ГАЗОЖИДКОСТНОЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОКИСЛЕННЫХ НЕФТЯНЫХ БИТУМОВ
GAS-LIQUID REACTOR TO PRODUCE ASPHALTS

Изобретение относится к области нефтехимического аппаратостроения, а именно к установкам вторичной переработки нефти, и может быть использовано при получении окисленных нефтяных битумов, применяемых в различных отраслях промышленности.
Уровень техники заключается в следующем.
Известен газожидкостной реактор для получения нефтяных битумов, представляющий собой вертикальный цилиндрический пустотелый корпус, распределитель свежего воздуха и технологические патрубки для ввода исходного сырья, свежего воздуха и вывода готового продукта и отработанных газов. При работе такого реактора исходное сырье - тяжелые нефтяные остатки (гудрон, асфальты и др.), нагретые до определенной температуры, - непрерывно поступает в среднюю часть реактора, а в нижнюю его часть через патрубок и распределитель непрерывно подается расчетное количество свежего воздуха, который, проходя через слой сырья, окисляет его. Отработанные газы отводятся через патрубок из верхней части газожидкостного реактора, и после выделения из них захваченных капелек реакционной массы, обезвреживаются и выбрасываются в атмосферу. Уловленную реакционную массу возвращают обратно в газожидкостной реактор. Готовый продукт выводится на склад через патрубок, расположенный в нижней части газожидкостного реактора (Грудников И.Б. Производство нефтяных битумов. - М.: Химия, 1983. - С.73-76).
Недостатком данного газожидкостного реактора является ограниченная производительность. Это вызвано тем, что при повышенных производительностях пузырьки воздуха, выходящие из отверстий распределителя, по мере движения вверх через слой реакционной массы концентрируются в центральной части пустотелого газожидкостного реактора и укрупняются. В результате уменьшается поверхность контакта фаз, увеличивается скорость подъема и сокращается время взаимодействия воздушных пузырей с реакционной массой.
Отмеченные недостатки снижают степень использования кислорода воздуха и вызывают необходимость повышения температуры технологического процесса. Все это, в конечном счете, увеличивает непроизводительные расходы сжатого воздуха и ухудшает качество готовой продукции.
Наиболее близким по совокупности признаков и достигаемому эффекту к предлагаемому является газожидкостной реактор для получения окисленных нефтяных битумов, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого установлена горизонтальная разделительная перегородка, закрепленные в ней сливные стаканы и барботажные трубы с размещенными над ними колпачками и смонтированными в нижней части соплами, выходные отверстия которых расположены выше нижней кромки барботажных труб, технологические патрубки и распределитель свежего воздуха, причем внутри барботажных труб по всей высоте размещены конфузоры, напротив которых в стенках барботажных труб выполнены отверстия, а сечение труб имеет форму усеченного конуса, обращенного большим основанием вверх (авт. св. СССР №1247074, кл. B01J 10/00, опуб. 30.07.1986).
При работе данной конструкции процесс окисления длится несколько секунд и происходит внутри барботажных труб, в нижнюю часть которых после заполнения реактора подается воздух. Межтрубное пространство для окисления не используется. Это вызывает низкую производительность установки.
Другим недостатком данного реактора является низкая степень окисления сырья, обусловленная тем, что контакт с воздухом в барботажных трубах ведется в режиме прямотока и только в одну ступень. Попытка повышения степени окисления за счет увеличения расхода воздуха приводит к ухудшению гидродинамического режима в барботажных трубах, попаданию части его в межтрубное пространство и преждевременному удалению из реактора вместе с готовой продукцией.
Предлагаемое изобретение обеспечивает увеличение производительности газожидкостного реактора и улучшает качество готовой продукции за счет повышения степени окисления сырья. Решение данной задачи опосредовано новым техническим результатом, который заключается в повышении степени использования внутреннего объема газожидкостного реактора для проведения окислительных реакций и увеличения степени использования кислорода воздуха.
Указанный технический результат достигается тем, что газожидкостной реактор для получения окисленных нефтяных битумов, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого установлены распределитель свежего воздуха и горизонтальная разделительная перегородка с закрепленными в ней барботажными трубами и технологические патрубки, отличается тем, что горизонтальная разделительная перегородка снабжена равномерно размещенными отверстиями, барботажные трубы выполнены в виде патрубков различной длины, окруженных в нижней части концентрично установленными с образованием кольцевого зазора гильзами большего диаметра, имеющими центральные отверстия в днище, причем нижние края патрубков расположены выше отверстия в днище гильзы, а над разделительной перегородкой дополнительно установлено пеногасительное устройство, сообщающееся с входом трубопровода, соединяющего верхнюю часть цилиндрического корпуса с нижней в зоне расположения распределителя свежего воздуха.
Предпочтительно, чтобы отверстия в разделительной перегородке и в днищах гильз имели одинаковый диаметр, равный 30-40 мм, а площадь суммарного проходного сечения отверстий в разделительной перегородке и днищах гильз составляла 4-6% от поперечного сечения реактора.
