设有多个
螺纹孔，处理容器与支撑架之间通过
螺栓连接，或支撑架通过
焊接连接在处理容器内。
[0012] 作为本发明的进一步优化，本发明一种声空化协同供氢剂的重油改质系统所述的声空化处理单元还包括设有
外螺纹的导线隔离套，导线隔离套内部设有通孔，导线隔离套的一端
螺纹连接在超声波换能器上，导线隔离套的另一端螺纹连接在处理容器上，导线一端连接在超声波换能器上，另一端穿过导线隔离套内部的通孔连接超声波电源及控制单元。
[0013] 采用
权利要求上述的一种声空化协同供氢剂的重油改质系统进行重油改质的方法，其特征在于，所述重油改质的方法包括：
[0014] 步骤一：根据重油的组分分析结果及其物理、化学特性，在20-100℃的重油中加入适量的供氢剂，在封闭处理容器内利用超声波换能器对重油、供氢剂的
混合液进行空化处理，超声波
频率为15-150kHz，声强为50-300W/cm2，处理时间为5-60min；
[0015] 步骤二：对处理后的重油进行粘度检测、组分分析、沸点蒸馏测试、炼化产品分析，评价声空化协同供氢剂的重油改质效果，获得声空化协同供氢剂重油改质效果最佳时的供氢剂种类、供氢剂
质量百分比、超声波频率、声强、声空化处理时间、处理
温度。
[0016] 作为本发明的进一步优化，本发明一种重油改质的方法所述的重油是重质原油、稠油、渣油、老化油或
轻质原油中的一种。
[0017] 作为本发明的进一步优化，本发明一种重油改质的方法所述的供氢剂是重油在炼化过程中生成的300℃-500℃馏分，用量为重油质量的10％-20％；或所述的供氢剂是模型化合物四氢
萘、二氢蒽、十氢萘和二氢菲中的一种或几种，所述的模型化合物供氢剂用量为重油质量的1％-5％；或所述的供氢剂是含氢化合物
水、氢气或甲烷，所述的含氢化合物供氢剂用量为重油质量的10％-25％。
[0018] 本发明声空化协同供氢剂的重油改质系统与方法的有益效果为：
[0019] 1.能够有效提高重油的轻质成分含量、改善重油流动性，解决由重油轻质组分含量低、粘度大所导致的重油炼化过程中轻质油转换率低、转运难度大等问题，也能够降低其它原油或油水混合物的粘度，解决石油开采和集输过程中管线结蜡、输油能耗高等问题。
[0020] 2.本发明中使用的超声功率较大，能够有效提高处理效率并提升处理效果。
[0021] 3.本设备采用大管径反应容器，同时使用多个反应单元增加了超声处理时间，能够有效提升改质效果。
[0022] 4.通过声空化处理单元的入口或出口连接变径接头Ⅰ，从而增加重油在处理容器内的
停留时间，从而延长了超声处理时间，能够有效提升改质效果。
[0023] 5.本发明中采用密封注入供氢剂的方式，避免了供氢剂与氧气
接触出现氧化甚至爆炸。
[0024] 6.本发明将混合单元与声空化反应单元结合在一起，不需要分别搭建设备。
[0025] 7.本发明中设置有导线隔离套，可以有效防止导线接触重油，引起
短路，甚至爆炸。
[0026] 8.本发明可以进行连续工作，工作效率高。
附图说明
[0027] 下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
[0028] 图1为本发明声空化协同供氢剂的重油改质系统的结构示意图。
[0029] 图2为图1中的局部示意图。
[0030] 图3为图2中A向示意图。
[0031] 图中：供氢剂储罐1；供氢剂供给泵2；供氢剂调节阀3；供氢剂流量表4；供氢剂注入器5；混合器6；变径接头Ⅰ7；超声波换能器8；处理容器9；超声波电源及控制单元10；支撑架11；导线隔离套12。
具体实施方式
