Лабораторная установка для изучения реакций разложения углеводородов

ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ РЕАКЦИЙ РАЗЛОЖЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ
Полезная модель относится к конструкциям лабораторных установок для изучения промышленно-производственных процессов в области разложения углеводородного сырья, в том числе для изучения реакций пиролиза.
Известно немало конструкций, позволяющих имитировать промышленные термические процессы разложения углеводородного сырья, например, пиролиза. Так, известна конструкция лабораторной установки пиролиза (Смидович Е.В., Лукашевич И.П. Практикум по технологии переработки нефти. М.: Химия, 1978, стр. 144-149), которая содержит узел подачи жидкого углеводородного сырья в кварцевый реактор, который в свою очередь соединен с системой устройств для охлаждения, разделения и отбора для анализа продуктов процесса пиролиза. Однако конструкция этой лабораторной установки позволяет имитировать только пиролиз жидкого углеводородного сырья.
Описание различных конструкций лабораторных установок для имитирования промышленных процессов пиролиза приведены в статье Образование кокса в процессе пиролиза углеводородов, журнал «Revue de IInstitut Francais du Petrole, 1992 Г.-47, №4, стр. 537-549. Представленные в статье различные блок-схемы конструкций лабораторных установок предназначены для изучения коксообразования, протекающего во время процесса пиролиза, например, блок-схема оборудования Зундрама и Фромента, 1979 год. Эта установка содержит
2003115819
IHIIIlllHiniHIiniHIIII
2005115.819
МПК С10С1/00
специально сконструированный реактор с полным перемешиванием, узел подвода углеводородного газа - пропана в реактор совместно с азотом, узел отвода продуктов реакции пиролиза, а также электровесы для измерения скорости коксообразования. В статье также описана блок-схема экспериментального оборудования, использованного Хольменом и другими (1982 год) для изучения влияния поверхностей оборудования на образование газообразных и твердых продуктов в процессе парового крекинга пропана, в которой также имеются узел подачи сырья - пропана, реактор, печь, микровесы и узел приема продуктов разложения и их анализа. Для исследования коксообразования в линейных теплообменниках при пиролизе жидких углеводородов в лабораторных условиях в этой статье предложена блок-схема Баха и др. (1990 год), в которой также использован кварцевый трубчатый реактор, расположенный в электронагревательной печи, вовнутрь которого подведен рычаг микровесов. Основными недостатками этих лабораторных установок является то, что конструкции данных установок позволяют получать данные о коксообразовании, протекающем при пиролизе только жидкого или только газообразного углеводородного сырья.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является конструкция лабораторной установки для пиролиза углеводородов в присутствии инициирующего агента, в которой возможно проводить пиролиз нефтяных фракций в присутствии в качестве инициирующего агента атомарного водорода, полученного из этана (Мухина Т.Н., Фурер С.М., Харитонов Б.Е. Пиролиз углеводородов в присутствии инициирующего агента //НТРС Нефтепереработка и
нефтехимия, 1980, № 4, стр. 26-30). Описанная в статье лабораторная установка (рис.1, стр. 26), включает узел дозировки сырья, который предусматривает раздельную дозированную подачу этана и жидкого нефтяного сырья, блок предварительного раздельного подогрева нефтяного сырья и этана, узел совместного пиролиза продуктов разложения этана и основного сырья, узел закалки продуктов пиролиза и разделения газовой и жидкой фаз, приборы управления температурным режимом процесса на различных его стадиях. Реактор лабораторной установки представляет собой пирозмеевик, который обогревается опытно-промышленной печью, что позволяет варьировать температуру и время контакта в широком диапазоне значений, а также изменять дозирование этана и водяного пара, как на стадии подготовки инициирующей смеси, подогрева и частичного пиролиза сырья и этана, так и на стадии совместного пиролиза. Из схемы лабораторной установки видно, что пирозмеевик установки состоит как бы из 3 реакторов:
-1-ый реактор предназначен для ввода нефтяного сырья, его подогрева и частичного пиролиза при температурном режиме 700-760°С;