Пеногасительное устройство может быть выполнено в форме горизонтальной решетки, занимающей 10-20% от площади поперечного сечения цилиндрического корпуса и сформированной вертикально ориентированными пластинами, равномерно разделяющих поперечное сечение на открытые сверху секции.
Целесообразно верхние кромки гильз располагать на равном расстоянии от разделительной решетки.
Расположение внутри газожидкостного реактора горизонтальной разделительной перегородки, снабженной равномерно размещенными отверстиями диаметром 30-40 мм с суммарным проходным сечением 4-6% от поперечного сечения реактора и выполнение барботажных труб в форме патрубков различной длины, окруженных в нижней части концентрично расположенными с образованием кольцевого зазора гильзы большего диаметра, имеющими центральные отверстия в днище, дают возможность наиболее рационально использовать внутренний объем реактора.
Уменьшение диаметра отверстий в разделительной перегородке менее 30 мм является нежелательным, так как приводит к быстрой забивке их побочными продуктами (коксовыми отложениями). Увеличение диаметра отверстий более 40 мм снижает эффективность работы газожидкостного реактора из-за ухудшения равномерности распределения пенного слоя под разделительной перегородкой.
Уменьшение суммарного проходного сечения отверстий в разделительной перегородке менее 4% приводит к резкому возрастанию сопротивления для прохождения отработанных газов в верхнюю часть реактора и накоплению их в нижней части реактора. Увеличение этого показателя свыше 6% также нежелательно, так как приводит к уменьшению объема пенного слоя, расположенного под разделительной перегородкой, и снижению степени окисления сырья.
За счет различной длины патрубки включаются в работу последовательно, что обеспечивает постоянство степени окисления сырья в широком интервале изменения производительности газожидкостного реактора.
Применение пеногасительного устройства с площадью, составляющей 10-20% от поперечного сечения реактора, в виде горизонтальной решетки, сформированной вертикально ориентированными пластинами, равномерно разделяющих поперечное сечение на открытые сверху секции, нижние окончания которых присоединены к трубопроводу с возможностью возврата продукта окисления первой стадии в зону расположения распределителя свежего воздуха, позволяет улучшить работу газожидкостного реактора за счет ускорения отделения продукта первой стадии окисления стадии от отработанных газов и его окончательного окисления на второй стадии при помощи свежего воздуха.
Уменьшение площади пеногасительного устройства менее 10% от поперечного сечения реактора приводит к ухудшению отделения продукта окисления первой стадии от отработанных газов и попаданию их в нижнюю часть реактора. Увеличение площади пеногасительного устройства более 20% не дает дополнительного улучшения качества отделения отработанных газов от жидкой фазы, но приводит к уменьшению реакционного объема и возрастанию гидравлического сопротивления верхней части реактора.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид заявляемого газожидкостного реактора, на фиг.2 - поперечное сечение А-А и на фиг.3 - поперечное сечение Б-Б газожидкостного реактора.
Газожидкостный реактор представляет собой вертикальный цилиндрический корпус 1 с технологическими патрубками 2, 3, 4 и 5 для ввода соответственно исходного сырья, свежего воздуха и вывода готового продукта и отработанных газов. Внутри корпуса 1 установлена горизонтальная разделительная перегородка 6 с равномерно размещенными отверстиями 7 диаметром 30-40 мм с суммарным проходным сечением 4-6% от поперечного сечения реактора. В разделительную перегородку 6 вмонтированы патрубки 8 различной длины, окруженные концентрично установленными с образованием кольцевого зазора гильзами 9 большего диаметра с центральными отверстиями 10 в днище 11. Нижние края патрубков 8 расположены выше днищ 11, а верхние кромки гильз 9 находятся на одинаковом расстоянии от разделительной перегородки 6. Патрубки 8 могут быть размещены по одной окружности (фиг.2). Количество патрубков 8 и соотношение их длин выбирается исходя из состава исходного сырья.
Над распределительной перегородкой 6 установлено пеногасительное устройство 12, площадь которого составляет 10-20% от поперечного сечения реактора. Пеногасительное устройство 12 представляет собой горизонтальную решетку, образованную вертикально ориентированными пластинами 13, равномерно разделяющими ее поперечное сечение на открытые сверху секции (фиг.3). Нижние окончания секций присоединены к трубопроводу 14 для возврата продукта первой стадии окисления в нижнюю часть реактора в зону расположения распределителя свежего воздуха 15 для его окончательного окисления.
Газожидкостный реактор для получения нефтяных битумов работает следующим образом.
Исходное сырье - тяжелые нефтяные остатки (гудрон, асфальты и др.), нагретое до определенной температуры, непрерывно дозируется через патрубок 2 под горизонтальную разделительную перегородку 6. В нижнюю часть корпуса 7 через патрубок 3 и распределитель воздуха 15 подается расчетное количество свежего воздуха.
