ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ КОЛОННА И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА НЕФТЯНЫХ БИТУМОВ
OXIDIZING COLUMN AND METHOD FOR PRODUCTION OF PETROLEUM BITUMEN

Предлагаемое изобретение относится к области нефтепереработки, в частности к получению дорожного нефтебитума путем окисления гудрона и/или композиций с нефтяными добавками кислородом воздуха при повышенных температурах в окислительных колонных аппаратах.
Известен способ получения дорожного битума, включающий окисление утяжеленного гудрона, при этом получение битума проводят в одну стадию, используя в качестве утяжеленного гудрона гудрон, полученный из балансовой смеси нефтей «Юролс», с показателями вязкости ВУ80 в интервале 92 - 158 с, а окисление проводят кислородом воздуха при температуре 215 - 230°С (патент РФ №2630560, С10С 3/04, опубл. 11.09.2017, БИ №26).
Опыты по получению нефтебитума окислением гудрона проводились в колбах с мешалкой и стабилизированным поддержанием температуры ±2°С. Несмотря на обоснованность полученных результатов, прямой перенос по воспроизводству условий опытов в промышленные окислительные колонны невозможен и требует других принципиальных решений.
Известен способ управления реактором для получения битума, заключающийся в стабилизации расхода сырья и изменении подачи окисляющего воздуха, осуществляют точность регулирования расхода дополнительно циркулирующих нефтяных остатков реактора в зависимости от расхода исходного сырья окисления за счет коррекции по величине температуры и вязкости нефтяных остатков в реакторе, расхода воздуха и воды, подаваемых в каверны, показатели качества продукта и содержания кислорода в отходящих газах из реактора газов, причем расход охлаждающей воды изменяют в зависимости от температуры нефтяных остатков в реакторе, а расход воздуха изменяют в зависимости от содержания кислорода в отходящих из реактора газах (патент РФ №2105035, С10С 3/04, опубл. 20.02.1998).
Недостатком является то, что попытки охладить участки продукта в окислительном реакторе выше ввода сырья приведут к снижению температуры газожидкостной смеси на срезе входа смеси в реактор окисления и как следствие снижению активности окисления. Кроме этого, односторонний ввод газожидкостной смеси не обеспечивает равномерное распределение материальных и тепловых потоков в реакторе окисления.
Известны способ и установка для получения битума из нефтяных остатков, в котором по способу разделяют исходное сырье на два потока, нагревают один поток сырья и окисляют кислородом воздуха в реакторе окисления, компаундирование окисленного и неокисленного потоков с получением продукта, воздух, подаваемый в реактор окисления, диспергируют, окисление части потока сырья кислородом воздуха в реакторе окисления производят в гидродинамическом режиме стесненного всплывания пузырьков воздуха, снижение градиента температуры в реакторе окисления производят циркуляцией части полностью или частично окисленного потока и осуществляют передачу тепла для нагрева окисляемого сырья, компаундирование окисленного и неокисленного потоков с выработкой битума, характеризующегося глубиной проникания иглы при температуре 25°С (20 - 220)⋅0,1 мм, производят в турбулентном смесителе, а выходящие из реактора окисления отработанные газы подвергают каталитической очистке от органических примесей (патент РФ №2562483, С10С 3/04, опубл. 10.09.2015, БИ №25).
Недостатком является то, что требуется принудительная циркуляция значительных объемов полуокисленного или окисленного битума и системы его охлаждения; интенсификация процесса массообмена за счет циркуляции части продукта имеет место, но недостаточна и авторы предлагают дополнительно в цилиндрической части реактора мешалку, установка которой является достаточно сложным устройством; циркуляция окисленного битума по охлаждающему контуру приводит фактически к реактору смешения, что не является лучшим решением для окисления высоковязкого (а значит и высокомолекулярного) гудрона.
Известна барботажная окислительная колонна, представляющая собой вертикальный цилиндрический аппарат со штуцерами и внутренними распределительными устройствами для ввода сырья, оксиданта (воздуха), водяного пара, устройствами вывода газов и продукта, штуцерами (патрубками, бобышками) для размещения контрольно-измерительных приборов (Грудников И.Б. Производство нефтяных битумов. - М.: Химия, 1983. - С. 133).