[0032] 下面结合图1、2、3说明本实施方式，本发明一种声空化协同供氢剂的重油改质系统与方法，能够有效提高重油轻质成分含量、改善重油流动性，解决由重油轻质组分含量低、粘度大所导致的重油炼化过程中轻质油转换率低、转运难度大等问题。
[0033] 该声空化协同供氢剂的重油改质系统由供氢剂供给单元、混合单元和多个声空化处理单元组成，供氢剂供给单元提供供氢剂并连接在混合单元的输入端，供氢剂供给单元输出的供氢剂随着重油一起进入混合单元。混合单元混合重油与供氢剂，混合单元的输出端连接着声空化处理单元，混合单元将重油和供氢剂充分混合均匀并将混合均匀后的重油和供氢剂混合液体输入声空化处理单元。声空化处理单元对重油进行改质，通过超声波的声空化协同供氢剂提高重油轻质成分含量、改善重油流动性。多个声空化处理单元相互之间串联或并联或串并联混合连接，多个声空化处理单元可以通过油管连接贯通，重油和供氢剂混合液沿着管道流通的过程中便被声空化协同供氢剂进行改质。
[0034] 本发明一种声空化协同供氢剂的重油改质系统所述的供氢剂供给单元包括供氢剂储罐1、供氢剂供给泵2、供氢剂调节阀3、供氢剂流量表4和供氢剂注入器5。供氢剂储罐1用于储存供氢剂，避免供氢剂暴露在空气中出现氧化变质，可以直接购买现有的供氢剂储罐。供氢剂供给泵2通过螺纹连接或焊接等连接方式连接在供氢剂储罐1的出口，供氢剂供给泵2用于将供氢剂储罐1中的供氢剂抽出并送入混合单元。缺少供氢剂供给泵2的作用，供氢剂储罐1中的压力可能不足以使得供氢剂顺畅流动。供氢剂供给泵2需要能够运输高粘度液体，选择使用泊头市大红泵业制造有限公司的NYP-100型供给泵。供氢剂调节阀3通过螺纹连接或焊接等连接方式连接在供氢剂供给泵2的出口，供氢剂调节阀3的输出端通过管道连接在供氢剂注入器5的输入端上，供氢剂调节阀3用于调控供氢剂的流量。供氢剂调节阀3选择调压
球阀，可直接购买。供氢剂注入器5的输入端还连接有重油管线，供氢剂流量表4安装在连接供氢剂调节阀3和供氢剂注入器5的管道上。供氢剂流量表4选择江苏常州市成丰仪表的LWGY系列流量计，用于记录实际进入供氢剂注入器5中的的供氢剂流量。供氢剂注入器5是一个圆柱形的管，用于连接重油管线和供氢剂管线，实现重油和供氢剂的初步混合。供氢剂注入器5的输出端连接着混合器6的输入端，将初步混合重油和供氢剂混合液送入混合器6中。
[0035] 本发明一种声空化协同供氢剂的重油改质系统所述的混合单元包括混合器6和变径接头Ⅰ7，混合器6的输入端通过螺纹连接或焊接等连接方式连接着供氢剂注入器5的输出端，混合器6的输出端通过螺纹连接或焊接等连接方式连接着变径接头Ⅰ7的小径端，变径接头Ⅰ7的大径端通过螺纹连接或焊接等连接方式与声空化处理单元的输入端相连。重油粘度大多在10000厘泊以内，且流量较大，因此重油和供氢剂混合单元选择SX型静态混合器，或其内部安装机械混合器或电动混合器使重油与供氢剂均匀混合，增大两相接触面积。变径接头Ⅰ7由于其两端的直径不一样，直径小的为入口端，直径大的为出口端，从而降低了重油与供氢剂混合液的流速，从而增加重油与供氢剂混合液的声空化处理时间，有利于提高处理效果。
[0036] 本发明一种声空化协同供氢剂的重油改质系统所述的声空化处理单元包括超声波换能器8、处理容器9和超声波电源及控制单元10。超声波换能器8位于处理容器9内，超声波电源及控制单元10控制超声波换能器8的工作状态并通过导线与超声波换能器8连接。超声波电源及控制单元10选择深圳市科美达超声设备有限公司的KMD-M1型超声波发生器，用于控制超声波换能器8的工作状态，通过调节
