УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКООКТАНОВЫХ КОМПОНЕНТОВ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ В ПРИСУТСТВИИ ФТОРИСТОГО ВОДОРОДА

Полезная модель относится к нефтеперерабатывающей промышленности, в частности к технологии получения высокооктановых компонентов моторных топлив - алкилбензина алкилированием изопарафинов олефинами в жидкой фазе, в присутствии фтористого водорода
В настоящее время известным устройством для получения алкилбензина является горизонтальный каскадный реактор с внутренним охлаждением (А.З.Дорогочинский, А.В.Лютер, Е.Г.Вольпова. Сернокислотное алкилирование изопарафинов олефинами. М.: Химия, 1970, с.110), Устройство представляет собой горизонтальный аппарат, разделенный L-образными перегородками, не доходящими до дна, на реакционную и отстойную зоны - в первой отделяется от углеводородов основная масса кислоты, а во второй - небольшое остаточное ее количество, кроме того, вторая отстойная зона является сборником углеводородов. В каждой реакционной секции расположены циркуляционные пропеллерные мешалки, а над мешалками - змеевики для ввода сырья и вертикальные перфорированные трубы для циркуляции эмульсии. Ввод олефинов осуществляется через патрубок в каждую секцию, а серной кислоты и изопарафинов - через патрубки в зону реактора, расположенную перед первой секцией, затем реагенты поступают в первую секцию и в каждую последующую через L-образные перегородки. Для снятия тепла, выделяющегося в результате реакции алкилирования и работы мешалки, а также вносимого с потоками, в реакторе поддерживают давление, равное давлению паров углеводородной смеси. Это позволяет автоматически отводить тепло из реакционной зоны путем испарения части жидкости, т.е. здесь используется внутренний холодильный цикл. Недостатками устройства являются: высокие энергозатраты на перемешивание, высокий расход серной кислоты, необходимость поддержания температуры в узких заданных пределах (2-7°С).
Наиболее близким к предлагаемому устройству по техническому результату является вертикальный контакторный реактор с внешним охлаждением хладагентом (А.З.Дорогочинский, А.В.Лютер. Е.Г.Вольпова. Сернокислотное алкилирование изопарафинов олефинами. М.: Химия, 1970, с.108). Контакторный реактор имеет цилиндрическую форму, в его корпусе располагаются смесительная и холодильная системы. Сверху корпуса реактора размещена холодильная камера для подачи и вывода хладагента. В верхней и нижней частях камеры имеются решетки, в которых развальцованы трубы холодильника: в верхней - внутренние, в нижней - наружные.
Принцип работы холодильной системы заключается в следующем. Хладагент поступает сверху аппарата, проходит по внутренним трубам вниз, отнимая тепло от реагирующих веществ в реакторе, и попадает в кольцевое пространство наружных труб, испаряется и поднимается по нему, уходя в виде паров на холодильную установку. С целью улучшения теплообмена стенки наружных труб холодильника выполнены ребристыми. Олефины смешиваются с изопарафинами, охлаждаются в холодильнике с помощью хладагента, после чего посредством патрубка, расположенного в нижней части реактора, поступают в кольцеобразное пространство между корпусом реактора и обечайкой, поднимаются, а затем опускаются к мешалке по внутреннему пространству цилиндрической перегородки между оребренными трубками холодильника, В верхней части реактора расположены патрубки для подачи серной кислоты и вывода продуктов реакции. Внизу обечайки установлена пропеллерная мешалка для принудительной циркуляции реакционной смеси и получения эмульсии углеводородов с кислотой, представляющая собой рабочее колесо с лопастями, приводимое во вращение паровой турбиной или электромотором. Вращательное движение циркулирующего потока в одной плоскости предотвращается с помощью расположенных вертикально ребер. Процесс алкилирования протекает в основном при нисходящем движении реакционной смеси вдоль поверхности охлаждения (пучка труб).
Недостатками известного реакционного устройства являются высокие энергозатраты на работу мешалки и внешнее охлаждение, относительно низкое соотношение "изобутан: олефины" невозможность регулирования и формирования потока при подаче серной кислоты и в связи с этим высокий расход катализатора, недостаточно высокое октановое число алкилбензина.
