УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИТУМА

Полезная модель относится к нефтеперерабатывающей промышленности, а более конкретно к установкам для получения битума путем окисления нефтяного сырья, предпочтительно гудрона, кислородом воздуха в окислительных колоннах и может быть использована при получении окисленных нефтяных битумов, применяемых в различных отраслях промышленности, в строительстве и при прокладке дорог.
Известна установка для получения битума, содержащая окислительную колонну с пустотелым корпусом, в нижней части которого установлен диспергатор, линию подвода сжатого воздуха к диспергатору, линию подвода нефтяного сырья в колонну, линию отвода получаемого битума и линию отвода из верхней части колонны газообразных продуктов окисления (патент RU 2067108, С10С 3/04, опубл. 27.09.1996).
Недостатком данной установки является отсутствие возможности создания избыточного давления в колонне, которое, как известно, является одним из основных факторов, повышающих эффективность процесса получения окисленных битумов, поскольку позволяет сократить продолжительность окисления нефтяного сырья в колонне, улучшить тепло-морозостойкость окисленных битумов и увеличить интервал их пластичности, а также позволяет регулировать состав и свойства получаемых битумов путем соответствующего подбора величины избыточного давления (Гун Р.Б. Нефтяные битумы. М., «Химия», 1973 г., с.133-135).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является принятая за прототип установка для получения битума, содержащая окислительную колонну с пустотелым корпусом, днищем, крышкой и диспергатором, расположенным в нижней части окислительной колонны, линию подвода нефтяного сырья в окислительную колонну с установленным в ней подающим насосом, линию подвода сжатого воздуха к диспергатору с установленным в ней регулятором расхода сжатого воздуха, линию отвода битума из окислительной колонны с установленным в ней первым откачивающим насосом, линию отвода газообразных продуктов окисления из верхней части окислительной колонны, систему управления и подключенные к ее входам своими выходами датчики избыточного давления и температуры газообразных продуктов окисления в верхней части окислительной колонны и, по меньшей мере, один датчик температуры окисляемого сырья, заполняющего колонну, при этом линия отвода газообразных продуктов окисления подключена к нижней части скруббера (Гун Р.Б. Нефтяные битумы. М., «Химия», 1973 г., с.293-297, 345-348).
В отличие от установки по патенту RU 2067108, данная установка позволяет создавать избыточное давление в окислительной колонне за счет противодавления, создаваемого на пути движения газообразных продуктов окисления столбом сконденсированных продуктов окисления, заполняющих скруббер. Вместе с тем, в принятой за прототип установке отсутствует возможность регулирования и поддержания величины избыточного давления в верхней части колонны в заданных пределах, оптимальных для работы окислительной колонны, вследствие чего в процессе работы окислительной колонны возможна повышенная коагуляция окисляемого сырья в колонне и, как следствие, повышенное пенообразование над уровнем окисляемого сырья. По этой же причине возможно чрезмерное повышение скорости движения воздуха вверх через окисляемое сырье, снижающее интенсивность процесса растворения воздуха в окисляемом сырье, что приводит к снижению интенсивности реакции окисления нефтяного сырья в колонне и повышению содержания в верхней части колонны остаточного кислорода воздуха, не использованного по своему прямому назначению - для окисления нефтяного сырья.
В свою очередь, повышенное пенообразование в верхней части колонны повышает затраты на борьбу с пенообразованием и увеличивает непродуктивный вынос окисляемого сырья из колонны вместе с газами окисления, что снижает выход битума; снижение интенсивности реакции окисления нефтяного сырья в колонне снижает производительность колонны по битуму и повышает расход сжатого воздуха, а повышение остаточного кислорода в верхней части колонны увеличивает затраты, связанные с необходимостью проведения мероприятий по снижению уровня пожаро- и взрывоопасности в верхней части колонны.
Другим недостатком установки по прототипу является отсутствие возможности обеспечения равномерного нагрева находящегося в окислительной колонне объема окисляемого сырья с равномерным распределением температуры последнего в поперечных сечениях внутренней полости колонны. При этом известно, что вязкость окисляемого сырья и, соответственно, гидравлическое сопротивление, оказываемое окисляемым сырьем движению по нему воздуха, по законам гидро- и теплодинамики напрямую зависит от температуры окисляемого сырья. В связи с этим, неравномерный нагрев окисляемого сырья в колонне приводит к неравномерному распределению вязкости и указанного гидравлического сопротивления окисляемого сырья в поперечных сечениях внутренней полости колонны, что обуславливает неравномерное распределение и неравномерное растворение кислорода воздуха в окисляемом сырье. Причем, при неравномерном нагреве окисляемого сырья температура последнего в центральной части колонны, расположенной вблизи ее оси, может быть значительно выше, чем вблизи стенок корпуса колонны, через которые отводится большая часть тепла, что и вызывает большой перепад температуры окисляемого сырья в центре и у стенок колонны.