-2-ой реактор предназначен для ввода этана и его предварительного пиролиза при температуре 780-880°С с целью получения инициирующего агента - атомарного водорода;
-3-ий реактор предназначен для совместного пиролиза жидкого нефтяного сырья и инициирующего агента - атомарного водорода при температуре 760-840°С, причем входом третьего реактора является место объединения выходов первого и второго реакторов. п р Таким образом, конструкция данной лабораторной установки зволяет осуществлять: -совместный пиролиз жидких нефтяных фракций с газообразным инициатором - атомарным водородом, полученным предварительным пиролизом этана; -совместный пиролиз жидких нефтяных фракций непосредственно с углеводородным газом этаном или молекулярным водородом, если не проводить предварительный пиролиз этана для получения инициатора - атомарного водорода, т.е. когда 2-ой реактор будет служить лишь линией подачи этана или молекулярного водорода в нефтяное сырье для дальнейшего совместного пиролиза. Однако данная конструкция лабораторной установки имеет недостатков, а именно: -невозможность осуществления совместного пиролиза жидкого нефтяного сырья, газообразного углеводорода и инициатора, например, атомарного и/или молекулярного водорода, -невозможность осуществления совместного пиролиза жидкого нефтяного сырья, смеси газообразных углеводородов (2-х, 3-х и более компонентная смесь углеводородных газов) и инициатора, например, атомарного и/или молекулярного водорода, -невозможность осуществления совместного пиролиза жидкого нефтяного сырья, смеси газообразных углеводородов (2-х, 3-х и более компонентная смесь углеводородных газов).
-невозможность осуществления совместного пиролиза смеси газообразных углеводородов (2-х, 3-х и более компонентная смесь углеводородных газов) и инициатора, например, атомарного и/или молекулярного водорода
-качество смешения жидкого нефтяного сырья и инициатора до гомогенного состояния при слиянии потоков из 1-ого реактора и 2-ого реактора в 3-ий реактор ничем не обеспечено, т.е. нет каких либо присадок, насадок, тарелок, которые улучшали бы качество смешения.
-лабораторная установка снабжена опытно-промышленной печью для обогрева пирозмеевика, что влечет за собой резкое увеличение энергозатрат как для нагрева печи, так и для нагрева пирозмеевика в современных экономических условиях.
-наличие узлов раздельного предварительного нагрева сырья до температуры 700-760°С, раздельного предварительного пиролиза этана (780-880°С) с целью получения инициирующего агента - атомарного водорода для последующего совместного пиролиза сырья и агента при температуре760-840°С,чтоконструктивно нецелесообразно с точки зрения увеличения энергозатрат. Задачей полезной модели является создание конструкции
универсальной проточной лабораторной установки, позволяющей осуществлять как совместный пиролиз смеси жидкого и газообразного углеводородного (у/в) сырья, так и пиролиз отдельных видов газообразного и жидкого углеводородного сырья в присутствии водяного пара и/или водорода или других инициаторов. . Технический результат заявляемой полезной модели - это новая конструкция лабораторной установки, на которой возможно
имитирование условий пиролиза универсальных промышленных печей пиролиза и изучение процесса пиролиза различных типов углеводородного сырья и которая включает:
-узел подачи инициатора;
-узел подготовки и подачи жидкого сырья и воды;
-узел получения и подачи водяного пара;
-узел смешения газообразного и испаренного жидкого у/в сырья, водяного пара и инициатора;
-реактор пиролиза;
-узел приема продуктов реакции пиролиза. Отличительными признаками заявляемой полезной модели
является наличие узла смешения газообразного и испаренного жидкого у/в сырья, водяного пара и инициатора взаимосвязанного с реактором пиролиза.
Заявляемая по полезной модели конструкция лабораторной установки для изучения реакций разложения углеводородного сырья позволяет изучить процессы, протекающие в универсальных промышленных печах пиролиза, что в свою очередь позволяет экономить средства на эксплуатацию последних за счет внедрения оптимальных условий процесса, смоделированных на заявляемой лабораторной установке. Указанный результат достигается тем, что заявляемая конструкция универсальной проточной лабораторной установки содержит оригинальный узел смешения газообразного и испаренного жидкого у/в сырья, водяного пара и инициатора.