Из научно-технической литературы и патентной документации не известно использование в реакторах для получения высокооктанового компонента моторных теплив системы с трубным реактором, с изменяемым объемом реакционной зоны «секционный реактор».
Задачей полезной модели является: создание секционной конструкции реактора «секция» - змеевик, последовательно кожухотрубный теплообменник с закрепленной системой насадок каждая из которых составлена из закрепленных на продольной штанге сопряженных между собой перфорированных цилиндров, создание высокодисперсной эмульсии за счет формирования струи обеспечение турбулентности потока с целью увеличения выхода и качества продукции.
На прилагаемых графических материалах изображено: (ФИГ.1) вид сбоку, (ФИГ.2) вид сверху устройство для получения высокооктанового компонента моторных топлив выполнение патрубка ввода изопарафинов и олефинов в линию сопла, входного патрубка ввода фтористого водорода в досопловую камеру, (ФИГ.3) устройство камеры смешивания сырья с катализатором фтористым водородом; (ФИГ.4) выполнение устройства теплообменника с встроенными насадками; (ФИГ.5) выполнение устройства перфорации насадок их крепление между собой и крепление цилиндров на штанге, устройство крепления штанги; (ФИГ.6) выполнение блока отстойника - разделителя продуктов (алкилата, сжиженных газов) и катализатора фтористого водорода, штуцером выдачи фтористого водорода и устройством перфорированных перегородок расположенных вертикально и горизонтально.
Устройство - реактор представляет собой (ФИГ.1); (ФИГ 2) условно разделенный на 3 зоны - зону подготовки эмульсии, зону стабилизации эмульсии, зону-«секцию» собственно фтористоводородного алкилирования и стабилизации эмульсии расположенный горизонтально с уклоном 10%. Вид (А-А) - смеситель горизонтальный
состоящий из цилиндрического корпуса 1 с патрубками 2 для ввода смеси изопарафинов и олефинов и с расположенным в нижней части смесителя патрубком 3 для ввода фтористого водорода.
1
2
Конструкция смесителя 1 Вид А-А (ФИГ 3) представляет собой устройство состоящее из патрубка 2 смонтированного по оси трубой являющейся с одной стороны патрубком ввода изопарафинов и олефинов 2, с другой стороны соплом подачи 4 сырья в камеру смешения внутренний диаметр сопла не более / внутреннего диаметра сужающего устройства 5, следующая часть смесителя представляет собой цилиндрический корпус 1 с проточенной конусной камерой 6 заканчивающейся с одной стороны сужающим устройством 5; снизу в конусную камеру входит патрубок подачи фтористого водорода 3. Камера смешения 7 представляет собой цилиндрическую проточку в корпусе смесителя 1 с одной стороны заканчивающуюся фаской под углом 45 градусов примыкающую к сужающему устройству 5, с другой стороны смесительная камера длинной 10 внутренних диаметров, а внутренний диаметр камеры смешения равен внутреннему диаметру трубы входного теплообменника 10, заканчивается парубком 8 соединенным с входным патрубком теплообменника 9; Вид В-В (ФИГ.4) Теплообменник 10 представляет собой внутреннюю трубу диаметром 1,5 внутреннего диаметра змеевика с целью компенсации сопротивления потоку, цилиндров насадки, рубашку охлаждения 11 со штуцерами входа и выхода охлаждающей жидкости; на внутреннем зеркале патрубка 9 вставным кольцом 12 с приваренной диаметрально противоположно в двух местах к нему штангой 13 на которой закреплены, крест на крест, цилиндры 14; (ФИГ.5) - насадка представляет собой конструкцию составленную из кольца крепления штанги 12, штанги 13 в виде прутка длинной 4:5 длинны теплообменника, приваренного с одной стороны к кольцу крепления с другой стороны развальцованного на котором закреплены цилиндры 14, по парно на расстоянии 10-15 см с помощью трубки. Насадка представляет собой цилиндры 14, имеющие сквозное отверстие 15 для крепления на штанге 13 диаметром 2-5 мм, противоположное отверстие для фиксации попарно цилиндров выполнено отверстие 15 в виде эллипса размером половина внутреннего диаметра цилиндра; теплообменник 10 заканчивается соединительным патрубком 16 соединяющим теплообменник со змеевиком;
