УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕФТЯНОГО БИТУМА

Полезная модель относится к нефтепереработке, в частности касается установок для получения нефтяного битума различных марок, используемых в дорожном строительстве, гидротехнике, производстве кровельных материалов и других областях народного хозяйства.
Известны установки для получения нефтяных битумов, в которых процесс окисления тяжелых нефтяных остатков осуществляется кислородом воздуха в реакторах колонного типа, в которых реакции окисления протекают в жидком слое на границе пузырька воздуха, проходящего через этот слой жидкости. Создать стабильную и высокодисперсную реакционную смесь (окисляемого продукта и воздуха) в этом случае сложно, т.к. пузырьки воздуха при столкновении соединяются и увеличиваются в размере. Это затрудняет контакт кислорода воздуха с окисляемым продуктом и снижает скорость реакций окисления. [1. Грудников И.Б. Производство нефтяных битумов, М., Химия, 1983, с.55-66. 2. Гунн Р.Б. Нефтяные битумы, М., 1973. с.207-237].
Установки с реакторами окисления колонного типа используются, в основном, в промышленности для крупнотоннажных производств с мощностью до 300000 тонн в год.
В настоящее время значительное развитие получили малотоннажные установки, производящие разные марки битума, необходимого для небольших предприятий, производящих товарную продукцию для кровельных, изоляционных, гидротехнических и др. материалов, в которых в качестве одного из основных компонентов используют нефтяные битумы.
Известна установка для получения нефтяного битума с использованием бескомпрессорного способа окисления тяжелых нефтяных остатков [1, с.129-130]. Основным аппаратом данной установки является горизонтальный цилиндрический реактор, разделенный на несколько реакционных секций. В каждую секцию установлены диспергаторы специальной конструкции, которые обеспечивают засасывание и диспергирование воздуха в окисляемом продукте. Недостатками ее являются: малое время контакта воздуха с окисляемым продуктом, низкая степень использования кислорода воздуха, высокий удельный расход электроэнергии и большой объем ремонтно-восстановительных работ при эксплуатации диспергаторов, из-за их сильного коксования.
В другой известной установке окисление нефтяных остатков осуществляют в трубном реакторе вертикального типа. Конструкция данного реактора представляет собой змеевик из вертикальных труб соединенных между собой калачами. [1, с.130-132]. Высокоскоростной режим работы смесителя и реактора формирует высокодисперсную пенную реакционную смесь. Реакции окисления протекают в трубках змеевика в тонком пенном слое, что интенсифицирует контакт кислорода с нефтепродуктом и скорость реакций окисления. Разделение газообразных и жидких продуктов окисления происходит в вертикальном сепараторе.
Однако работа этой установки имеет ряд недостатков: конструкция реактора предусматривает многократное движение потока пенной реакционной смеси вверх и вниз, что не позволяет обеспечивать однородность реакционной смеси на всей длине трубного реактора; змеевик имеет большое гидравлическое сопротивление, поэтому для работы реактора требуется иметь давление воздуха на входе в смесительное устройство не ниже 0.7 МПа.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели «Установка для получения нефтяного битума» является «Мини-битумная установка» [3, Патент РФ №29930,2002 г., Бюл. №16, Оп. 10.06.2003 г.].
Известная мини-битумная установка включает: реактор-окислительную колонну с установленным внутри нее распределителем-активатором, смеситель-диспергатор, горизонтальный сепаратор для отделения парообразных продуктов окисления от битума, насосы - сырьевой, циркуляционный и вывода товарного битума, аппарат для разделения газообразных и жидких продуктов окисления, обогреваемые емкости для хранения сырья и товарного битума, узел смешения для получения смесевых битумов и линии ввода сырья в поток реакционной смеси, выходящей из колонны, и в смеситель-диспергатор.
Основными недостатками ее работы являются: низкая мощность установки и недостаточно высокая эффективность работы распределителя-активатора, установленного внутри колонны, что приводит плохому распределению воздуха в окисляемом продукте, низкой степени использования кислорода и к коксованию нижней части колонны.
Технической задачей заявляемой полезной модели является создание высокоэффективной установки для получения нефтяного битума, в реакторе окисления которой поддерживается стабильный и высокодисперсный состав реакционной смеси (окисляемый продукт - воздух), высокая скорость окисления и степень использования в них кислорода воздуха.
Поставленная техническая задача решается тем, что схема заявляемой установки, в отличие от существующей «Мини-битумной установки», в качестве реактора окисления, взамен окислительной колонны, включает новый неизвестный ранее горизонтальный трубный реактор, который состоит из двух частей - внешней и внутренней, смонтированной внутри сепаратора.
Разработанная конструкция горизонтального трубного реактора в результате исключения многократных поднимающихся и опускающихся ветвей, имеющихся в известном вертикальном трубном реакторе, обеспечивает стабильный и высокодисперсный состав пенной реакционной смеси по всей длине трубного реактора. Это активизирует протекание реакций окисления исходного сырья и способствует более полному использованию кислорода воздуха в этих реакциях. Включение в состав установки внутренней части горизонтального реактора, смонтированной внутри сепаратора, позволяет рационально использовать тепло от реакции окисления, сократить тепловые потери и снизить время разогрева и пуска установки, что очень важно при периодическом способе работы установки.