В свою очередь, неравномерное распределение и неравномерное растворение кислорода воздуха в окисляемом сырье с большим перепадом температуры окисляемого сырья в центре и у боковых стенок колонны приводит к неравномерному протеканию реакции окисления по объему окисляемого сырья, заполняющего колонну. При этом в центральной части колонны, где выше температура окисляемого сырья, реакция окисления протекает более интенсивно, чем у боковых стенок колонны, где температура окисляемого сырья может быть ниже в несколько раз в сравнении с температурой в центральной части колонны. В связи с этим, вязкость и, соответственно, гидравлическое сопротивление окисляемого сырья вблизи боковых стенок колонны может быть в несколько раз выше, чем в центральной части колонны, что может вызвать появление отрицательной петли обратной связи с цепным снижением интенсивности реакции окисления вблизи боковых стенок колонны, где воздух не способен проникать в требуемом объеме в чрезмерно вязкое нефтяное сырье и, соответственно, реакция окисления сырья протекает в замедленном темпе с низким тепловыделением. В результате находящееся у боковых стенок колонны сырье еще больше теряет температуру, что вызывает дальнейшее цепное снижение температуры и вязкости окисляемого сырья вблизи боковых стенок колонны вплоть до полного прекращения прохождения воздуха через окисляемое сырье и, соответственно, полного прекращения реакции окисления вблизи боковых стенок колонны. Причем более интенсивное протекание реакции окисления в центральной части колонны еще больше повышает температуру окисляемого сырья в центре колонны и может поднять указанную температуру до такого неприемлемого уровня, при котором в окисляемом сырье, находящемся в центральной части колонны, может спонтанно возникнуть неконтролируемое ядро термонапряжения с аномально высокой температурой, достигающей 350-400°С. При такой высокой температуре в указанном ядре образуется кокс и выпадает графит, при этом графит ухудшает адгезионные свойства получаемого битума, а фрагментарные включения кокса снижают качество получаемого на установке битума, а при недопустимо высоком содержании графита и кокса получаемый битум может оказаться полностью некондиционным. Кроме того, наличие в центральной части колонны 1 упомянутого неконтролируемого ядра термонапряжения с аномально высокой температурой окисляемого сырья требует постоянного отвода тепла от перегретого окисляемого сырья путем нагнетания в верхнюю часть колонны 1 воды, пара или охлаждающего газа, например, азота, что повышает общие затраты, связанные с получением битума и, соответственно, снижает рентабельность производства битума.
Еще одним существенным недостатком установки по прототипу является отсутствие в ней возможности обеспечения равномерного нетурбулизированного режима движения окисляемого сырья внутри окислительной колонны. При этом свойственный установке по прототипу турбулентный режим движения окисляемого сырья в колонне приводит к расслоению окисляемого сырья с неравномерным растворением кислорода воздуха в разных слоях окисляемого сырья, что вынуждает увеличивать температуру окисляемого сырья с тем, чтобы заставить окисляться все его слои. Указанный вынужденный подъем температуры окисляемого сырья может также спровоцировать образование в центральной части колонны упомянутого выше неконтролируемого ядра термонапряжения с аномально высокой температурой, при которой возможно образование в окисляемом сырье кокса и выпадение графита.
В результате неравномерного протекания реакции окисления по объему окисляемого сырья при неравномерном нагреве последнего, а также в результате обусловленного турбулентным режимом движения расслоения окисляемого сырья с неравномерным растворением кислорода воздуха в разных слоях окисляемого сырья на выходе установки получается битум с нестабильными свойствами, содержащий как неокисленный гудрон, так и переокисленный битум, а также кокс и графит. При недопустимо высокой нестабильности свойств битума и недопустимо большом содержании в нем графита и кокса получаемый битум может стать вообще некондиционным.
Таким образом, отмеченные недостатки, вместе взятые, снижают эффективность работы установки и качество получаемого на ее выходе битума.
Задачей полезной модели является создание установки для получения битума, конструкция которой обеспечивает возможность регулирования и поддержания величины избыточного давления в верхней части колонны в заданных пределах, оптимальных для работы окислительной колонны, возможность равномерного нагрева находящегося в окислительной колонне объема окисляемого сырья с равномерным распределением температуры последнего в поперечных сечениях внутренней полости колонны и возможность равномерного нетурбулизированного режима движения окисляемого сырья внутри окислительной колонны.
Решение поставленной задачи достигается тем, что предлагаемая установка для получения битума, содержащая окислительную колонну с пустотелым корпусом, днищем, крышкой и диспергатором, расположенным в нижней части окислительной колонны, линию подвода нефтяного сырья в окислительную колонну с установленным в ней подающим насосом, линию подвода сжатого воздуха к диспергатору с установленным в ней регулятором расхода сжатого воздуха, линию отвода битума из окислительной колонны с установленным в ней первым откачивающим насосом, линию отвода газообразных продуктов окисления из верхней части окислительной колонны, систему управления и подключенные к ее входам своими выходами датчики избыточного давления и температуры газообразных продуктов окисления в верхней части окислительной колонны и, по меньшей мере, один датчик температуры окисляемого сырья, заполняющего колонну, в отличие от прототипа, снабжена регулятором избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны, подключенным своим входом к выходу системы управления, а участок корпуса окислительной колонны, внутренний объем которого при работе установки заполняется окисляемым сырьем, снабжен наружной теплозащитной, предпочтительно секционной, оболочкой, препятствующей отводу тепла от окисляемого сырья через боковые стенки корпуса колонны, или наружным, предпочтительно секционным, обогревателем, обеспечивающим приток тепла к окисляемому сырью через боковые стенки корпуса колонны, при этом система управления и регулятор избыточного давления выполнены с возможностью регулирования и поддержания величины избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны в заданных пределах, а корпус окислительной колонны, по крайней мере, на его упомянутом участке выполнен с внутренним диаметром, обеспечивающим предпочтительно ламинарный или близкий к ламинарному режим движения окисляемого сырья внутри окислительной колонны при изменении расхода и вязкости подаваемого в колонну нефтяного сырья в заданных пределах.