Поток свежего воздуха с содержанием кислорода около 21%, проходя через отверстия распределителя 15, дробится на отдельные пузырьки, которые равномерно распределяются по поперечному сечению в нижней реакционной зоне корпуса 7, где контактируют с продуктом первой стадии окисления и окончательно окисляют его. Воздушные пузыри, выходящие из нижней реакционной зоны и содержащие сниженное количество остаточного кислорода (5-7%), поднимаются вверх до горизонтальной разделительной перегородки 6, ударяются и повторно дробятся с образованием пенного слоя определенной высоты. Сюда же поступает подогретое свежее сырье, которое интенсивно перемешивается с пенным слоем с протеканием первой стадии его окисления.
Высота пенного слоя зависит от количества поступающего воздуха и поддерживается на заданном уровне при помощи направленных вниз патрубков 8 различной длины, окруженных в нижней части концентрично установленными гильзами 9.
При минимальных нагрузках по воздуху излишек пены проходит только через отверстия 7 горизонтальной разделительной перегородки 6, и высота пенного слоя не превышает длину наиболее коротких вертикальных патрубков 8. С увеличением расхода воздуха высота пенного слоя возрастает и достигает окончаний наиболее коротких патрубков 8. После этого излишек пены начинает проникать в верхнюю часть реактора также через кольцевые зазоры между короткими патрубками 8 и гильзами 9, а также через центральные отверстия 10 в днище гильз.
При дальнейшем увеличении расхода воздуха высота пенного слоя дополнительно возрастает, и ее излишек начинает проходить и через кольцевые зазоры между патрубками 8 и концентрично установленными гильзами 9, соответственно средней и максимальной высот, а также через центральные отверстия в днищах гильз.
За счет такого последовательного включения в работу гильз 9 высота пенного слоя, удерживаемого под горизонтальной разделительной перегородкой 6, будет меняться пропорционально изменению нагрузок по воздуху. Благодаря этому обеспечивается постоянство степени окисления сырья в широком интервале изменения нагрузок на газожидкостной реактор.
Далее пена поступает в пеногасительное устройство 12, равномерно распределяется по его секциям и разделяется на продукт первой стадии окисления и отработанные газы окисления. Отработанные газы окисления через патрубок 5 выводятся из верхней части газожидкостного реактора, отделяются от захваченных капелек продукта окисления первой стадии и после обезвреживания выбрасываются в атмосферу. Уловленные капельки вместе с исходным сырьем возвращаются обратно в газожидкостной реактор.
Продукт первой стадии окисления стекает вдоль вертикальных пластин 13 в трубопровод 14, и возвращается для окончательного окисления свежим воздухом в нижнюю часть газожидкостного реактора в зону расположения распределителя свежего воздуха 15. После этого готовый продукт с заданной степенью окисления через патрубок 4 выводится из нижней части газожидкостного реактора, охлаждается и направляется на складирование.
Промышленные испытания предлагаемого газожидкостного реактора показали высокую эффективность его работы. Основные данные об испытаниях, полученных при выработке нефтяного битума марки БНД 90/130, приведены в табл.1 и 2.
Таблица 1
Основные показатели работы газожидкостного реактора
№
Наименование показателей
Прототип
Предлагаемый реактор
1
Производительность по битуму, м<sup>3</sup>/ч
30
45
2
Удельный расход воздуха, м<sup>3</sup>/м<sup>3</sup>
100-120
70-90
3
Температура процесса, °С
235-245
220-230
4
Содержание кислорода в отходящих газах окисления, об.%
2,5-4,0
1,5-2,0
Таблица 2
Основные показатели качества вырабатываемого битума (по ГОСТ 22245 - 90)
№
Наименование показателей
Прототип
Предлагаемый реактор
1
Температура размягчения по КиШ, °С
43-44
46-48
2
Пенетрация, ×0,1 мм
95-125
105-125
3
Индекс пенетрации
-1,0÷-0,7
-0,5÷+1,0
4
Температура хрупкости по Фраасу, °С
минус 19÷21
минус 24÷28
3
3
3
Благодаря двухступенчатому противоточному окислению сырья и более равномерному распределению воздушных пузырьков по всему объему реакционной массы и их повторному дроблению с образованием пенного слоя заданной высоты, достигаемому за счет использования горизонтального разделительного устройства и внутреннего пеногасителя данной конструкции, а также трубопровода для возврата продукта первой стадии окисления для окончательного окисления в зону расположения распределителя свежего воздуха, производительность газожидкостного реактора возрастает от 30 до 45 м/ч, то есть в 1,5 раза, повышается эффективность использования кислорода воздуха и за счет этого его удельный расход уменьшается от 100÷120 до 70÷90 м/м, понижается требуемая температура процесса окисления от 235÷245°С до 220÷230°С.
Одновременно с этим улучшается качество получаемого битума, о чем свидетельствует увеличение его пластичности от 95-125 до 105-125 мм, повышение температуры размягчения от 43-44 до 46-48°С и снижение температуры хрупкости от
-19…-21 до -24…-28°С.
Таким образом, заявляемая конструкция газожидкостного реактора для получения нефтяных битумов позволяет повысить производительность за счет более полного использования внутреннего объема реактора и улучшить качество получаемого продукта благодаря более глубокому и равномерному двухступенчатому окислению сырья.