Схема установки (см. Фиг. - 1) и описание ее работы приведены ниже.
Нагретое до требуемой температуры сырье (I) из емкости 1 сырьевым насосом 2 закачивается в сепаратор 3 (не более 2/3 его объема). После заполнения сепаратора нагретым сырьем налаживается замкнутая циркуляция (постоянная перекачка) сырья из сепаратора 3, циркуляционным насосом 4, через смеситель-диспергатор 5, внешний трубный реактор 6, внутренний трубный реактор 7 опять в сепаратор 3. После стабилизации работы циркуляционного насоса 4 в смеситель-диспергатор 5 подается воздух (II) от компрессора. В смесителе-диспергаторе 5 воздух смешивается с циркулирующим продуктом окисления из сепаратора 3 и при высоком скоростном режиме образуется высокодисперсная пенная реакционная смесь, которая в период прохождения горизонтального трубного реактора (внешней части 6 и внутренней части 7) остается стабильной и однородной на протяжении всей длины трубного реактора. Это обеспечивает хороший контакт кислорода воздуха с тяжелыми нефтепродуктами в тонком пенном слое, активизирует протекание реакций окисления исходного сырья и позволяет поддерживать высокую степень использования кислорода воздуха. Продукты реакции после внутренней части горизонтального реактора 7 поступают в сепаратор 3, где происходит отделение парообразных продуктов окисления (III) от тяжелого жидкого остатка - битума (IV). Продолжительность процесса окисления определяется маркой нефтяного битума.
В зависимости от наличия сырья или от производственной необходимости установка может работать в периодическом или непрерывном вариантах. При периодическом варианте работа установки осуществляется следующим образом: после получения в сепараторе 3 товарного битума процесс окисления прекращается (останавливается циркуляция окисляемого продукта и подача воздуха в сместель-диспергатор 5) и полученный битум (IV) в полном объеме из сепаратора 3 насосом 8 откачивается в обогреваемую емкость 9 для хранения и реализации. При непрерывном варианте работы после получения в сепараторе 3 товарного битума процесс окисления не прекращается. При этом расчетное количество полученного товарного битума (IV) из сепаратора 3 насосом 8 постоянно откачивается в обогреваемую емкость 9 на хранение и реализацию. Одновременно с откачкой части битума из сепаратора 3, такое же количество исходного сырья насосом 2 по линии 11 постоянно подается в смеситель-диспергатор 5. В нем исходное сырье смешивается с основным потоком пенной реакционной смеси, окисляется во внешней и внутренней частях горизонтального трубного реактора и затем продукты реакции поступают на разделение в сепаратор 3.
Получение смесевых битумов при любом варианте работы установки осуществляется по следующей схеме. Товарный битума (IV) из сепаратора 3 насосом 8 откачивается в узел смешения 10 где смешивается с разбавителем (V). После узла смешения, смесевой битум (VI), направляется в емкость 9 на хранение и реализацию.
Парообразные продукты окисления из сепаратора 3 направляются в скруббер 12 для разделения газообразных и легких жидких продуктов, сверху которого газы окисления (VII) выводятся в трубу или печь для сжигания и утилизации, а снизу выводятся легкие жидкие продукты (VIII), которые используются в виде топливного компонента.
Результаты получения кровельного битума БНК 90/30 на предлагаемой установке в сравнении с прототипом приведены в таблице.
Таблица
Показатели
Прототип
Предлагаемая установка
Производительность, т/с
25
50
Содержание кислорода в газах окисления, % масс.
6
2
Степень использования кислорода, % масс.
71.5
91.5
Качество битума БНК 90/30 Температура размягчения по КИШ, °C,
90
90
Пенетрация при 25°С, мм<sup>-1</sup>
27
32
-1
Из приведенных в таблице данных видно, что в результате использования в схеме установки нового горизонтального трубного реактора повышается производительность установки в два раза, снижается содержание кислорода в газах окисления с 6 до 2% масс., а степень использования кислорода повышается с 71.5 до 91.5% масс. При этом улучшается качество битума, так пенетрация его при 25°C увеличивается с 27 до 32 мм, при одинаковой температуре размягчения по КИШ -90°C. Необходимо отметить, что за счет упрощение конструкции горизонтальный трубный реактор имеет ниже гидравлическое сопротивление. Это подтверждает то, что нормальная работа смесителя-диспергатора и всего горизонтального трубного реактора обеспечивается подачей воздуха от компрессора с давлением не более 0.4 МПа.
Таким образом, предлагаемая полезная модель «Установка для получения нефтяного битума», которая в качестве реактора окисления включает горизонтальный трубный реактор, состоящий из двух частей - внешней и внутренней, смонтированной внутри сепаратора, обладает новизной и промышленной осуществимостью. Горизонтальный трубный реактор обеспечивает однородный и высокодисперсный состав пенной реакционной смеси (смесь окисляемого продукта и воздуха) на протяжении всей длины реактора, что способствует активизации реакций окисления и высокой степени использования кислорода воздуха. Установка проста в обслуживании, имеет низкие капитальные и производственные затраты, позволяет получать различные марки товарного нефтяного битума и может быть использована на производствах потребителя.