В частных случаях выполнения полезная модель характеризуется также следующими признаками.
При выполнении упомянутого участка корпуса окислительной колонны с наружной теплозащитной оболочкой внутренний диаметр корпуса окислительной колонны, по крайней мере, на упомянутом участке указанного корпуса, а также толщина и теплопроводность упомянутой теплозащитной оболочки задаются с обеспечением возможности поддержания разности температуры окисляемого сырья в центре и на краю каждого из поперечных сечений внутренней полости колонны, не превышающей 20-30°С, при этом верхний край верхней секции теплозащитной оболочки расположен на уровне или на 0,2-1,0 м выше уровня окисляемого сырья в колонне.
При выполнении упомянутого участка корпуса окислительной колонны с наружным обогревателем последний может быть выполнен в виде греющих секций с внутренними электронагревателями, а внутренний диаметр корпуса окислительной колонны, по крайней мере, на упомянутом участке указанного корпуса и величина тепловой мощности указанного обогревателя задаются с обеспечением возможности поддержания разности температуры окисляемого сырья в центре и на краю каждого из поперечных сечений внутренней полости колонны, не превышающей 20-30°С, при этом верхний край верхней секции обогревателя расположен на уровне или на 0,2-1,0 м выше уровня окисляемого сырья в колонне.
При этом целесообразно, чтобы корпус окислительной колонны, по крайней мере, на его упомянутом участке был выполнен с внутренним диаметром D, определяемым из выражения
c
max
к
D≥4(Q/ν)/πRe,
где Q - объемный расход подаваемого в колонну нефтяного сырья в единицу времени;
c
ν - кинематическая вязкость подаваемого в колонну нефтяного сырья;
c
max
c
c
(Q/ν) - возможная максимальная величина отношения Q/ν, которая может иметь место при изменении величины расхода Q и вязкости ν нефтяного сырья в заданных пределах;
π - число ПИ, выражающее отношение длины окружности к ее диаметру;
к
Re - критическое значение гидродинамического критерия Рейнольдса.
Регулятор избыточного давления может быть выполнен в виде дросселирующего устройства с регулируемой площадью проходного сечения, установленного в линии отвода газообразных продуктов окисления и снабженного электроприводом, вход которого подключен к выходу системы управления, при этом регулятор избыточного давления выполнен с возможностью регулирования избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны путем изменения площади проходного сечения указанного дросселирующего устройства, которое выполнено, например, в виде регулируемого крана, вентиля или задвижки, причем система управления и упомянутый электропривод выполнены с возможностью регулирования площади проходного сечения указанного дросселирующего устройства в заданных пределах в зависимости от величины указанного избыточного давления.
Линия отвода газообразных продуктов окисления может быть соединена своим выходом с конденсатором указанных продуктов окисления с подводом последних в нижнюю часть конденсатора, снабженную линией отвода сконденсированных продуктов окисления, а регулятор избыточного давления может быть выполнен в виде второго откачивающего насоса, установленного в указанной линии отвода сконденсированных продуктов окисления, выполненного с регулируемой производительностью и снабженного частотно-регулируемым электроприводом с частотным преобразователем, вход которого подключен к выходу системы управления, при этом регулятор избыточного давления выполнен с возможностью регулирования избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны путем изменения уровня сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе, а система управления, указанный частотно-регулируемый электропривод и его частотный преобразователь выполнены с возможностью регулирования уровня сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе в зависимости от величины избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны с регулированием указанного уровня в заданных пределах за счет регулирования производительности второго откачивающего насоса.
Упомянутый конденсатор может быть снабжен датчиком уровня заполняющих конденсатор сконденсированных продуктов окисления, выход которого подключен ко входу системы управления, при этом указанный датчик уровня продуктов окисления может быть выполнен в виде датчика давления, установленного в нижней части конденсатора, или в виде предпочтительно радарного датчика уровня, установленного в верхней части конденсатора, а система управления, упомянутый частотно-регулируемый электропривод и его частотный преобразователь выполнены с возможностью корректировки производительности второго откачивающего насоса в зависимости от положения уровня сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе с обеспечением поддержания в заданных пределах высоты столба сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе с увеличением и снижением производительности второго откачивающего насоса, соответственно при подъеме уровня сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе до его верхней отметки, соответствующей верхнему значению заданных пределов высоты столба сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе, и при снижении уровня сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе до его нижней отметки, соответствующей нижнему значению заданных пределов высоты столба сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе.
Установка может быть снабжена вискозиметрами и плотномерами для измерения, соответственно, вязкости и плотности получаемого битума и нефтяного сырья, используемого для получения битума, расходомерами для измерения расхода подаваемого в колонну нефтяного сырья и сжатого воздуха, предпочтительно радарным датчиком уровня окисляемого сырья в колонне, установленным на крышке последней, и датчиком содержания кислорода в газообразных продуктах окисления, при этом выходы указанных средств измерения подключены ко входам системы управления.
Регулятор избыточного давления и система управления могут быть выполнены с возможностью корректировки текущего значения величины избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны в зависимости, по крайней мере, от величины вязкости и плотности нефтяного сырья, используемого для получения битума, величины вязкости и плотности получаемого битума, величины расхода подаваемого в колонну нефтяного сырья и сжатого воздуха, высоты столба окисляемого сырья в колонне относительно диспергатора, величины температуры окисляемого сырья в колонне и температуры газообразных продуктов окисления в верхней части колонны.
