СДВОЕННАЯ РЕШЕТЧАТО-КЛАПАННАЯ ТАРЕЛКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ОЛИГОМЕРНОГО БИТУМА
DUAL GRID-VALVE TRAY FOR PRODUCTION OF NANO-STRUCTURED OLIGOMER BITUMEN

Изобретение относится к области нефтехимического аппаратостроения, а именно к оборудованию установок для получения нефтяных битумов различных марок путем окисления нефтяного сырья, используемых в различных областях промышленности, а более конкретно для проведения тепломассобменных процессов получения олигомерного битума.
Известна решетчато-клапанная (в соответствии с другой терминологией может называться ситчато-клапанной) тарелка, которая может быть использована для получения наноструктурированного олигомерного битума, содержащая установленные друг над другом перфорированные полотна тарелок, в части отверстий нижнего из которых установлены прямоточные клапаны (см. патент РФ на изобретение №2372131, МПК В01D 3/30, публ. 2009 г.). К недостаткам известной тарелки можно отнести недостаточную эффективность проведения тепломассообменных процессов, особенно при функционировании ее в окислительной колонне для получения олигомерного битума с использованием пластифицирующей добавки. Как показали наши экспериментальные исследования, для эффективного окисления гудрона с использованием пластифицирующей добавки, когда необходимо условно разделить тарелкой реакционную часть колонны на две зоны с получением в верхней зоне переокисленного битума, а в нижней зоне - наноструктурированного олигомерного битума, не оптимальна гидродинамическая обстановка в колонне с однонаправленным наклонным движением газожидкостной смеси относительно полотна тарелки на выходе клапанов, что имеет место при использовании известной тарелки.
Наиболее близкой по совокупности конструктивных признаков к предлагаемой является сдвоенная решетчато-клапанная тарелка, которая может быть использована для получения наноструктурированного олигомерного битума, содержащая два установленных друг над другом перфорированных полотна тарелок, в части отверстий нижнего из которых установлены прямоточные клапаны (см. патент РФ на полезную модель №36997, МПК В01D 3/30, публ. 2004 г.). К недостаткам известной тарелки также можно отнести недостаточную эффективность проведения тепломассообменных процессов, особенно при функционировании ее в окислительной колонне для получения олигомерного битума с использованием пластифицирующей добавки. Как показали наши экспериментальные исследования, для эффективного окисления гудрона с использованием пластифицирующей добавки, когда необходимо условно разделить тарелкой реакционную часть колонны на две зоны с получением верхней зоне переокисленного битума, а в нижней зоне - наноструктурированного олигомерного битума, не оптимальна гидродинамическая обстановка в колонне с однонаправленным наклонным движением газожидкостной смеси относительно полотна тарелки на выходе клапанов, что имеет место при использовании известной тарелки.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи, состоящей в повышении эффективности проведения тепломассообменных процессов за счет создания на выходе клапана, равномерного по периметру его проходного отверстия течения газожидкостной смеси.
Данная задача решается тем, что в сдвоенной решетчато-клапанной тарелке для получения олигомерного битума, содержащей два установленных друг над другом перфорированных полотна тарелок, в части отверстий нижнего из которых установлены прямоточные клапаны, прямоточный клапан включает в себя установленный на нижнем полотне тарелки неподвижный клапанный элемент с центральным проходным отверстием и седлом клапана, подвижный запорный элемент осесимметричной формы, выполненный с возможностью перекрытия центрального проходного отверстия при размещении в седле неподвижного клапанного элемента, прикрепленную к неподвижному клапанному элементу обечайку, примыкающую верхним торцом снизу к верхнему полотну тарелки обечайку, в центральном отверстии которой размещен шток подвижного запорного элемента, нижний торец которой расположен на расстоянии от верхнего торца неподвижного клапанного элемента, обеспечивающим необходимое перемещение подвижного запорного элемента.
Выполнение прямоточного клапана, включающего в себя установленный на нижнем полотне тарелки неподвижный клапанный элемент с центральным проходным отверстием и седлом клапана, подвижный запорный элемент осесимметричной формы, выполненный с возможностью перекрытия центрального проходного отверстия при размещении в седле неподвижного клапанного элемента, прикрепленную к неподвижному клапанному элементу обечайку, примыкающую верхним торцом снизу к верхнему полотну тарелки обечайку, в центральном отверстии которой размещен шток подвижного запорного элемента, обеспечивает при открытии клапана наличие на выходе клапана между седлом и осесимметричным запорным элементом равномерной по окружности кольцевой щели. При течении газожидкостной смеси через такую щель имеет место равномерное ее распределение по окружности, что повышает эффективность проведения тепломассообменных процессов.