Наличие отличительных признаков от прототипа характеризует такой критерий патентоспособности полезной модели как новизна. Промышленная применимость подтверждается описанием конструкции лабораторной установки и ее эксплуатации.
Лабораторная установка для изучения реакций разложения углеводородного сырья включает (Фиг. 1):
-Узел подачи газообразного сырья, который состоит из аппаратов 1, 2, 3 для хранения индивидуальных газообразных углеводородов, соединенных трубопроводами 4, 5, 6 с коллекторным трубопроводом 7, который в свою очередь соединен со смесителем газообразных углеводородов 8. Смеситель 8 трубопроводом 9 соединен с входом для газообразного углеводородного сырья смесителя газообразного и испаренного жидкого у/в сырья, водяного пара и инициатора 28.
-Узел подготовки и подачи жидкого сырья, который состоит из мерника для жидкого углеводородного сырья 10, соединенного трубопроводом 11 через дозировочный насос 12 с испарителем жидкого углеводородного сырья 14. Испаритель 14 оборудован трубчатой электропечью 13 с возможностью нагрева до 500 °С. Испаритель 14 трубопроводом 15 соединен с входом для подачи испаренного жидкого углеводородного сырья смесителя 28;
- Узел подачи инициатора, который состоит из аппарата 16 для хранения инициатора (водорода), который трубопроводом 17 соединен с входом для подачи инициатора смесителя 28;
-Узел получения и подачи водяного пара, который состоит из мерника для воды 18, соединенного трубопроводом 19 через дозировочный насос 20 с испарителем воды 22. Испаритель 22 оборудован трубчатой электропечью 21 с возможностью нагрева до 500 °С. Испаритель 22 трубопроводом 23 соединен с входом для подачи водяного пара смесителя 28;
-Узел смешения газообразного и испаренного жидкого у/в сырья, водяного пара и инициатора, который состоит из смесителя газообразного и испаренного жидкого у/в сырья, водяного пара
и инициатора 28. Смеситель 28 имеет 2 ступени смешения сырья. 1-ая ступень смесителя 28 состоит из трех параллельных и независимых друг от друга диффузорно-конфузорных канала подвода газообразного и испаренного жидкого у/в сырья, водяного пара и инициатора на 2-ую ступень смесителя 28, которая представляет собой один диффузорно-конфузорный канал, соединенный шлифом со входом реактора пиролиза 29, если смеситель 28 и реактор 29 изготовлены из кварца, и резьбовым или сварным соединением, если изготовлены из металла;
-Реактор пиролиза 29, который оборудован трубчатой электропечью 30, позволяющей обогревать три зоны реактора А, В, С, с максимальной температурой нагрева 600°С, 900°С и 1000°С, соответственно. Выход реактора 29 соединяется с закалочноиспарительным аппаратом 31;
-Узел приема продуктов реакции пиролиза, который состоит из закалочно-испарительного аппарата (ЗИЛ) 31, соединенного трубопроводом 32 с сепаратором 33. Сепаратор 33 трубопроводом 34 соединен с аппаратом 35 для приема жидкой части продуктов реакции пиролиза, трубопроводом 36 с аппаратом 37 для сбора продуктов очистки системы смеситель-реактор-ЗИА, трубопроводом 38 с газовыми часами 39, трубопроводом 42 с аппаратом-осушителем дымовых газов выжига кокса 43, заполненным любым известным осушителем дымовых газов. Газовые часы 39 трубопроводом 40 соединены с вытяжной вентиляцией 46. Трубопровод 40 снабжен аппаратом 41 для отбора газовой части продуктов реакции пиролиза. Аппарат 43 трубопроводом 44 соединен с аппаратом-уловителем дымовых газов СО и СО2 выжига кокса 45, заполненным аскаритом, и вытяжной вентиляцией 46.