Первый откачивающий насос может быть выполнен с регулируемой производительностью и может быть снабжен частотно-регулируемым электроприводом с частотным преобразователем, вход которого подключен к выходу системы управления, при этом система управления, электропривод первого откачивающего насоса и его частотный преобразователь выполнены с возможностью регулирования производительности первого откачивающего насоса в зависимости от уровня окисляемого сырья в окислительной колонне с обеспечением поддержания в заданных пределах высоты столба окисляемого сырья в колонне относительно диспергатора с увеличением и снижением производительности первого откачивающего насоса, соответственно при подъеме уровня окисляемого сырья до его верхней отметки, соответствующей верхнему значению заданных пределов высоты столба окисляемого сырья в колонне, и при снижении уровня окисляемого сырья до его нижней отметки, соответствующей нижнему значению заданных пределов высоты столба окисляемого сырья в колонне.
Система управления, электропривод первого откачивающего насоса и его частотный преобразователь могут быть выполнены с возможностью корректировки текущего значения высоты столба окисляемого сырья в колонне относительно диспергатора в зависимости, по крайней мере, от величины вязкости и плотности нефтяного сырья, используемого для получения битума, величины вязкости и плотности получаемого битума, величины расхода подаваемого в колонну нефтяного сырья и сжатого воздуха, величины избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны, величины температуры окисляемого сырья в колонне и температуры указанных газообразных продуктов окисления.
Установка может быть выполнена с возможностью регулирования величины расхода подаваемого в колонну нефтяного сырья в заданных пределах в зависимости от марки и/или свойств получаемого на установке битума, для чего подающий насос может быть снабжен частотно-регулируемым электроприводом с частотным преобразователем, вход которого подключен к выходу системы управления, при этом система управления, электропривод подающего насоса и его частотный преобразователь выполнены с возможностью регулирования производительности подающего насоса в зависимости от марки и/или свойств получаемого на установке битума.
Система управления, электропривод подающего насоса и его частотный преобразователь могут быть выполнены с возможностью корректировки текущего значения величины расхода подаваемого в колонну нефтяного сырья в зависимости, по крайней мере, от величины расхода подаваемого в колонну сжатого воздуха, высоты столба окисляемого сырья в колонне относительно диспергатора, величины избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны, величины температуры окисляемого сырья в колонне и температуры указанных газообразных продуктов окисления, величины вязкости и плотности нефтяного сырья, используемого для получения битума, и величины вязкости и плотности получаемого битума.
Установка может быть выполнена с возможностью регулирования величины расхода подаваемого в колонну сжатого воздуха в заданных пределах в зависимости от марки и/или свойств получаемого на установке битума, для чего регулятор расхода сжатого воздуха снабжен электроприводом, подключенным своим входом к выходу системы управления, при этом система управления и электропривод регулятора расхода сжатого воздуха выполнены с возможностью регулирования величины расхода подаваемого в колонну сжатого воздуха в зависимости от марки и/или свойств получаемого на установке битума.
Система управления и электропривод регулятора расхода сжатого воздуха могут быть выполнены с возможностью корректировки текущего значения величины расхода подаваемого в колонну сжатого воздуха в зависимости, по крайней мере, от содержания кислорода в газообразных продуктах окисления, величины температуры окисляемого сырья в колонне и температуры газообразных продуктов окисления в верхней части колонны, величины расхода подаваемого в колонну нефтяного сырья, высоты столба окисляемого сырья в колонне относительно диспергатора, величины избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны, величины вязкости и плотности нефтяного сырья, используемого для получения битума, и величины вязкости и плотности получаемого битума.
В линии подвода нефтяного сырья между установленным в ней подающим насосом и окислительной колонной может быть установлен смеситель, снабженный линией подвода разбавителя нефтяного сырья с установленным в ней регулятором расхода указанного разбавителя, выполненным, например, в виде регулируемого крана, при этом смеситель выполнен с возможностью смешения в нем нефтяного сырья с разбавителем, регулятор расхода разбавителя снабжен электроприводом, вход которого подключен к выходу системы управления, а в линии подвода разбавителя к указанному смесителю установлен расходомер для измерения расхода разбавителя, подключенный своим выходом ко входу системы управления, причем система управления, регулятор расхода разбавителя и его электропривод выполнены с возможностью регулирования расхода подаваемого в указанный смеситель разбавителя в заданных пределах в зависимости от марки и/или свойств получаемого на установке битума.
При наличии в составе установки для получения битума вакуумной установки для получения гудрона, который используется для получения битума, вход регулятора расхода разбавителя нефтяного сырья может быт подсоединен к указанной установке для получения гудрона с возможностью отвода из нее вакуумного газойля для его использования в качестве разбавителя нефтяного сырья.
