Способ получения сорбента для сбора нефти и нефтепродуктов
METHOD OF PRODUCING SORBENT FOR COLLECTING OIL AND OIL PRODUCTS

Изобретение относится к способам получения сорбентов для очистки поверхности воды и поверхности земли  от загрязнения нефтепродуктами.
Известен  способ получения сорбента для очистки поверхностей от нефтепродуктов при котором целлюлозосодержащее сырье подвергают экструдированию с одновременным автогидролизом при температуре не менее 100°С, давлении не менее 10 МПа и механической деформации сдвиг-сжатие. Техническим результатом изобретения является сокращение времени и энергоемкости процесса получения сорбента из целлюлозосодержащего сырья (патент РФ № 2266159, опубл. 20.12.2005 г.).
Также известен способ получения сорбента для очистки воды от легких нефтепродуктов на основе целлюлозосодержащего материала путем его термообработки, где в качестве целлюлозосодержащего материала используют верховой торф моховой группы малой степени разложения, который предварительно измельчают с последующим гранулированием до получения гранул диаметром 2÷3 мм, а термообработку проводят при температуре 165÷175°С без доступа воздуха в течение 40÷60 минут. При этом перед термообработкой торфяные гранулы их подсушивают до влажности 14÷16% в естественных условиях (патент РФ № 2270718, опубл. 27.02.2006 г.).
Известные способы получения сорбента из целлюлозсодержащих материалов являются трудоемкими, не обеспечивают высокого выхода сорбента по отношению к исходному сырью, а сам сорбент не обеспечивает высокой сорбционной емкости для нефти и нефтепродуктов.
Известен способ  торрефикации древесного сырья, который включает стадию сушки древесного сырья, стадию торрефикации при температуре 230-290°С и охлаждение, при этом древесное сырье загружается в барабаны, которые скатываются за счет силы тяжести по наклонным направляющим, вращаясь вокруг своей оси, и последовательно перемещаются через зону сушки, зону торрефикации и зону охлаждения, теплоноситель для сушки и торрефикации подается на внешнюю поверхность барабанов и в полость барабанов через перфорированные трубы, установленные по оси барабанов, образуя кольцевую полость для загрузки древесного сырья, пиролизные газы и водяной пар выводятся из полости барабанов посредством сквозных отверстий перфорированных труб через отверстия в съемных крышках барабанов (патент РФ № 2714649, опубл. 18.02.2020 г.).
Торрефикат, получаемый известным способом, не описан как сорбент, применяемый для сбора нефти и нефтепродуктов. Кроме того, выход готового торрефиката по отношению к исходному сырью является недостаточно высоким.
Наиболее близким техническим решением является способ получения сорбента для очистки воды от нефтепродуктов, включающий термообработку исходного целлюлозосодержащего материала, при этом термообработку ведут в автоклаве до температуры смоловыделения при 180-210°C в течение 2-3 часов (патент РФ № 2112594, опубл. 10.06.1998 г.).
Недостатком данного технического решения является то, что при получении сорбента в автоклаве или ретортах наблюдается пережег или недожег готового продукта, а также его комкование, что снижает выход готового продукта. Экспериментальные данные показывают, что потери могут составлять 12-16% от объема загружаемого сырья.
Технической задачей заявляемого изобретения является увеличение выхода эффективного сорбента для сбора нефти и нефтепродуктов из единицы объема исходного целлюлозосодержащего сырья.
Достигаемый технический результат – обеспечение высокого качества сорбента для сбора нефти и нефтепродуктов при одновременном высоком его выходе из единицы объема исходного целлюлозосодержащего сырья.
Техническая задача достигается тем, что заявляется способ  получения сорбента для сбора нефти и нефтепродуктов, который осуществляют   путем его сушки при нагревании, последующей термической обработки и охлаждения в условиях ограниченного доступа воздуха в течение не менее двух часов отличающийся тем, что в качестве целлюлозосодержащего материала берут отходы деревообработки в виде щепы или опила древесных пород, одновременно с термической обработкой отходы деревообработки подвергают вращению в замкнутом цилиндрическом объеме, из которого имеется возможность вывода  пиролизных газов и пара,  а внутри замкнутого цилиндрического объема размещен по меньшей мере один закладной элемент прямоугольной формы, который в процессе вращения воздействует на отходы деревообработки и внутренние стенки замкнутого цилиндрического объема, при этом термическую обработку  отходов деревообработки ведут предпочтительно при температуре  190-230°С.