Расположение нижнего торца обечайки на расстоянии от верхнего торца неподвижного клапанного элемента, обеспечивающем необходимое перемещение подвижного запорного элемента, позволяет исключить его нежелательные перемещения и обеспечить устойчивую работу клапана и, в итоге, способствует эффективному проведению тепломассобменных процессов.
На чертеже представлена предлагаемая сдвоенная решетчато-клапанная тарелка для получения наноструктурированного олигомерного битума.
Сдвоенная решетчато-клапанная тарелка для получения наноструктурированного олигомерного битума содержит верхнее перфорированное полотно 1 отверстиями 2, нижнее перфорированное полотно 3 с отверстиями 4. В ряде отверстий 5 нижнего перфорированного полотна 3 установлены прямоточные клапаны. Прямоточный клапан включает в себя установленный на нижнем полотне 3 тарелки неподвижный клапанный элемент 6 с центральным проходным отверстием 7 и седлом 8 клапана, подвижный запорный элемент 9 осесимметричной формы, выполненный с возможностью перекрытия центрального проходного отверстия 7 при размещении в седле 8 неподвижного клапанного элемента. К неподвижному клапанному элементу 6 прикреплена обечайка 10, примыкающая верхним торцом снизу к верхнему полотну 1 тарелки, в центральном отверстии 11 которой размещен шток 12 подвижного запорного элемента. Нижний торец обечайки 10 расположен на расстоянии от верхнего торца неподвижного клапанного элемента 6, обеспечивающем необходимое перемещение подвижного запорного элемента 9.
Предлагаемая сдвоенная решетчато-клапанная тарелка для получения наноструктурированного олигомерного битума работает следующим образом.
Данная тарелка используется в составе окислительной колонны, в которой осуществляется окисление гудрона кислородом воздуха с добавлением пластифицирующей добавки, необходимой для получения олигомерного битума.
При малых нагрузках по газу (воздуху) тарелка работает как обычная ситчатая. Воздух снизу проходит только через отверстия 2, 4 верхнего 1 и нижнего полотен тарелки, контактирует с находящейся на них жидкостью, при этом происходит реакция окисления сырья. Прямоточный клапан закрыт, подвижный запорный элемент 9 расположен на седле 8 клапана и перекрывает центральное проходное отверстие 7 неподвижного клапанного элемента.
При увеличении нагрузки прямоточный клапан открывается и воздух, помимо отверстий 4, поступает в находящуюся на нижнем полотне 3 жидкость через этот клапан. При этом под напором воздуха подвижный запорный элемент 9 отрывается от седла 8 клапана и открывает центральное проходное отверстие 7 неподвижного клапанного элемента. Воздух через равномерную по окружности кольцевую щель между седлом 8 клапана и подвижным запорным элементом 9 равномерным по окружности потоком поступает в находящуюся на нижнем полотне 3 жидкость, контактирует с ней, осуществляя реакцию окисления. Осевое перемещение подвижного запорного элемента 9 может происходить от седла 8 клапана до нижнего торца обечайки 10.
За счет высокой скорости реакции и небольшого времени пребывания в зоне реакции идет образование наноагрегатных кластеров асфальтенов с размером не более 40-100 нм по всему объему продукта.
Образующиеся в результате окисления тяжелых нефтяных остатков кислородом воздуха битумные наноагрегатные кластеры асфальтенов взаимодействуют с пластифицирующей добавкой, при этом происходит сшивание отдельных сеток кластерных наноагрегатов в более крупную сеть, т.е. олигомерные соединения добавки связывают отдельные кластерные наноструктурированные решетки в более крупные агрегативные наносоединения, в результате чего образуется наноагрегативная объемная или наноструктурированная структура, придающая битуму новые полезные свойства полимерного характера.
Указанные процессы наиболее эффективно протекают в окислительной колонне именно при использовании предлагаемой сдвоенной решетчато-клапанной тарелки, наличие которой позволяет условно разделить тарелкой реакционную часть колонны на две зоны с получением в верхней зоне переокисленного битума, а в нижней зоне -наноструктурированного олигомерного битума, и в результате получить высококачественный наноструктурированный олигомерный битум.