Целесообразно, чтобы диспергатор был расположен вблизи днища окислительной колонны и содержал распределительную трубу с заглушенными концами и сквозными отверстиями на ее двух противоположных боковых сторонах и систему трубок с отверстиями для выхода воздуха, у каждой из которых один конец заглушен, а второй жестко и герметично закреплен на распределительной трубе в положении, при котором торцевое отверстие трубки сообщается с одним из отверстий распределительной трубы, а ее отверстия для выхода воздуха направлены вверх, при этом указанные трубки расположены параллельно друг другу и в одной горизонтальной плоскости вместе с распределительной трубой, которая выполнена с подводящим отверстием в средней верхней части и сообщается этим отверстием с вертикальным питающим трубопроводом, установленным внутри окислительной колонны и соединенным своим верхним концом с упомянутой линией подвода сжатого воздуха, причем целесообразно, чтобы диспергатор был выполнен с возможностью равномерного распределения подводимого к нему сжатого воздуха по площади поперечного сечения нижней части окислительной колонны, для чего сквозные отверстия распределительной трубы должны быть равномерно распределены по ее длине, а у каждой из указанных трубок отверстия для выхода воздуха должны быть равномерно распределены по поверхности трубки и направлены вниз предпочтительно под углом 45° к вертикали.
Окислительная колонна может быть снабжена линией подвода пара или воды, а в верхней части окислительной колонны вблизи ее крышки установлено устройство для подачи пара или воды, содержащее расположенную в горизонтальной плоскости кольцевую распределительную трубу, внутренняя полость которой соединена с указанной линией подвода пара или воды, и насадки для выпуска пара или воды, направленные вверх и расположенные с возможностью равномерного распределения подводимого пара или воды по площади поперечного сечения верхней части окислительной колонны, при этом каждый из указанных насадков содержит корпус с вертикально расположенной внутренней цилиндрической полостью, днищем, закрывающим внутреннюю полость корпуса насадка снизу, и внутренним конусным седлом в верхней торцевой части, выполненным соосно с внутренней полостью корпуса насадка, и конусный затвор, расположенный над указанным конусным седлом и закрепленный на стержне, проходящем через полость указанного корпуса соосно с последней и закрепленном нижним концом на днище корпуса насадка посредством резьбового соединения с обеспечением соосного расположения конусного седла корпуса насадка и конусного затвора с образованием между ними конусной кольцевой щели для выхода пара или воды, причем в каждом насадке для выпуска пара или воды внутренняя полость корпуса сообщается с внутренней полостью распределительной трубы, а указанный стержень выполнен с возможностью осевого перемещения и фиксации относительно днища корпуса насадка для обеспечения возможности регулировки площади проходного сечения указанной кольцевой щели за счет регулировки высоты подъема конусного затвора над конусным седлом корпуса насадка.
Верхняя часть окислительной колонны может быть снабжена линией подвода охлаждающего газа, предпочтительно азота.
Окислительная колонна может быть выполнена, по меньшей мере, с тремя датчиками температуры окисляемого сырья, установленными на ее корпусе предпочтительно с равным шагом по высоте окислительной колонны, при этом один из указанных датчиков установлен над диспергатором вблизи последнего, второй - вблизи уровня окисляемого сырья, а третий - предпочтительно на уровне или вблизи середины столба окисляемого сырья в окислительной колонне.
На крышке окислительной колонны могут быть установлены предохранительный и противовзрывной клапаны, сообщающиеся с внутренней полостью корпуса колонны.
Система управления может быть выполнена с возможностью поддержания в заданных пределах величины температуры окисляемого сырья в колонне и температуры газообразных продуктов окисления в верхней части колонны, величины разницы указанных температур и величины расхода подаваемого в колонну нефтяного сырья и сжатого воздуха, с возможностью сигнального оповещения оператора установки о приближении к верхнему предельному значению температуры окисляемого сырья в колонне, температуры и избыточного давления газообразных продуктов окисления в колонне и содержания кислорода в указанных газообразных продуктах окисления и о приближении к нижнему предельному значению разности температуры окисляемого сырья в колонне и температуры газообразных продуктов окисления в верхней части колонны и с возможностью аварийного отключения подачи сжатого воздуха в колонну при падении давления в упомянутой линии подвода сжатого воздуха до заданного минимального значения, при прекращении подачи нефтяного сырья в колонну или падении его расхода до заданного минимального значения, при повышении температуры окисляемого сырья в колонне до заданного максимального значения, при снижении разности температуры окисляемого сырья и температуры газообразных продуктов окисления в верхней части колонны до заданного минимального значения, при повышении содержания кислорода в газообразных продуктах окисления до заданного максимального значения, при повышении температуры и избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны до заданного максимального значения и при снижении расхода сжатого воздуха в упомянутой линии подвода сжатого воздуха до заданного минимального значения.
На корпусе окислительной колонны могут быть установлены датчики нижнего и верхнего предельного уровня окисляемого сырья в колонне, первый из которых установлен на высоте от диспергатора, равной не менее 0,2 Н, где Н - общая высота колонны от диспергатора до крышки, а второй - на высоте от диспергатора, равной не более 0,75 Н, при этом указанные датчики предельного уровня подключены своими выходами ко входам системы управления, которая может быть выполнена с возможностью сигнального оповещения оператора установки о приближении уровня окисляемого сырья в колонне к верхнему и нижнему предельному значению, с возможностью аварийного отключения подачи нефтяного сырья в колонну при подъеме уровня окисляемого сырья в колонне до верхнего предельного уровня и с возможностью аварийного отключения подачи сжатого воздуха в колонну при снижении и повышении уровня окисляемого сырья в колонне, соответственно до предельного нижнего и предельного верхнего уровня.
