УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
DEVICE FOR HETEROGENEOUS CHEMICAL REACTIONS

2
Изобретение создано для преимущественного использования в нефтедобывающей промышленности, а именно для очистки попутного нефтяного газа (ПНГ) от серосодержащих соединений (СС). Данное изобретение может также применяться в других областях химической промышленности, для осуществления реакции между жидкими и газообразными компонентами, например: между поглотительными растворами щелочей (известные способы) с попутным нефтяным газом, содержащим сероводород и серосодержащие соединения; при взаимодействии углекислого газа с аммиачным раствором или раствором щелочи; при взаимодействии топочных газов с растворами силикатов или алюмосиликатов щелочных металлов или аммония; взаимодействии газообразного аммиака с водными растворами углекислого газа (CO). Возможно применение устройства для осуществления реакции между несмешивающимися жидкостями при взаимодействии различных поглотительных реагентов, таких как растворы щелочей, силикатов и алюмосиликатов щелочных металлов или аммония с бензиновыми фракциями, при взаимодействии кислорода или воздушной смеси с углеводородами.
В настоящее время решению проблемы аппаратурного оформления проведения гетерогенных химических реакций посвящено много разработок. Анализируя различные конструкции аппаратов и объединяя их по такому признаку, как эффективность диспергирования, можно заключить, что наиболее полно отвечает предъявляемым требованиям гидрокавитационное воздействие. Значение коэффициент Ks≈2,8 является предельным для обычных насосов, при Ks≥2,8 - возникают кавитационные явления. (Пирсол И. Кавитация. Пер. с англ. - М.: Мир, 1975. - 95 с.).
В промышленности для кавитационного воздействия на жидкость используются гидродинамические, электродинамические, пьезоэлектрические, магнито-стрикционные и механические генераторы кавитации. Существуют различные виды гидрокавитационных устройств (кавитаторов) - гидромеханические роторно-импульсные аппараты, кавитаторы эжекторного типа, ультразвуковые установки магнитострикционного типа, вихревые центробежные реактора и т.п. В ультразвуковом диапазоне наиболее распространены пьезоэлектрические и магнитострикционные генераторы кавитации. (Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве / В.Н.Хмелев и др. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та. - 2007. - 400 с.)
Принцип действия импульсного электроразрядного излучателя основан на электрогидравлическом эффекте, заключающемся в генерации ударных волн в жидкости при ее пробое. (Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности / Л.А.Юткин. - Л.: Машиностроение, 1986. - 253 с.).
10
Наиболее эффективными гидромеханическими диспергаторами являются вихревые центробежные реакторы. В таких диспергаторах возникает кавитация вследствие периодического прерывания потока, вызывающего понижение давления в жидкости. В момент схлопывания пузырька давление и температура газа достигают значительных величин - по некоторым данным до 100 МПа и 5000-25000 К. (A.Geganken. Using sonochemistry for the fabrication of nanomaterials // Ultrasonics Sonochemistry, 2004. - vol.11. - 47; R.Hiller, S.J.Putterman, B.P.Barber. Spectrum of synchronous picosecond sonoluminescence // Phys. Rev. Lett., 1992. - 69. - 1182.) После схлопывания полости в окружающей жидкости распространяется быстро затухающая сферическая ударная волна. Так как взрыв происходит меньше, чем за наносекунду, при этом также достигаются очень высокие скорости охлаждения, превышающие 10 К/с. Взрывы пузырьков также приводят к появлению в жидкости потоков, скорость которых достигает 150 м/с.
Выбор конструкции диспергатора определялся сходностью обрабатываемых сред и эффективностью работы аппарата, который послужил прототипом данной разработки. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для диспергирования жидких органических сред, содержащее корпус с вихревой камерой, которая дополнительно снабжена насаженным на высокоскоростной вал дополнительным диском большего диаметра (патент РФ №2269374 от 10.02.2006, МПК B01F 3/08).
В гидродинамических диспергаторах типа роторных импульсных аппаратов в основном реализуется гидродинамическое воздействие за счет развитой турбулентности, пульсаций давления и скорости потока жидкости, интенсивной кавитации, ударных волн и вторичных нелинейных акустических эффектов.
При вращении ротора его каналы периодически совмещаются с каналами статора. Скорость потока жидкости в канале статора является переменной величиной. При распространении в канале статора импульса избыточного давления, вслед за ним возникает кратковременный импульс пониженного давления, инерционные силы создают растягивающие напряжения в жидкости, что вызывает кавитацию.
Оптимального режима работы добиваются экспериментальной подгонкой размеров резонирующих элементов, регулировкой расстояния между элементами и скорости движения поглощающей жидкости.
Изобретение относится к области химической технологии, а именно к устройствам проведения и интенсификации гетерогенных химических реакций в вихревых центробежных реакторах, где в качестве реактора используется центробежный насос в режимах, обеспечивающих удельное число оборотов, а также коэффициент Ks≥2,8, и может быть использовано в химической и смежных отраслях промышленности.