电压、频率等参数对超声波换能器8的功率、频率等进行调节，获得所需要的声场。超声波换能器8选用德国Hielscher Ultrasonics公司的UIP系列圆柱型超声波换能器，用于产生处理重油与供氢剂的混合液所需的声场，声场首先破坏重油中作用力较弱的范德华力和氢键作用力，部分烷基桥链、烷基
侧链发生断裂、异构反应，部分环状结构开环反应，由此形成的自由基与供氢剂提供的活泼氢发生加氢反应。此外，声场还可使胶质、沥青质紧密缔合的大分子结构发生一定程度的解聚。上述反应使得重油中的沥青质等重质组分含量降低、轻质组分含量增加，重油胶体体系更加松散，且氮、硫、氧、镍、
钒等杂
原子含量降低，由此改善重油性能。处理容器9通过螺纹连接或焊接等连接方式连接变径接头7的大径端，用于提供合适的声场环境同时安装并固定超声波换能器
8。处理容器9出口与变径接头Ⅰ7的大径端连接，将管道直径改回重油管线直径，减少变径导致的回油流速损失，变径接头Ⅰ7的小径端与重油管线连接，将处理后产物引流回原有管线内。
[0037] 作为本技术方案的进一步优化，本发明一种声空化协同供氢剂的重油改质系统所述的声空化处理单元还包括多个支撑架11，支撑架11通过螺纹连接或焊接等连接方式安装在处理容器9内，并且超声波换能器8套在支撑架11上，支撑架11用于限制超声波换能器8的轴向
位置，防止超声波换能器8在长期工作过程中发生移动。
[0038] 作为本技术方案的进一步优化，本发明一种声空化协同供氢剂的重油改质系统所述的声空化处理单元还包括设有外螺纹的导线隔离套12，导线隔离套12内部设有通孔，导线隔离套12的一端螺纹连接在超声波换能器8上，导线隔离套12的另一端螺纹连接在处理容器9上，导线一端连接在超声波换能器8上，另一端穿过导线隔离套12内部的通孔连接超声波电源及控制单元10。超声波换能器8上的接线头位于导线隔离套12内，导线隔离套12与超声波换能器8形成了一个半封闭的空间，防止处理容器9内的重油与催化剂的混合液接触接线头，引起短路从而发生爆炸。此外，导线隔离套12螺纹连接在处理容器9上，可以防止处理容器9内的重油与催化剂的混合液溢出，也可以通过将导线隔离套12与处理容器9焊接在一起或者其他密封方式防止处理容器9内的重油与催化剂的混合液溢出。
[0039] 采用上述的一种声空化协同供氢剂的重油改质系统进行重油改质的方法，其特征在于，所述重油改质的方法包括：
[0040] 步骤一：根据重油的组分分析结果及其物理、化学特性，在20-100℃的重油中加入适量的供氢剂，在封闭处理容器内利用超声波换能器对重油、供氢剂的混合液进行空化处理，超声波频率为15-150kHz，声强为30-500W/cm2，处理时间为5-60min；
[0041] 步骤二：对处理后的重油进行粘度检测、组分分析、沸点蒸馏测试、炼化产品分析，评价声空化协同供氢剂的重油改质效果，获得声空化协同供氢剂重油改质效果最佳时的供氢剂种类、供氢剂质量百分比、超声波频率、声强、声空化处理时间、处理温度。
[0042] 所述的重油是重质原油、稠油、渣油、老化油或轻质原油中的一种。
[0043] 所述的供氢剂是重油在炼化过程中生成的300℃-500℃馏分，用量为重油质量的10％-20％；或所述的供氢剂是模型化合物四氢萘、二氢蒽、十氢萘和二氢菲中的一种或几种，所述的模型化合物供氢剂用量为重油质量的1％-5％；或所述的供氢剂是含氢化合物水、氢气或甲烷，所述的含氢化合物供氢剂用量为重油质量的10％-25％。
[0044] 由重油流量、所需供氢剂的质量百分比、供氢剂
密度计算供氢剂的供给量，供氢剂储存在供氢剂储罐1内，启动供氢剂供给泵2驱使供氢剂流动，读取供氢剂流量表4示数获取当前供氢剂流速，并通过调节供氢剂调节阀3进行调控。供氢剂注入器5主管道与原有重油管线连接，通过阀