Окислительная колонна может быть снабжена, по меньшей мере, двумя технологическими люками, один из которых целесообразно установить в нижней части корпуса колонны над диспергатором вблизи последнего, а второй - в верхней части корпуса колонны ниже устройства для подачи пара или воды вблизи последнего, при этом каждый из указанных люков может быть снабжен фланцем, поворотным плечом, шарнирно закрепленным одним своим концом на верхней части люка, и крышкой, шарнирно закрепленной на втором конце указанного поворотного плеча с возможностью ее удержания на последнем в открытом положении и выполненной с возможностью ее фиксации в закрытом положении с обеспечением герметичного прилегания крышки к фланцу люка.
Техническим результатом, получаемым при практическом использовании полезной модели, является повышение качества и обеспечение стабильности свойств получаемого на выходе установки битума за счет равномерного окисления нефтяного сырья по площади поперечных сечений внутренней полости колонны с исключением возможности появления в центральной части колонны неконтролируемого ядра термонапряжения с высокой температурой с образованием в нем кокса и выпадением графита. Данный технический результат обеспечивается за счет выполнения окислительной колонны установки с возможностью обеспечения равномерного нагрева находящегося в ней объема окисляемого сырья с равномерным распределением температуры последнего в поперечных сечениях внутренней полости колонны, для чего участок корпуса окислительной колонны, внутренний объем которого при работе установки заполняется окисляемым сырьем, снабжен наружной теплозащитной, предпочтительно секционной, оболочкой, препятствующей отводу тепла от окисляемого сырья через боковые стенки корпуса колонны, или наружным, предпочтительно секционным, обогревателем, обеспечивающим приток тепла к окисляемому сырью через боковые стенки корпуса колонны. Этот же технический результат достигается также за счет выполнения установки для получения битума с возможностью обеспечения равномерного нетурбулизированного режима движения окисляемого сырья внутри окислительной колонны, для чего корпус окислительной колонны в зоне движения окисляемого сырья имеет внутренний диаметр, обеспечивающий предпочтительно ламинарный или близкий к ламинарному режим движения окисляемого сырья внутри окислительной колонны при заданных пределах изменения расхода и вязкости подаваемого в колонну нефтяного сырья.
Техническим результатом является также:
- повышение выхода битума и исключение затрат на борьбу с пенообразованием, что обеспечивается за счет исключения или снижения до приемлемого минимума коагуляции окисляемого сырья в колонне и связанного с ней пенообразования и непродуктивного выноса окисляемого сырья из колонны вместе с газообразными продуктами окисления;
- повышение производительности окислительной колонны по битуму и снижение расхода сжатого воздуха за счет повышения интенсивности реакции окисления нефтяного сырья в колонне;
- снижение затрат на проведение мероприятий по снижению уровня пожаро- и взрывоопасности в верхней части колонны, что обеспечивается за счет снижения содержания кислорода в газообразных продуктах окисления в верхней части колонны.
Указанный технический результат достигается за счет выполнения установки для получения битума с возможностью регулирования и поддержания величины избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны в заданных пределах, оптимальных для работы окислительной колонны, для чего указанная установка снабжена регулятором избыточного давления указанных газообразных продуктов окисления, подключенным своим входом к выходу системы управления, при этом указанный регулятор избыточного давления и система управления выполнены с возможностью поддержания величины указанного избыточного давления в верхней части колонны в заданных пределах.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - общий вид установки для получения битума;
на фиг.2 - фрагмент показанной на фиг.1 установки с расположением регулятора избыточного давления газообразных продуктов окисления в линии отвода указанных продуктов из окислительной колонны;
на фиг.3 - фрагмент показанной на фиг.1 установки с расположением регулятора избыточного давления газообразных продуктов окисления в линии отвода сконденсированных продуктов окисления из конденсатора;
на фиг.4 - сечение А-А на фиг.1;
на фиг.5 - сечение Г-Г на фиг.4;
на фиг.6 - сечение Б-Б на фиг.1;
на фиг.7 - сечение Д-Д на фиг.6;
на фиг.8 - вид по стрелке В на фиг.1.
При этом для упрощения изображения установки система управления на фиг.1 показана с двух сторон от окислительной колонны; на фиг.4, 6 и 8 не показаны теплозащитная оболочка и обогреватель окислительной колонны; на фиг.8 не показаны устройства, закрепляемые на фланцах крышки окислительной колонны.
Установка для получения битума содержит окислительную колонну 1 (фиг.1) с пустотелым герметичным корпусом 2, днищем 3, крышкой 4 и диспергатором 5 в нижней части, линию 6 подвода нефтяного сырья в колонну 1 с установленным в ней подающим насосом 7 и запорным краном 8 с электроприводом 9, линию 10 подвода сжатого воздуха к диспергатору 5 с установленным в ней датчиком давления 11 и регулятором 12 расхода сжатого воздуха, снабженным электроприводом 13, линию 14 отвода битума из колонны 1 с установленным в ней откачивающим насосом 15 и линию 16 отвода из верхней части колонны 1 газообразных продуктов окисления. Колонна 1 снабжена датчиками 17 и 18, соответственно температуры и избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1, установленными в верхней части корпуса 2, и, по меньшей мере, тремя датчиками 19-21 температуры окисляемого сырья 22, заполняющего колонну 1, установленными на корпусе 2 предпочтительно с равным шагом по высоте колонны 1, при этом датчик 19 установлен над диспергатором 5 вблизи последнего, датчик 20 - вблизи уровня 23 окисляемого сырья 22, а датчик 21 - предпочтительно на уровне или вблизи середины столба окисляемого сырья 22 в окислительной колонне 1.