Недостатком является неравномерное распределение воздуха и сырья по сечению колонны, что приводит к появлению байпасных и застойных зон, не участвующих в процессе массообмена, к снижению объема для взаимодействия фаз, к ухудшению качества битума.
Известна установка для получения нефтяного битума, которая содержит насос и колонный аппарат, в нижней части которого установлен патрубок для отвода готового битума, а в верхней - патрубок для отвода воздуха и газов окисления, отличающаяся тем, что она также содержит как минимум два устройства пленочного окисления, установленные внутри колонного аппарата на расстоянии друг от друга по высоте данного аппарата, и установленные внутри колонного аппарата устройство для подачи воздуха и распылитель, при этом колонный аппарат по высоте разделен на три зоны - зону смешения, расположенную в средней части колонного аппарата и образованную пространством между указанными устройствами пленочного окисления, зону рециркуляции, расположенную выше зоны смешения, и зону доокисления, расположенную ниже зоны смешения, в верхней части зоны рециркуляции установлен распылитель, в нижней части зоны доокисления установлено устройство для подачи воздуха, вход зоны смешения соединен с источником нефтяного сырья, а выход зоны смешения соединен с входом насоса, выход которого соединен с упомянутым распылителем, устройство пленочного окисления выполнено в виде насадки, состоящей из вертикально ориентированных стальных пластин, содержит как минимум две установленные в колонном аппарате тарелки, одна из которых установлена в зоне рециркуляции, а другая - ниже устройства для подачи воздуха (патент РФ №2182922, С10С 3/04, опубл. 27.05.2002, БИ №15).
Недостатком является то, что устройство пленочного окисления состоит из вертикально ориентированных стальных пластин, которые являются сплошными и непроницаемыми - это обеспечивает жесткое секционирование сечения колонны по потокам и при неравномерности распределения потоков сырья и воздуха приводит к неравномерной нагруженности локальных зон взаимодействия по потокам и различной эффективности процесса окисления в разных локальных зонах взаимодействия фаз, создает условия для образования застойных и байпасных зон, снижению эффективность контакта газа и жидкости, в результате окисление сырья в разных зонах происходит в различной степени и качество битума ухудшается.
Задача настоящего изобретения заключается в создании способа и устройства, обеспечивающих эффективную поддержку оптимального теплового режима окислительной колонны получения битума из гудрона, по высоте и поперечному сечению, повышение эффективности массо- и теплообмена, интенсификацию массообменных процессов и процессов окисления, максимальную противоточность процесса окисления сырья (гудрона) и окислителя (воздуха), за счет подачи воды создание эффекта кумулятивных струй, обеспечивающего интенсивное перемешивание и разрушение надмолекулярных образований сырьевой смеси, интенсификацию процесса окисления, обеспечение съема избыточного тепла реакции окисления равномерно по поперечному сечению колонны за счет испарения капелек воды в слое жидкости.
Технический результат по настоящему изобретению - повышение эффективности контакта газа и жидкости.
Указанный технический результат достигается окислительной колонной для производства нефтяных битумов, включающей корпус, распределитель ввода сырья, распределитель ввода воздуха, штуцер вывода газов окисления, штуцер вывода битума и распределители ввода воды.
Указанный технический результат достигается окислительной колонной для производства нефтяных битумов, включающей корпус, распределитель ввода сырья, распределитель ввода воздуха, штуцер вывода газов окисления, штуцер вывода битума, распределители ввода воды и слои регулярной насадки.
Регулярная насадка может быть выполнена в виде вертикально расположенных металлических сеток.
Регулярная насадка может быть секционирована сплошными вертикальными полосами на блоки.
На слоях регулярной насадки может горизонтально размещаться, по меньшей мере, одна металлическая сетка.
Указанный технический результат достигается способом производства нефтяных битумов, включающем подачу сырья в верхнюю часть колонны, подачу воздуха через распределитель ввода воздуха в нижнюю часть окислительной колонны, газы окисления выводят с верха колонны, готовый битум выводят с низа колонны, создают сепарационное пространство между уровнем окисляемого продукта и выводом газов окисления, дополнительно через распределитель ввода воды вводят воду, по меньшей мере, в двух точках по высоте слоя окисляемой жидкости.
