УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИТУМА
DEVICE FOR BITUMEN PRODUCTION

Изобретение относится к устройствам для продуцирования битумов, может быть использовано при проектировании, создании и эксплуатации битумных производств.
Известна установка (аналог) для производства окисленного битума, состоящая из реактора (колонного типа), связанного с линией подачи сырья, трубопроводами подвода агентирующих сред (окислителя, пара, воды) и магистралью отвода из установки целевого продукта - окисленного битума, а также соединенного посредством парогазового канала с конденсатором колонного типа для вывода из установки побочного продукта («черного соляра») («Альбом технологических схем и процессов переработки нефти и газа», под редакцией Бондаренко Б.И., Москва, 2003 г., стр.105-107).
Аналог имеет следующие недостатки.
1. Производство окисленного битума возможно только из промежуточного сырья (полуфабрикатов), например гудрона, остаточного битума и т.д., то есть привязано к нефтеперерабатывающим заводам территориально и/или посредством транспортных коммуникаций (логистики). Это создает проблемы, например, с доставкой товарных битумов на строительные площадки в необустроенных регионах с неразвитой инфраструктурой, но обладающих местными запасами исходного сырья, например нефти, мазута и пр., пригодного для битумного производства.
2. Окисление промежуточного сырья протекает в слое, занимающем значительный объем реактора-колонны, и поэтому такого рода процесс окисления недостаточно эффективен, требует значительного времени, хотя сам процесс и построен по принципу противотока окислителя и сырья.
3. Окисление сырья в слое затрудняет удаление из слоя парогазовой фазы, включая пары воды.
4. Использование колонной аппаратуры увеличивает массогабаритные характеристики установки.
Известно и другое устройство (аналог)для получения окисленного битума (патент на полезную модель RU №45386 U1, МПК С10С 3/04), состоящее из пустотелого реактора (колонного типа), связанного с линией подачи промежуточного сырья, трубопроводом подвода агентирующих сред (окислителя, пара), магистралью отвода целевого продукта (окисленного битума) и парогазовым каналом со встроенным в него выносным циклоном (сепаратором) для удаления капельной фазы, причем, реактор оборудован внешним кольцевым коллектором с несколькими горизонтально расположенными центробежными форсунками, (диспергаторами), предназначенными для подачи во внутреннюю полость реактора тонко-диспергированного сырья (гудрона) в виде горизонтальных факелов, а смесь воздуха (окислителя) и насыщенного пара подается в реакционную зону в виде восходящего потока.
Данному аналогу свойственны следующие недостатки.
1. Производство окисленного битума, как и у первого аналога, возможно только из промежуточного сырья, что создает описанные выше неудобства.
2. При окислении сырья не используется наиболее эффективный принцип противотока сырья и окислителя и, кроме того, - фактор звукохимической реакции окисления (патент RU №2271379 С1, МПК С10С 3/04). Это снижает эффективность окислительного процесса и увеличивает массогабаритные характеристики реактора.
3. Не использован фактор тонкого распыливания сырья для удаления из него дистиллятных фракций, ухудшающих качество окисленного битума, в том числе фракций, выкипающих до 490-500°C и представляющих собой сопутствующий продукт, ценный в технологическом и энергетическом отношениях (патент RU №22711379 С1, МПК С10С 3/04).
Известно другое устройство (прототип) для получения окисленного битума, состоящее из пустотелого реактора (колонного типа), связанного с линией подачи промежуточного сырья, трубопроводом подвода агентирующей среды (окислителя), а так же соединенного с парогазовым каналом для удаления газообразных продуктов из реактора через встроенный в последний сепаратор, причем, реактор дополнительно содержит кавитационно-вихревой аппарат, состоящий из цилиндрического стакана, с размещенной в нем акустической форсункой, подключенной к линии и трубопроводу, а стакан имеет тангенциальное подключение только к трубопроводу (патент RU №2221834 С1).
Прототип имеет следующие недостатки.
1. Производство окисленного битума так же, как и у обоих аналогов возможно только из промежуточного сырья, что создает описанные выше неудобства.