Секция повторяется n - количества раз
Для приема и разделения эмульсии алкилата и фтористого водорода выходящего из реактора фтористоводородного алкилирования заканчивающийся теплообменником 10 устанавливается отстойник 17; Конструкция отстойника представляет собой устройство (ФИГ.6) корпус 17 которого выполнен из сплава никеля в виде вертикального аппарата с патрубком приема эмульсии алкилата и фтористого водорода 18, патрубком выдачи алкилата 19 и патрубком подачи фтористого водорода 20 из нижней части отстойника 17 под собственным весом в смеситель 1; с снизу и сверху отстойник 17 закрывается плоским днищем 21 и плоской крышкой 22 закрепленные болтами на фланцах; отстойник 17 разделен на две сообщающиеся камеры перфорированной перегородкой 23 Вид (С-С), вид (Е-Е) высота отстойника 17 по патрубку приема эмульсии 18 равна высоте реактора алкилирования, а по верхней крышке 22 плюс 400 мм с целью уравнивания давлений между частью ввода эмульсии и частью выхода алкилата; Перфорированная перегородка 23 разделяет отстойник 17 на две сообщающиеся камеры и выполнена в виде перегородки с отверстиями в верхней части на высоту 100 мм от крышки 22 в части приема эмульсии и выдачи алкилата начиная 100 мм ниже патрубков 17, 18 до днища аппарата, на против патрубков 18, 19 перегородка без перфорации 400 мм от верхней до нижней перфорации сцелью исключения попадания фтористого водорода в патрубок 19 выхода алкилата; перегородка имеет три прорези 24 до оси для установки перфорированных дисков 25 имеющих прорезь 28 до оси, величина отверстий перфорации 10 мм. закреплены диски при помощи уголка и болта с гайкой 26 к перегородке 23 в нижней части над патрубком
20 перегородка имеет вырез 27 с целью снижения сопротивления фтористого водорода в патрубок 20 (ФИГ.6)
2
Устройство работает следующим образом. Через патрубок 2 в реактор подают смесь изопарафинов и олефинов с расчетной скоростью. Расход смеси изопарафинов и олефинов составляет 50 литров/час. В качестве сырья (изопарафины, олефины) используют: изобутан 80-90% степени чистоты, бутан-бутиленовую фракцию содержанием олефинов не менее 50 мс.%. В качестве катализатора используется безводный фтористый водород. Процесс осуществляют при 20-25°С, давлении 10-12 кгс/см, соотношении фтористый водород: (изопарафины и олефины) 1:1, изопарафины: олефины 3:1. Проходя через патрубок 2 в смеситель 1 смешивается с фтористым водородом и турбулизуется, а его турбулентность поддерживается насадкой 14 расположенной в теплообменнике 10 и поступает в змеевики затем теплообменники 10 где турбулентность потока поддерживается насадкой. Температура реакции поддерживается теплообменниками 10 охлаждаемыми оборотной водой, а время пребывания продуктов в зоне реакции 2-3 мин; объем реакционной зоны устанавливается в зависимости от нагрузки и качества сырья подключением секций - (змеевик и теплообменник) затем подается в отстойник 17. Посредством перфорированных перегородок 24 происходит сепарация эмульсии где (более крупные капли под действием силы тяжести) опускаются в нижнюю часть отстойника 17, где находится фтористый водород, в это же время алкилат поднимается в верхнюю часть отстойника и выводится через патрубок 19 в сборник алкилата.
Техническим результатом заявляемого решения является: создание секционной конструкции реактора «секция» - змеевик, последовательно кожухотрубный теплообменник с закрепленной системой насадок каждая из которых составлена из закрепленных на продольной штанге сопряженных между собой перфорированных цилиндров.