Под распределителем ввода воды может быть измерена температура жидкости с возможностью ее регулирования изменением подачи воды в распределители ввода воды.
Вода может быть деминерализованной.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид окислительной колонны для производства нефтяных битумов; фиг. 2 - общий вид колонны с расположением слоев регулярной насадки над распределителями ввода воды; фиг. 3 - общий вид колонны с расположением слоев регулярной насадки под распределителями ввода воды; фиг. 4 - варианты слоев регулярной насадки: фиг. 4а - регулярная насадка без секционирования сеток, фиг. 4б - регулярная насадка секционирована вертикальными сплошными полосами на блоки.
Окислительная колонна состоит из корпуса 1, в котором размещаются распределитель ввода сырья 2, распределитель ввода воздуха 3, распределители ввода воды 4, слои регулярной насадки 7. Окислительная колонна оснащена штуцером вывода газов окисления 5, штуцером вывода битума 6. Слои регулярной насадки 7 состоят из вертикально расположенных металлических сеток 8 (см. фиг. 4). Регулярная насадка 5 может быть выполнена как без секционирования металлических сеток 8 (см. фиг. 4а), так и секционирована вертикальными сплошными полосами 9 на блоки 10 (см. фиг. 4б) со стороной 300 - 500 мм. Металлические сетки 8 расположены вертикально с шагом 15-30 мм и высотой слоя регулярной насадки 200 - 700 мм. На слоях регулярной насадки 7 могут горизонтально размещаться одна или несколько металлических сеток.
Способ осуществляется в следующей последовательности. В верхнюю часть окислительной колонны 1 подают сырье через распределитель ввода сырья 2 для его распределения по сечению колонны. В нижнюю часть окислительной колонны 1 подают воздух через распределитель ввода воздуха 3 для его распределения по сечению колонны. В объеме колонны между уровнем ввода сырья и уровнем ввода воздуха происходит контакт потоков сырья и воздуха в противоточном режиме. В колонну на нескольких уровнях подают воду через распределители ввода воды 4 для ее распределения по сечению и объему. В колонне в результате взаимодействия вводимых потоков протекает процесс окисления битума с получением газов окисления и битума. Газы окисления выводятся сверху колонны через штуцер вывода газов окисления 5, а битум выводится с низа колонны через штуцер вывода битума 6. В колонне образуется уровень жидкости (окисляемого продукта), выше которого образуется сепарационное пространство для газов окисления. В колонне под распределителями ввода воды измеряют температуру жидкости для ее регулирования путем изменения количества подаваемой воды. Вода, подаваемая в колонну, деминерализована для удаления солей любым известным способом - обратным осмосом, катионно-ионным, дистилляцией, из паровых конденсатов, из конденсата сепаратора газов окисления. Металлические сетки 8 регулярной насадки 7 создают пленкообразующую поверхность, по которой движется тяжелая фаза, и взаимодействие фаз происходит в пленочном режиме, при этом образуется проницаемая поверхность для движения взаимодействующих фаз. Благодаря гидродинамической проницаемости сетки 8 обеспечивается возможность движения газа через пленку тяжелой фазы, что позволяет повысить эффективность контакта фаз и создать возможность перераспределения газа по сечению окислительной колонны. Подача воды в окислительную колонну позволяет поддерживать температурный режим колонны в оптимальном диапазоне для получения качественного битума, интенсифицировать тепло- и массообменные процессы между жидкой фазой и газом за счет кавитационного эффекта и создания резонансных ударных воздействий от многочисленных проволочных элементов регулярной насадки в результате испарения капелек воды взрывным образом.
Исходные условия для расчетов были приняты следующие:
3
- расход воздуха - 100 м на одну тонну гудрона;
- температура окисления 220°С;
- диаметр окислительной колонны   2,5 м;
- высота барботажной зоны колонны 10,6 м.