В качестве закладного элемента прямоугольной формы используют предпочтительно металлическую пластину.
Замкнутый цилиндрический объем представляет собой барабан, выполненный из металла, который снабжен перфорированной трубой, размещенной внутри барабана  и предназначенной  для отвода образующихся пиролизных газов и пара.
В качестве целлюлозосодержащего материала берут отходы деревообработки в виде щепы или опила древесных пород, например, ель, сосна, лиственница, береза, осина или их смесь.
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается следующими признаками:
-  отходы деревообработки одновременно с термической обработкой подвергают  вращению  в замкнутом цилиндрическом объеме;
-   при вращении на отходы деревообработки и внутренние стенки замкнутого цилиндрического объема дополнительно воздействуют по меньшей мере одним закладным элементом;
- закладной элемент имеет прямоугольную форму;
- температурную обработку  отходов деревообработки ведут предпочтительно при температуре  190-230°С.
-  замкнутый цилиндрический объем  выполнен с возможностью вывода пиролизных газов и пара.
Поэтому можно предположить, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».
Заявляемое техническое решение может быть реализовано с использованием известных технических средств, поэтому оно соответствует критерию «промышленная применимость».
Особенностью способа является то, что при вращении в замкнутом цилиндрическом объеме в процессе температурной обработки  происходит постоянное  и интенсивное перешивание сырья. Поэтому в заявляемом техническом решении  не возникает слипания сырья в комки, и значительно снижается вероятность пережега или недожега  готового продукта. Также следует отметить, что оптимальные размеры частиц сорбента, которые обеспечивают требуемую сорбционную емкость и эффективный сбор нефтепродуктов достигаются также тем, что  в закрытый объем вводят  по меньшей мере один закладной  элемент в виде металлической  пластины. При получении сорбента может использоваться сырье, которое долгое время находилось в отвалах  и в зимний период представляет собой  смержщиеся комки. Металлическая пластина при вращении замкнутого цилиндрического объема разбивает эти комки и соскребает прилипшее сырье с внутренних  стенок закрытого цилиндрического объема, например, барабана. Кроме того,  металлическая пластина внутри вращающегося замкнутого цилиндрического объема обеспечивает также измельчение готового продукта и получение сорбента определенной фракции (рис.6), при этом она дополнительно нагревается и излучает тепло внутри закрытого цилиндрического объема, что увеличивает равномерность прогрева сырья в процессе его термической обработки.Заявителем в процессе исследованийприменялись различные закладные элементы  для измельчения сырья, например, игольчатые, дугообразные элементы, шарообразные и т.п. Испытания показали что наиболее эффективно в закрытом объеме ведет себя закладной элемент в виде металлической пластины.
В результате патентно-информационных исследований заявляемая совокупность признаков выявлена не была, поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Для получения сорбента из целлюлозосодержащего материала, в частности опила и стружки,  была  спроектирована и изготовлена  промышленная установка (далее ПУ)  которая изображена на Фиг.1, Фиг. 2, Фиг.3, Фиг.4. На Фиг. 5 показан готовый сорбент полученный из щепы сосны без применения закладного элемента в виде металлической пластины, на Фиг.6 показан сорбент, изъятый сразу после термообработки из ПУ с использованием закладного элемента в виде металлической пластины, на Фиг.7 показана изотерма кинетики сорбции полуторрефиката осины при 20°С, на Фиг.8 показан вид с торца на барабан с вставленной металлической пластиной, на Фиг.9 показан закладной элемент в виде металлической пластины.
Промышленная установка (ПУ) выполнена на  трубном основании 1, в виде полозьев, которые позволяют путем скольжения перемещать ПУ в нужное место. Трубное основание  1  жестко приварено  к днищу нижней части корпуса 2, к которому через шарнир 3 крепится крышка 4. Верхняя часть корпуса 4  имеет возможность  подъема относительно шарнира 3 с помощью кронштейна 5, к которому крепится трос 6 и имеется возможность поднимать и опускать крышку 4 для загрузки и выгрузки двух барабанов 7.
Подъем и опускание крышки 4 производится механической лебедкой 8, которая передает усилие на трос 6 через вертикальную стойку 9 и блок 10.