门改变重油流向，使其通过改质系统。在供氢剂注入器5内完成重油和供氢剂的初步混合。油样进入混合单元后，在机械混合器或电动混合器作用下实现重油和供氢剂均匀混合，增大两相接触面积，有利于提高反应效率。油样经过变径接头Ⅰ7后，流速会明显下降，增长了超声处理时间，有利于保证处理效果。油样输送至声空化处理单元内，启动超
声换能器，在声场的作用下发生重油内分子链发生断裂，同时供氢剂会封闭产生的自由基，抑制重油分子长链相互结合。需处理时间、重油处理量、管道直径共同决定了改质系统内声空化反应单元的个数，确保油样能够得到有效的处理，各声空化处理单元之间由
导向管连接，蛇形布置有利于减小设备的尺寸。待设备稳定工作10～15分钟后，从油管出口部分取油样进行检测。检测方式主要包括：利用
粘度计对油样的粘度进行测量，利用液固
吸附色谱法对油样进行四组分分析，同时利用实沸点蒸馏仪、催化裂化模拟装置、延迟焦化模拟装置等环节对改质情况进行相应的评价。单次实验完成后改变处理参数，对比不同处理参数下的实验效果，得出重油的最优处理参数。确定单一重油的最优处理参数后，选择不同特性重油为实验对象，探究各自的最优处理参数，并结合重油特性总结出一种以重油特性为选择依据的处理参数选择方法，可以为以后重油超声改质技术提供相应
基础。
[0045] 本发明的工作原理是：
[0046] 大功率超声波在重油内形成强烈的空化效应，空化泡破裂的瞬间可以形成几千开尔文的高温、几千个
大气压的高压以及高速微射流。在空化效应、机械效应、热效应等作用下，重油分子链的化学键发生断裂，形成自由基，自由基反应会引起重油发生改质裂解。然而自由基反应过程有可能使两个长分子链结合在一起，导致形成更重的成分，即自由基不可控。
[0047] 供氢剂仅在加热的条件下便能够释放出活泼的氢原子，氢原子能够起到封闭重油分子链上自由基的作用，防止两条长分子链结合，进而实现对自由基的控制，使反应向分子链变短的方向移动。然而供氢剂仅能对自由基进行封闭，无法使分子链断裂形成自由基，因此将大功率超声波与供氢剂两种技术结合能够实现互补，在低温、低压环境下实现重油的裂解改质。
[0048] 本发明的工作过程是：
[0049] 由重油流量、所需供氢剂的质量百分比、供氢剂密度计算供氢剂的供给量，供氢剂储存在供氢剂储罐1内，启动供氢剂供给泵2驱使供氢剂流动，读取供氢剂流量表4示数获取当前供氢剂流速，并通过调节供氢剂调节阀3进行调控。供氢剂注入器5主管道与原有重油管线连接，通过阀门改变重油流向，使其通过改质系统。在供氢剂注入器5内完成重油和供氢剂的初步混合并将油样送入混合器6，在机械混合器或电动混合器作用下实现重油和供氢剂均匀混合，增大两相接触面积，有利于提高反应效率。从混合器6流出的混合均匀后的重油和供氢剂混合液(本文中的重油和供氢剂混合液也可称为油样)经过变径接头Ⅰ7后，流速会明显下降，增长了超声处理时间，有利于保证处理效果。油样输送至声空化处理单元内，启动超声换能器8，在声场的作用下发生重油内分子链发生断裂，同时供氢剂会封闭产生的自由基，抑制重油分子长链相互结合。超声波电源及控制单元10用于控制超声波换能器8的工作状态，通过调节电压、频率等参数对超声波换能器8的功率、频率等进行调节，获得所需要的声场。需处理时间、重油处理量、管道直径共同决定了改质系统内声空化反应单元的个数，确保油样能够得到有效的处理，各声空化处理单元之间由导向管连接，蛇形布置有利于减小设备的尺寸。
[0050] 当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