2. Для получения тонко-диспергированного сырьевого факела, используются два фактора: первичное распыливание сырья акустической форсункой (диспергатором) в ограниченном объеме стакана и последующее распыливание в объеме реактора сырья, стекающего в виде пленки по стенкам стакана, тангенциально вводимым в стакан потоком агентирующей среды (воздуха-окислителя). Это усложняет конструкцию кавитационно-вихревого аппарата и сужает возможности его практического использования в битумном производстве, когда нет необходимости применения воздуха для распыливания сырья.
3. Направления движения в реакторе сырьевых капель и потока окислителя совпадают, что снижает эффективность и увеличивает продолжительность процесса окисления в ниспадающем воздушно-сырьевом потоке - композитном факеле. Отсюда, несмотря на более совершенный, по сравнению с аналогами, принцип окисления сырья, по прежнему применяется реактор колонного типа.
4. Не использован фактор тонкого распыливания сырья для удаления из него дистиллятных фракций, ухудшающих качество окисленного битума, в том числе фракций, выкипающих до 490-500°С и представляющих собой сопутствующий продукт, ценный в технологическом и энергетическом отношениях.
Изобретение решает задачи:
1. Непосредственной переработки исходного сырья, например, нефти, мазутов в промежуточное сырье (гудрон, остаточный битум и т.п.), используемое в дальнейшем производстве битума и сопутствующих этому производству продуктов.
2. Повышение качества окисленного битума путем удаления из него сопутствующих и побочных продуктов, включая фракции, выкипающие до 490-500°C.
3. Уменьшения массогабаритных характеристик битумного производства.
Для получения необходимого технического результата пустотелый реактор выполнен в виде обогреваемой, вакуумируемой камеры со встроенными в нее сепаратором и кавитационно-вихревым аппаратом, состоящим из, по меньшей мере, двух соосно и оппозитно расположенных форсунок, соединенных каждая с линией подачи сырья и трубопроводом подвода агентирующей среды, а в парогазовом канале, связанным с верхом реактора, последовательно установлены, по меньшей мере, один конденсатор и одно откачивающее средство для удаления из реактора парогазовой фазы (смеси продуктов окисления, паров нефтяных дистиллятов и воды) и конденсации дистиллятов, причем для удаления из реактора целевого продукта, одноименная магистраль подключена к низу реактора.
Устройство выполнено по прилагаемой принципиальной схеме (фиг.1)
Устройство для получения битума состоит из реактора 1, оборудованного греющей рубашкой 2 и включающего реакционную камеру 3, парогазовую полость 4 со встроенным в нее сепаратором 5 и сборник 6 целевого продукта. Внутри реактора 1 размещен кавитационно-вихревой аппарат 7, представленный соосно и оппозитно расположенными, по меньшей мере, двумя форсунками (диспергаторами-кавитаторами): верхней 8 и нижней 9. Форсунка 8 связана с верхней линией подачи сырья 10 со встроенным в нее запорным клапаном 11 и с верхним трубопроводом 12 подвода агентирующих сред со встроенной в него запорной арматурой 13. Форсунка 9 подключена к нижней линии подачи сырья 14 со встроенным в нее запорным клапаном 15 и к нижнему трубопроводу 16 подвода агентирующих сред со встроенной в него запорной арматурой 17.
Полость 4 соединена с парогазовым каналом 18, где последовательно установлены, по меньшей мере, один конденсатор 19 с дренажным трактом 20 и, по меньшей мере, одно откачивающее средство 21 с байпасом 22 и встроенным в него запорным клапаном 23.
Сборник 6 подключен к магистрали 24 удаления из реактора 1 целевых продуктов.
Устройство действует следующим образом (фиг.2; 3; 4).
1. Переработка исходного сырья, например нефти, в промежуточное сырье, например гудрон, остаточный битум (фиг.2).
Реактор 1 приводится в рабочее состояние с помощью откачивающего средства 21, функционирующего как вакуумный насос, т.е. с камера 3, воздушно-газовая полость 4 и сборник 6 при закрытом запорном клапане 23 на байпасе 22. Одновременно задействуется греющая рубашка 2 и внутри реактора 1 устанавливается температура, при которой и заданном значении вакуума (остаточного давления) обеспечивается удаление из исходного сырья заданного вида и объема дистиллятной фазы.