Известно, что при получении битума с КиШ 47 С окислением гудрона тепловой эффект составляет 235 кДж/кг или 56,1 ккал/кг гудрона. Тепловой баланс реактора окисления рассчитан исходя из следующих исходных данных:
- тепловой эффект окисления - 56,1 ккал/кг
- температура входящего сырья (гудрона) 180°С
- температура входящей воды 20°С
3
- расход воздуха 0,1 м/кг
- температура воздуха после компрессора 100°С
- температура отходящих газов 230°С
- количество жидких продуктов, уходящих с верха реактора 4 - 5% на сырье
- теплоемкость гудрона при 200°С - 0,620 ккал/кг⋅°С
- теплоемкость гудрона при 180°С - 0,617 ккал/кг⋅°С
- теплоемкость воздуха при 230°С - 0,245 ккал/кг⋅°С
- теплоемкость воздуха при 100°С - 0,241 ккал/кг⋅°С
- энтальпия жидких продуктов, уходящих с верха колонны 197 ккал/кг
Расчетное количество теплопотерь составило:
2,5⋅3,14⋅10,6⋅15⋅(40-21)/6000=4 ккал/кг,
где 2,5 м - диаметр окислительной колонны;
3,14 - число π;
10,6 м - высота барботажной зоны колонны;
40°С - температура стенки колонны;
21°С - температура воздуха;
15 ккал/кг⋅°С - коэффициент теплопередачи;
6000 кг - расход сырья.
Количество тепла, которое необходимо снять, составило 24,4 ккал/кг (см. табл. 1 - разница между поступающим теплом в количестве 170,2 ккал/кг и выводимым теплом в количестве 145,8 ккал/кг).
Количество тепла, которое снимается водой, составило 676 ккал/кг. Расчетное количество воды, необходимое для снятия тепла составляет:
(24,4 ккал/кг / 676 ккал/кг)⋅100%=3,6% к сырью
Расчетная эффективная температура, снимаемая с гудрона подачей воды составляет:
24,4 ккал/кг / 0,617 ккал/кг⋅°С=36°С.
При равномерной подаче воды в три точки среднее снижение температуры составит 36/3=12°С.
Для более трудноокисляемого сырья или окисления до битумов с большим КиШ окисление осуществлялось при температуре 250°С. В этом случае количество тепла, которое необходимо снять, составило 11,7 ккал/кг (см. табл. 2 - разница между поступающим теплом в количестве 182,1 ккал/кг и выводимым теплом в количестве 170,4 ккал/кг).
Количества тепла, которое снимается водой, составило 689 ккал/кг. Расчетное количество воды, необходимое для снятия тепла составило:
(11,7 ккал/кг / 689 ккал/кг)⋅100%=1,7% к сырью Расчетная эффективная температура, снимаемая с гудрона подачей воды, составила:
11,7 ккал/кг / 0,620 ккал/кг⋅°С=19°С.
При равномерной подаче воды в две точки среднее снижение температуры составило 19/2=9,5°С.
Выполненные расчеты позволили сделать следующие выводы:
1. Подача воды в окислительную колонну позволяет оптимизировать температурный режим, поддерживая его в оптимальных для получения качественного битума параметрах.
2. Роль подачи воды для поддержания оптимального температурного режима резко возрастает при окислении вязких гудронов, для которых требуется окисление при более низких температурах. Приведенные расчеты показывают, что при окислении при температуре 220°С требуется съем тепла в количестве 24,4 ккал на 1 кг гудрона, а при температуре окисления 250°С требуется съем тепла в количестве 11,7 ккал на 1 кг гудрона, то есть отличие в 2,1 раза. Это делает способ по настоящему изобретению все более актуальным в условиях тенденции все большего утяжеления гудрона.
Предлагаемое изобретение позволяет оптимизировать температурный режим окислительной колонны, обеспечить большую дисперсию гудрона и полуокисленного битума, создать условия для разрушения межмолекулярных образований и повысить эффективность окислительного процесса за счет кавитационного эффекта в результате подачи воды в окислительную колонну, обеспечить создание резонансные ударные воздействия от многочисленных проволочных элементов регулярной насадки в результате испарения взрывным образом капелек воды внутри нее, интенсифицировать тепло- и массообменных процессы между жидкой фазой и газом, расширить диапазон эффективной работы колонны за счет улучшения распределения фаз по сечению колонны и создания гидродинамически проницаемых поверхностей для контакта фаз.