Установка снабжена автоматизированной системой управления 24 и регулятором 25 избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1, подключенным своим входом к выходу системы управления 24, которая снабжена программным устройством (не показано), построенным предпочтительно на базе микропроцессора, и подключена своими входами к выходам датчиков 11 и 17-21. При этом система управления 24 и регулятор 25 выполнены с возможностью поддержания величины избыточного давления р газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1 в заданных пределах, обеспечивающих оптимальный режим процесса окисления нефтяного сырья в колонне 1.
Окислительная колонна 1 выполнена с возможностью обеспечения равномерного нагрева находящегося в ней объема окисляемого сырья 22 с равномерным распределением температуры последнего в поперечных сечениях внутренней полости колонны 1. Для этого участок корпуса 2 колонны 1, внутренний объем которого при работе установки заполняется окисляемым сырьем 22, снабжен средством выравнивания температуры окисляемого сырья 22, выполненным в виде наружной теплозащитной секционной оболочки 26 с теплозащитными секциями 27, препятствующими отводу тепла от окисляемого сырья 22 через боковые стенки корпуса 2 колонны 1, или в виде наружного секционного обогревателя 28, обеспечивающего приток тепла к окисляемому сырью 22 через боковые стенки корпуса 2 колонны 1 и выполненного в виде греющих секций 29 с внутренними электронагревателями (не показаны), тепловая мощность которых может регулироваться с помощью системы управления 24. Для сохранения равномерного распределения температуры окисляемого сырья 22 вблизи его уровня 23 верхний край верхней секции 27 теплозащитной оболочки 26 или верхний край верхней греющей секции 29 обогревателя 28 расположен на уровне или на 0,2-1,0 м выше уровня окисляемого сырья 22 в колонне 1.
При этом внутренний диаметр корпуса 2 окислительной колонны 1, по крайней мере, на участке корпуса 2, внутренний объем которого при работе установки заполняется окисляемым сырьем 22, а также толщина и теплопроводность оболочки 26 или величина тепловой мощности электронагревателей греющих секций 29 задаются с таким расчетом, чтобы при работе окислительной колонны 1 разность температуры окисляемого сырья 22 в центре и на краю каждого из поперечных сечений внутренней полости корпуса 2 колонны 1 не превышала 20-30°С.
Окислительная колонна 1 выполнена также с возможностью обеспечения плавного нетурбулизированного движения окисляемого сырья 22 в корпусе 2. Для этого корпус 2 окислительной колонны 1, по крайней мере, на его участке, внутренний объем которого при работе установки заполняется окисляемым сырьем 22, выполнен с внутренним диаметром, обеспечивающим предпочтительно ламинарный или близкий к ламинарному режим движения окисляемого сырья 22 внутри окислительной колонны 1 при изменении расхода и вязкости подаваемого в колонну нефтяного сырья в заданных пределах. В соответствии с этим условием корпус 2 окислительной колонны 1, по крайней мере, на его упомянутом участке выполнен с внутренним диаметром D, определяемым из выражения
c
max
к
D≥4(Q/ν)/πRe,
где Q - объемный расход подаваемого в колонну нефтяного сырья в единицу времени;
c
ν - кинематическая вязкость подаваемого в колонну нефтяного сырья;
c
max
c
c
(Q/ν) - возможная максимальная величина отношения Q/ν, которая может иметь место при изменении величины расхода Q и вязкости ν нефтяного сырья в заданных пределах;
π - число ПИ, выражающее отношение длины окружности к ее диаметру;
к
Re - критическое значение гидродинамического критерия Рейнольдса.
Регулятор избыточного давления 25 может иметь различное конструктивное исполнение, которое определяется, главным образом, используемым в установке способом утилизации газообразных продуктов окисления, образующихся в верхней части корпуса 2 в ходе реакции окисления нефтяного сырья в колонне 1. При этом возможны два основных способа указанной утилизации - с отводом газообразных продуктов окисления в печь дожига 30 напрямую, как показано на фиг.2, или через конденсатор 31, как показано на фиг.3.
В случае использования в установке первого способа утилизации газообразных продуктов окисления, когда выход линии 16 соединяется непосредственно с печью дожига 30 (фиг.2), регулятор избыточного давления 25 выполняется в виде дросселирующего устройства 32 с регулируемой площадью проходного сечения, установленного в линии 16 отвода газообразных продуктов окисления, и снабженного электроприводом 33. При этом регулятор избыточного давления 25 выполняется с возможностью регулирования избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1 путем изменения площади проходного сечения дросселирующего устройства 32, а выход системы управления 24 подключается ко входу электропривода 33 дросселирующего устройства 32, выполненного, например, в виде регулируемого крана, вентиля или задвижки, причем система управления 24 и электропривод 33 выполняются с возможностью регулирования площади проходного сечения дросселирующего устройства 32 в заданных пределах в зависимости от величины избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1.