В cечении G-G (Фиг.1) видно, что крышка 4 выполнена в два слоя из металла 11 с  помещенной внутрь термоизоляцией 12, например, в виде хорошо известного утеплителя - перлита, который засыпан между сварных и герметичных листов металла 11 толщиной 3 мм. Также с утеплителем выполнена нижняя часть корпуса 2. В  крышку 4 установлен термодатчик 13, который  передает электрический  сигнал на цифровой  пульт управления 14.
Для регулировки требуемой температуры  служит  электрический вентилятор поддува 15, который в зависимости от требуемой температуры заданной на цифровом пульте управления 14 устанавливает и регулирует требуемую температуру горения дров в  камере сгорания  16  расположенной в нижней части корпуса 2, где имеется клапан подачи воздуха 17, который регулируется рычагом 18, который либо полностью  закрыт и препятствует подаче воздуха,  либо частично  или  полностью открыт для подачи воздуха  клапаном  17  и интенсификации горения дров.
Загрузка дров или  любого другого  вида твердого топлива для обеспечения  требуемой  для термообработки   температуры (предпочтительно не ниже 190 и не выше 230°С)  производится через загрузочный люк 19, который смонтирован на шарнирах 20 и имеет возможность откидываться до упора в землю  и фиксируется  в закрытом положении после загрузки требуемого количества дров с помощью опускающегося и вращающегося   упора - защелки 21 выполненной в виде Г-образной  подвижной щеколды.  Рабочим органом ЭУ являются барабаны 7. Особенностью барабанов 7 (Фиг.3) является то, что по оси барабана к его днищу 22 приварена  перфорированная труба  23, через которую из барабана 7 выводится пар с газообразными продуктами пиролиза. В барабан 7 устанавливается закладной элемент в виде металлической пластины 33 (в нашем случае размер подобранной  пластины составил   5×70×790 мм, Фиг.8).
При термообработке сырья барабаны 7 приводятся во вращение.  Для вращения   барабанов  7, выполненных  для данной ПУ из  стандартных бочек  200 литровой емкости  со съемной  крышкой  24 (Фиг.4),    и  кольцевым  П-образным  хомутом  25, который за счет рычага 26  защелкивается  на крючке 27 предусмотрено три вращающихся  вала со звездочками  28, которые за счет  цепной передачи  29  от приводной звездочки 30 приводятся  во вращение от мотор - редуктора 31, который имеет возможность  регулирования нужной частоты вращения кольцеобразных барабанов 7 заполненных мелкоизмельченным древесным сырьем в виде щепы и опила. В верхней части крышки 4 установлена дымовая труба 32, через которую отводятся дымовые газы от сгорания дров и излишки тепла.  Вращение барабанов 7 производится по заданной программе. Закладной элемент в виде прямоугольной металлической пластины 33 при вращении барабана 7 способствует перемешиванию сырья, и разбивает скомковавшееся сырье в процессе его термической обработки, затем измельчает готовый сорбент,  и соскребает частицы сырья, прилипшие к внутренней поверхности барабана 7.
В таблице 1 приведены режимы термообработки различных пород измельченного древесного сырья, которые применялись на ПУ.
После проведения термической обработки готовый сорбент из барабанов 7 был удален. Комкования, пережега готового сорбента не зафиксировано, а также отсутствует прилипание  обработанного сырья на снеках барабанов 7, т.е. весь объем исходного сырья, загруженного в барабан 7, является готовым сорбентом для нефтепродуктов (Фиг.7).
В таблице 2 приведены данные о выходе готового продукта из ПУ.
Заявителем  в  ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России  Б.Н. Ельцина», под руководством заведующего лабораторией анализа и сертификации полимерных материалов д.х.н., профессора С.А. Вшивкова   были проведены исследования  по оценке сорбции образцов сорбента, которые были получены при температуре обработки 200-230°С. В научно-техническом отчете профессора С.А. Вшивкова исследуемый сорбент определен как полуторрефикат, т.е. в указанном температурном интервале обработки, получаемый сорбент представляет собой промежуточный продукт пиролиза древесных частиц, обладающих развитой сорбционной поверхностью и обладающего эффективностью по отношению к нефти и нефтепродуктам. В таблице 3 приведены результаты исследований сорбции полуторрефиката, полученного согласно заявляемого изобретения из опила осины.
Проведенные исследования подтверждают высокий выход сорбента для сбора нефти и нефтепродуктов из единицы объема исходного целлюлозосодержащего сырья, а также высокую эффективность заявляемого сорбента при сборе нефти и нефтепродуктов.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет увеличить выход эффективного сорбента для сбора нефти и нефтепродуктов.