Исходное сырье в подогретом состоянии по линиям 10 и 14 при открытых запорных клапанах 11 и 15 поступает, соответственно, к верхней 8 и нижней 9 форсункам, входящим в состав кавитационно-вихревого аппарата 7. При этом, например, арматура 17 закрыта, а по трубопроводу 12, при открытой арматуре 13 подается агентирующая среда - насыщенный водяной пар для предотвращения накопления в реакторе заряда статического электричества и отпаривания дистиллятов.
Исходное сырье истекает в реакционную камеру 3 в виде тонкодиспергированных капельных факелов: нисходящего, композитного из форсунки 8 и однородного, восходящего из форсунки 9. В результате соударения и дополнительного дробления капель при взаимопроникновении факелов, распыливающего действия пара, дополнительно, увеличивается поверхность теплообмена и, следовательно, интенсифицируется процесс выпаривания дистиллятов и воды, содержавшихся в исходном сырье. Для большей интенсификации тепломассообменных процессов верхний и нижний факелы имеют закрутку в противоположных направлениях. Парогазовая смесь, проходя сепаратор 5, освобождается от капельной фазы и конденсируется в конденсаторе 19 (или фракционируется в нескольких последовательно установленных конденсаторах). Не сконденсировавшийся компонент смеси по каналу 18 поступает в средство (вакуумный насос) 21, на выходе из которого утилизируется стандартными методами, например, сжигается в печи (на рисунке не показана).
В сборнике 6 накапливается целевой продукт этапа 1 - промежуточное сырье (гудрон, остаточный битум) для дальнейшего передела.
Удаление промежуточного сырья производится из сборника 6 по магистрали 24, а конденсата (дистиллятов) - по дренажному тракту 20 в раздельные бустерные емкости, вакуумированные с помощью средства 21 (на чертеже емкости не показаны).
Важной особенностью этапа I является получение промежуточного сырья, как целевого продукта для этапа II, непосредственно из исходного сырья при одновременном выделении из исходного сырья дистиллятных фракций, как сопутствующего продукта. Этот последний, в зависимости от практических задач, может быть представлен в ввиде совокупных или фракционированных дистиллятов, используемых для технологических целей (разбавитель) и/или в качестве топлива.
II. Переработка промежуточного сырья в окисленный битум (фиг.3).
Параметры (давление, температура) в реакторе 1 приводятся в соответствие с технологическим регламентом данного этапа производства битума, на котором выполняется окисление первичного сырья.
По основному варианту процесса окисления, сырье к верхней форсунке 8 поступает по верхней линии 10 при открытом клапане 11, а часть агентирующей среды (окислитель) подводится к форсунке 8 по трубопроводу 12 при открытой арматуре 13. Процесс окисления сырья начинается при совместном истечении из форсунки 8 сырья и окислителя в вследствие звукохимической реакции. Другая часть агентирующих сред (воздух-окислитель и насыщенный пар) подводится к форсунке 9 по трубопроводу 16 при открытой арматуре 17 (клапан 15 закрыт).
Форсунки 8 и 9 формируют нисходящий композитный окислительно-сырьевой факел и восходящий композитный паро-окислительный факел, соответственно. Причем, за счет диспергирующего эффекта, свойственного обеим форсункам, и противоположной закрутке факелов, сырье и окислитель в обоих факелах распределены равномерно.
При столкновении и взаимопроникновении факелов создаются необходимые условия для окисления сырья в тонко-диспергированной капельной фазе, поскольку последняя при столкновении факелов задерживается в зоне окисления, где, к тому же, постоянно обновляется окислитель. При этом, в реакторе не накапливается статическое электричество.
В результате окисления образуются побочные - газообразные продукты окисления, в том числе пары воды, которые поступают в полость 4 через сепаратор 5, где продукты освобождаются от капельной фазы Однако, температура сырьевого факела при испарении воды, образовавшейся в следствии реакции окисления, может снижаться. Во избежание ухудшения условий окисления, снижение температуры предотвращается, за счет тепла, поступающего в реакционную камеру 3 от греющей рубашки 2.