Технический результат достигается возможностью изменять объем реакционной камеры в процессе эксплуатации путем перестановки заглушек подключения или отключения дополнительных секций, что позволяет перерабатывать различное по плотности и соотношению (изопарафин-нормальный парафин), (олефин-нормальный парафин) сырье (изопарафин и олефин) и катализатор-фтористый водород.
Также технический результат достигается возможностью изготовления реактора в зависимости от диаметра и длинны теплообменника и змеевика в секции - изготовить как лабораторный реактор объемом реакционной камеры 2-7 литров с внутренним диаметром змеевиков и теплообменников 10 мм из 7 секций с длинной теплообменника 1, метра и длинной змеевика 5 метров
Кроме того если изменить внутренний диаметр теплообменников и змеевиков до 50 мм а длину теплообменника до 7 метров, длину змеевика до 30 метров-объем реакционной камеры одной секции будет составлять 53 литра при работе реактора в 10 секций или 20 секций объем реакционной камеры будет соответственно составлять 530 литров или 1060 литров. Учитывая что время пребывания продуктов (изобутана, бутилена, катализатора - фтористого водорода) в зоне реакции составляет не более 3минут для фтористоводородного алкилирования и соотношение 50%-50% сырье-катализатор мощность реактора алкилирования по сырью соответственно будет составлять 5 м.куб./час и 10 м.куб/час что соответствует малотоннажному реактору небольших габаритов приблизительно: 10 метров длинна, 5 метров ширина, 5 метров высота.
Технический результат направлен на изготовление и передачу в эксплуатацию малотоннажных, малогабаритных установок фтористоводородного алкилирования легких изопарафинов олефинами с целью получения высокооктановых компонентов моторных топлив.
Техническим результатом заявляемого решения является создание высокодисперсной эмульсии за счет формирования струи обеспечение турбулентности потока с целью увеличения выхода и качества продукции.
Технический результат достигается тем, что известное устройство для получения высокооктанового компонента моторных топлив выполненное в виде смесителя изопарафинов, олефинов подаваемых на фланец входа в сопло насосом и катализатора фтористого водорода подаваемого в смеситель в до сопловую камеру через патрубок под собственным весом из отстойника продукта и фтористого водорода; подключенного к смесителю последовательно кожухотрубного теплообменника в котором закреплена с одной стороны теплообменника штанга, с насадками в виде по парно перекрестие зафиксированных перфорированных цилиндров изготовленных из сплава никеля и зафиксированных на штанге термоусадочной трубкой на расстоянии 5-7 (внутренних диаметров продуктовой трубы теплообменника) на 4:5 длинны теплообменника с целью движения насадок и дополнительного перемешивания эмульсии. За теплообменником последовательно располагается змеевик выполненный из сплава никеля и заканчивает секцию теплообменник со встроенной вышеописанной насадкой.
Технический результат достигается формированием эмульсии при использовании сопла, сопловой камеры и камеры смешения так как плотность углеводородов и плотность фтористого водорода близки.
Одновременно технический результат достигается применением цилиндров расположенных крестообразно с отверстиями размерами 4:1 диаметра кольца по 8 отверстий на каждом кольце, что исключает застойные зоны внутри кольца и создает постоянное перемешивание.
Возможность достижения технического результата обусловлена тем, что конструктивные возможности и геометрия заявляемого реактора позволяет стабилизировать температурное поле реагирующего потока и его энергетические характеристики, т.е. сделать его однородным, а также проводить фтористоводородное алкилирование с образованием в зоне реакции однородной, монодисперсной и нестабильной эмульсии с заданными характеристиками, обеспечивающими контролируемое протекание основной реакции.
Октановое число по моторному методу составит 93-96 пунктов.
Использование предлагаемого устройства позволит:
- перерабатывать различные виды сырья (смеси изопарафинов, олефинов, нормальных парафинов) изменяя в процессе эксплуатации объем реакционной зоны путем подключения дополнительных секций (змеевик и теплообменник) без ущерба производительности;
- повысить выход и качество получаемого продукта;
- снизить энергозатраты;
- разделить зону формирования эмульсии и зону реакции;
- создать однородную, монодиспесную и неустойчивую эмульсию;
- практически исключить протекание побочных реакций.