Для обеспечения работы насоса в режиме кавитации необходимо чтобы требуемый кавитационный запас Δh был меньше допустимого кавитационного запаса, при этом давление жидкости в самом сжатом сечении должно быть равным или меньшим критического числа кавитации n. Эти условия обеспечивают режимы работы насоса при коэффициенте Ks≥2,8.
Значение коэффициента Ks≈2,8 является предельным для обычных насосов, при Ks≥2,8 - возникают кавитационные явления (Пирсол И. Кавитация. Пер. с англ. - М.: Мир, 1975. - 95 с.).
Сущность изобретения: устройство для проведения гетерогенных химических реакций, где в качестве реактора вихревого центробежного используется вихревой насос в режимах работы, обеспечивающих коэффициент Ks≥2,8, при котором происходит кавитационное воздействие раствора щелочного реагента на поток углеводородного сырья, на выходе из вихревого насоса установлен фазоразделитель. Устройство также может дополнительно содержать на входе эжектор.
Изобретение позволяет расширить номенклатуру устройств для проведения гетерогенных реакций, например устройств для очистки попутного добываемого газа от серосодержащих соединений.
2
2
3
2
Технический результат заключается в увеличении интенсификации процессов нейтрализации серосодержащих соединений раствором щелочного реагента, в качестве которого используется водный раствор коллоидного алюмосиликата формулы: MOO·(0,1-1,2)AlO·(4-12)SiO, где М - представляет собой катион щелочного металла или аммония (Решение о выдаче патента на изобретение от 24.04.2012 г. по заявке №2011116141, дата подачи 25.04.2011 г.; решение о выдаче патента на изобретение от 01.02.2012 г. по заявке №201111140, дата подачи 25.04.2011 г.), и окисления серосодержащих соединений кислородом, находящимся в попутном нефтяном газе.
Данное устройство работает следующим образом. Рабочая гетерогенная смесь засасывается вихревым насосом, где на всасывающей линии находится эжектор, через который подаются оба компонента. Далее поток жидкости поступает в проточную часть вихревого насоса, где вследствие увеличения давления, а затем падения давления до значения равных упругости паров жидкости на кромках колеса вихревого насоса происходит образование кавитационных полостей. Общая картина образования кавитационного пузырька представляется в следующем виде. В фазе разрежения акустической волны в жидкости образуется разрыв в виде полости, которая заполняется насыщенным паром данной жидкости. В фазе сжатия под действием повышенного давления и сил поверхностного натяжения полость захлопывается, а пар конденсируется на границе раздела фаз. Через стены полости в нее диффундирует растворенный в жидкости газ, который затем подвергается сильному адиабатическому сжатию. Следует также учитывать, что в растворенных в жидкости газах содержится больше кислорода в процентном отношении, чем в воздухе, и поэтому газы в пузырьках при кавитации химически более активны, чем атмосферный воздух. Далее гетерогенная смесь поступает в фазоразделитель, где происходит разделение гетерогенной смеси на фазы жидкость и газ. В качестве фазоразделителя может использоваться сепаратор, или центрифуга, или ультрафильтрационный узел. В сепараторе происходит разделение продуктов механической смеси на фракции с разными характеристиками, удаление твердых или жидких частиц из газа. Центрифуга служит также для разделения жидкостей различного удельного веса и отделения жидкостей от твердых тел путем использования центробежной силы. Ультрафильтрационный узел служит для отделения механических частиц от жидкости на полупроницаемой мембране. Размеры пор ультрафильтрационных мембран колеблются от 0,01 мкм до 0,1 мкм. Такой размер пор позволяет отфильтровывать, кроме механических взвесей, органические вещества с большой молекулярной массой и производить концентрирование коллоидных растворов.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1.
На фиг.1 показана общая схема устройства для проведения гетерогенных химических реакций, основным элементом которой является вихревой насос, в режиме работы, обеспечивающей коэффициент Ks≥2,8.
2
2
3
2
2
3+
2
При использовании устройства для очистки попутного нефтяного газа от серосодержащих соединений в качестве раствора щелочного реагента используется водный раствор коллоидного алюмосиликата формулы: MO·(0,1-1,2)AlO·(4-12)SiO, где М - представляет собой катион щелочного металла или аммония; алюмосиликат находится в форме сферических частиц с удельной поверхностью 300-450 м/г, поверхность частиц которого содержит алюмосиликатные анионные центры в количестве от 1,2 до 2,5 ионов алюминия Al на 10 нм поверхности. Коллоидный алюмосиликат указанной формулы получают путем введения в 10-20% раствор силиката щелочного металла гидрозоля диоксида кремния и затем гидрозоля оксида алюминия при температуре 20-90°C.