Также лабораторная установка содержит аппарат 24 для хранения азота и аппарат 26 для хранения воздуха, соединенных трубопроводами 25 и 27, соответственно, через любое известное запорно-регулирующее устройство с входом для подачи водяного пара смесителя 28.
Заявляемая по полезной модели лабораторная установка работает следующим образом:
поток индивидуальных углеводородных газов I и/или II и/или III из аппаратов 1 и/или 2 и/или 3 по трубопроводам 4 и/или 5 и/или 6, соответственно, через коллектор 7 потоком смеси газов IV из аппаратов 1 и/или 2 и/или 3 подают в смеситель углеводородных газов 8. Поток смеси газов V из смесителя углеводородных газов 8 по трубопроводу 9 подают в первый канал для газообразного углеводородного сырья смесителя 28 для смешения газообразного и испаренного жидкого у/в сырья, водяного пара и инициатора.
Поток жидкого углеводородного сырья VI из мерника 10 по трубопроводу 11 через дозировочный насос 12 и испаритель 14, снабженный электропечью 13, в испаренном виде VII по трубопроводу 15 подают во второй канал для подачи испаренного жидкого углеводородного сырья смесителя 28.
Поток инициатора (водорода) VIII из аппарата 16 по трубопроводу 17 под давлением подают в третий канал для подачи инициатора смесителя 28.
Поток воды IX из мерника 18 по трубопроводу 19 через дозировочный насос 20 и испаритель 22, снабженный электропечью 21, в виде водяного пара X по трубопроводу 23 подают одновременно во все три канала смесителя 28.
пиролиза 29. Поток XIII продуктов реакции пиролиза после охлаждения в ЗИЛ по трубопроводу 32 подают в сепаратор 33. В сепараторе 33 поток XIII разделяют на поток, состоящий из жидкой части продуктов реакции пиролиза XIV и газовой части продуктов реакции пиролиза XVI в случае работы лабораторной установки в режиме пиролиза. Поток жидкой части продуктов реакции пиролиза XIV по трубопроводу 34 подают в аппарат 35 для приема жидкой части продуктов реакции пиролиза. Поток газовой части продуктов реакции пиролиза XVI по трубопроводу 38 подают в газовые часы 39, затем по трубопроводу 40 в вытяжную вентиляцию 46, и если необходимо в аппарат - 41 для отбора газовой части продуктов реакции пиролиза.
После работы лабораторной установки в режиме пиролиза отключают подачу потока индивидуальных углеводородных газов I и/или II и/или III, потока жидкого углеводородного сырья VI и потока инициатора VIII, после чего смеситель 28, реактор 29 и ЗИЛ 31 пропаривают потоком водяного пара X при температуре пиролиза. Затем на все три входа смесителя 28 по трубопроводу 25 из аппарата для хранения азота 24 под давлением подают поток азота XI. Продукты пропарки и продувки вместе с потоком азота XI из смесителя 28, реактора 29 и ЗИЛ 31 по трубопроводу 32 поступают в сепаратор 33, откуда по трубопроводу 36 потоком XV поступают в аппарат 37 для сбора продуктов очистки системы смеситель-реактор-ЗИА. После продувки смесителя 28, реактора 29 и ЗИЛ 31 потоком азота XI лабораторную установку переводят в режим выжига кокса. Для этого прекращают подачу потока азота XI и на три входа смесителя 28 по трубопроводу 27 из аппарата 26 для хранения воздуха под давлением подают поток воздуха XII. Продукты выжига кокса (дымовые газы СО и С02) по трубопроводу 32 поступают в сепаратор 33, откуда поток дымовых газов выжига кокса XVI по трубопроводу 42 через аппаратосушитель дымовых газов 43 и трубопровод 44 поступает в аппарат-уловитель дымовых газов 45 и вытяжную вентиляцию 46.
Продукты пиролиза анализируют хроматографическими методами по известным методикам.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет имитировать различные условия, протекающие в промышленных трубчатых печах пиролиза, и изучать реакции разложения любого вида углеводородного сырья.