Из полости 4, в зависимости от установленного технологическим регламентом давления в реакторе 1, парогазовая смесь по одноименному каналу 18 поступает в конденсатор 19 под действием избыточного давления в реакторе 1 и/или под действием откачивающего средства 21. При удалении смеси под избыточным давлением, т.е. без участия средства 21, функционирует байпас 22 с открытым запорным клапаном 23. При регулировании давления в реакторе 1 с помощью средства 21, запорный клапан 23 закрыт и байпас 22 не действует. Несконденсировавшиеся в конденсаторе 19 продукты утилизируются описанным выше образом.
В зависимости от давления в реакторе 1, побочные продукты - конденсаты, в виде так называемого «черного соляра» удаляются из конденсатора 19 по тракту 20, а целевой продукт - окисленный битум выводятся по магистрали 24 в соответствующие, отдельно стоящие бустерные емкости самотеком или откачиваются в последние вспомогательными насосами (на рисунке не показаны).
В окислительном процессе также, в зависимости от технологического регламента, могут участвовать другие агентирующие среды, например, поверхностно-активные вещества, вводимые в факелы через линии 12 и 16 по аналогии с вводом окислителя.
III Кондиционирование окисленного битума (фиг.4). На данном этапе предусматривается кондиционирование окисленного битума за счет удаления из него фракций, выкипающих до 490-500°C.
В реакторе 1 создаются условия, аналогичные тем, что были сформированы на этапе I. Окисленный битум уже в качестве вторичного сырья подается к форсункам 8 и 9 описанным на этапе I образом. Таким же образом к форсунке 8 могут подаваться агентирующие среды. При испарении под вакуумом высококипящих дистиллятов, исключается их коксование. В результате удаления этих дистиллятов повышается качество товарного битума. Последний собирается в сборнике 6 целевого продукта и удаляется из него в отдельно стоящую бустерную емкость (на рисунке не показана) под вакуумом и/или с использованием вспомогательного насоса. Дистилляты, как сопутствующий продукт, конденсируются в конденсаторе 19 и так же удаляются в отдельно стоящую бустерная емкость (на рисунке не показана) по дренажному тракту 20 под вакуумом и/или с применением вспомогательного насоса.
Выше были рассмотрены основные примеры функционирования устройства для получения битума в виде трех основных этапов битумного производства. Конструкция устройства, будучи универсальной, позволяет осуществлять все три этапа в одном реакторе (одном типе реактора) и решать другие задачи, например, производить водно-битумные эмульсии; компаундировать остаточные и окисленные битумы; перерабатывать сырье, например, малопригодное для продуцирования битума, в топливные дистилляты, используя кавитационно диспергирующий эффект форсунок и тепловое излучение от стенок реактора и т.д. В частности, для производства водно-битумных эмульсий, разогретый битум подается в реактор 1 по линии 10 или линиям 10 и 14, а вода, в качестве агентирующей среды, подводится по трубопроводу 16 или трубопроводам 12 и 16. Выбор конкретных направлений подачи битума и подвода воды, а так же выбор параметров реактора 1, в этом случае определяются свойствами исходных материалов и конечного продукта. Итак, заявляемое устройство:
а) позволяет в рамках единой комплектации реактора 1 выполнять, по меньшей мере, основные операции по производству промежуточного сырья (остаточных битумов, гудронов), окисленных битумов и дополнительных продуктов, производимых на битумной основе, например, водно-битумных эмульсий.
Данная принципиальная особенность устройства позволяет уменьшить массогабаритные характеристики всего комплекта битумного производства, а применение соосно и оппозитно расположенных факелов создает предпосылки для миниатюризации основного производственного оборудования - реактора;
б) создает условия для упрощения комплектации битумного производства и тем самым снижаются построечные затраты на его создание.
В итоге повышается эффективность производства битумов и создаются необходимые предпосылки для приближения битумного производства к местам проведения строительных, в частности, дорожных работ, упрощается логистика.