Очистка ПНГ от СС при использовании устройства осуществляется следующим образом. Расходная емкость, соединенная с всасывающим патрубком вихревого насоса, заполняется водным раствором коллоидного алюмосиликата - реагент «Силином-S», включается вихревой насос, работающий в штатном режиме. Затем, изменяя Δh, насос переводят в режим кавитации Ks≥2,8. При достижении режима кавитации во всасывающий патрубок подается ПНГ. После вихревого насоса газожидкостная смесь подается на фазоразделитель. Очищенный газ поступает в газопровод для дальнейшего использования, а водный раствор алюмосиликата поступает на регенерацию. После регенерации коллоидный раствор алюмосиликата поступает в расходную емкость для дальнейшего использования.
Предлагаемая установка содержит наполняемую емкость 1 с реагентом «Силином-S», эжектор 2, в котором поток реагента интенсивно смешивается с потоком газа (ПНГ), далее поток подается в вихревой насос 3, который работает в режиме обеспечивающий коэффициент Ks≥2,8. После вихревого насоса продукт поступает в фазоразделитель 4, который представляет из себя сепаратор газ-жидкость. Из фазоразделителя 4 поток очищенного газа подается в газопровод для дальнейшего использования, а отделенный поток раствора реагента «Силином-S» собирается в емкости 5 сбора отработанного реагента. В емкости 5 из раствора отделяется шлам, который удаляется, а реагент направляется в емкость 1.
Предлагаемая установка позволяют получить полностью очищенный от серосодержащих соединений газ, а так же на 95% очищенные бензиновые фракции.
Преимущества данной установки:
- конструктивная простота;
- создание в потоке жидкость-газ локально высоких значений температуры и давления за счет кавитационных процессов при данном режиме работы насоса;
- большая эксплуатационная гибкость: возможность проведения процессов как в системах газ-жидкость, так и в системах жидкость-жидкость за счет простой регулировки работы параметров установки.
Данное изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Авторами на основе заявленного устройства для проведения гетерогенных химических реакций разработана опытная установка «Сурок» очистки ПНГ от серосодержащих соединений, на которой проведены пилотные испытания по очистке попутного нефтяного газа с использованием реагента «Силином-S» на объекте НГДУ «Ямашнефть» ОАО «Татнефть».
2
2
3
2
3
3
3
На пилотной установке, смонтированной по предлагаемой схеме с использованием вихревого насоса, эжектора и фазоразделителя, была осуществлена очистка попутного нефтяного газа от серосодержащих соединений с использованием в качестве щелочного реагента 2 мас.% водного раствора коллоидного алюмосиликата состава NaO·AlO·4,3SiO при температуре 30-40°C. Расходы раствора алюмосиликата и газа, подаваемого на очистку, составляли соответственно 3 м/ч и 100 м/ч, при исходной объемной доле сероводорода в исходном попутном нефтяном газе, составляющей 3,23% мас. (43,04 г/м). Прирост давления газа, осуществляемый эжектором, составил 450 Па при давлении очищаемого газа на входе в установку на уровне атмосферного. При этом не требуется повышенного давления очищаемого газа. Технический результат представлен в таблице 1.
Таблица 1
Результаты очистки ПНГ от СС с использованием предлагаемого устройства
№
Компоненты газа
Концентрация массовая, г/м<sup>3</sup>
До очистки
После очистки
режим ЭКО
режим ЭКОНОМ
1
Углекислый газ
79,79
34,81
48,82
2
Кислород
0,93
0,59
0,66
3
Азот
355,89
369,00
361,23
4
Сероводород
43,04
0,00
0,02
5
Углеводороды
854,76
988,62
958,53
Таким образом, применение предлагаемого устройства для очистки ПНГ от серосодержащих соединений в разных режимах позволяет полностью очистить ПНГ от серосодержащих соединений (режим ЭКО) или довести их содержание до требований ГОСТ 5542-87 (режим ЭКОНОМ).
Пример 2.
2
2
3
2
3
3
Осуществляется на устройстве аналогично примеру 1. Производилась очистка бензиновых фракций с применением водного раствора коллоидного алюмосиликата формулы NaO·0,5AlO·5,4SiO. Концентрация алюмосиликата в щелочном реагенте соответствовала 5% мас. Расходы раствора алюмосиликата и бензиновой фракции, подаваемых в устройство, составляли соответственно 0,3 м/ч и 1 м/ч. Концентрация сернистых соединений в бензиновой фракции до очистки составляла 0,85% мас., после очистки щелочным реагентом алюмосиликатом с использованием устройства концентрация сернистых соединений в пересчете на серу составила 0,042% мас. (420 ppm), что соответствует снижению концентрации сернистых соединений в бензиновой фракции в 20 раз и степени очистки 95%.
Таким образом, как видно из примеров устройство для проведения гетерогенных химических реакций содержащее вихревой насос, работающий в режиме при котором обеспечивается коэффициент Ks≥2,8 и кавитационное воздействие на поток, можно эффективно использовать в качестве реактора для проведения гетерогенных химических реакций.