к
При использовании в установке второго способа утилизации газообразных продуктов окисления, когда линия 16 соединяется с печью дожига 30 через конденсатор 31 (фиг.3) с подводом газообразных продуктов окисления по линии 16 в нижнюю часть конденсатора 31 и образованием внутри последнего столба жидких сконденсированных продуктов окисления, регулятор избыточного давления 25 выполняется с возможностью регулирования избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1 путем изменения уровня сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе 31, у которого верхняя часть снабжена линией 34 отвода остаточных газообразных продуктов окисления в печь дожига 30, а нижняя часть - линией 35 отвода сконденсированных продуктов окисления. При этом регулятор избыточного давления 25 выполняется в виде второго откачивающего насоса 36, установленного в линии 35, выполненного с регулируемой производительностью и снабженного частотно-регулируемым электроприводом 37 с частотным преобразователем 38, вход которого подключен к выходу системы управления 24. Система управления 24, электропривод 37 и его частотный преобразователь 38 выполняются с возможностью регулирования уровня сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе 31 в зависимости от величины избыточного давления р в верхней части колонны 1 с регулированием указанного уровня в заданных пределах за счет регулирования производительности откачивающего насоса 36. Конденсатор 31 может быть снабжен датчиком уровня заполняющих конденсатор сконденсированных продуктов окисления, подключенным своим выходом ко входу системы управления 24 и выполненным в виде датчика давления 39, установленного в нижней части конденсатора 31, как показано на фиг.3, или в виде предпочтительно радарного датчика уровня (не показан), установленного в верхней части конденсатора 31. В случае выполнения датчика уровня конденсатора 31 в виде датчика давления 39 высота Н столба сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе 31 относительно днища последнего определяется выражением:
к
к
к
Н=р/ρ,
к
к
где р и ρ - соответственно, давление столба указанных продуктов в конденсаторе 31, измеряемое с помощью датчика 39, и плотность указанных продуктов.
к
к
к
При этом система управления 24, электропривод 37 и его частотный преобразователь 38 выполняются с возможностью корректировки производительности откачивающего насоса 36 в зависимости от положения уровня сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе 31 с обеспечением поддержания в заданных пределах высоты Н столба сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе 31 с увеличением и снижением производительности откачивающего насоса 36, соответственно при подъеме уровня сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе 31 до его верхней отметки, соответствующей верхнему значению заданных пределов высоты Н столба сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе 31, и при снижении уровня сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе 31 до его нижней отметки, соответствующей нижнему значению заданных пределов высоты Н столба сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе 31.
c
с
с
Для обеспечения возможности оптимизации процесса окисления нефтяного сырья в колонне 1 и получения битума с высоким качеством за счет регулирования и корректирования величины предпочтительно каждого рабочего параметра указанного процесса в зависимости от величины других рабочих параметров этого процесса, а также в зависимости от физических свойств получаемого битума и нефтяного сырья, используемого для получения битума, установка снабжена вискозиметром 40 и плотномером 41 для измерения, соответственно, вязкости ν и плотности ρ нефтяного сырья, используемого для получения битума, вискозиметром 42 и плотномером 43 для измерения, соответственно, вязкости ν и плотности ρ получаемого битума, расходомерами 44 и 45 для измерения, соответственно, расхода Q подаваемого в колонну 1 нефтяного сырья и расхода q подаваемого в колонну 1 сжатого воздуха, и предпочтительно радарным датчиком уровня 46, служащим для измерения высоты Н столба окисляемого сырья 22 в колонне 1 относительно диспергатора 5 и установленным на крышке 4 колонны 1. При этом выходы указанных средств измерения подключены ко входам системы управления 24, расходомер 45 выполнен с возможностью измерения объема сжатого воздуха, проходящего по линии 10 в единицу времени, а расходомер 44 выполнен с возможностью измерения объема или массы нефтяного сырья, проходящего по линии 6 в единицу времени.
c
с
с
c
г
При таком исполнении установки регулятор избыточного давления 25 и система управления 24 выполняются с возможностью корректировки текущего значения величины р избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1 в зависимости, по крайней мере, от величины вязкости ν и плотности ρ нефтяного сырья, используемого для получения битума, величины вязкости ν и плотности ρ получаемого битума, величины Q и q расхода подаваемого в колонну 1 нефтяного сырья и сжатого воздуха, высоты Н столба окисляемого сырья 22 в колонне 1 относительно диспергатора 5 и величины температуры t окисляемого сырья 22 и температуры t газов в колонне 1.
с
с
с
с
с
c
с
c
г
Для обеспечения возможности поддержания высоты Н столба окисляемого сырья в заданных пределах, обеспечивающих требуемую эффективность процесса окисления нефтяного сырья в колонне 1, откачивающий насос 15 снабжен частотно-регулируемым электроприводом 47 с частотным преобразователем 48, вход которого подключен к выходу системы управления 24. При этом система управления 24, электропривод 47 и его частотный преобразователь 48 выполнены с возможностью регулирования производительности откачивающего насоса 15 в зависимости от уровня окисляемого сырья 22 в окислительной колонне 1 с обеспечением поддержания в заданных пределах высоты Н столба окисляемого сырья в колонне 1 относительно диспергатора 5 с увеличением и снижением производительности откачивающего насоса 15, соответственно при подъеме уровня окисляемого сырья 22 до его верхней отметки, соответствующей верхнему значению заданных пределов высоты Н столба окисляемого сырья в колонне 1, и при снижении уровня окисляемого сырья 22 до его нижней отметки, соответствующей нижнему значению заданных пределов высоты Н столба окисляемого сырья в колонне 1. Система управления 24, электропривод 47 и его частотный преобразователь 48 выполнены с возможностью корректировки текущего значения высоты Н столба окисляемого сырья 22 в колонне 1 относительно диспергатора 5 в зависимости, по крайней мере, от величины вязкости ν и плотности ρ нефтяного сырья, используемого для получения битума, величины вязкости ν и плотности ρ получаемого битума, величины Q и q расхода подаваемого в колонну 1 нефтяного сырья и сжатого воздуха, величины избыточного давления р газов в верхней части колонны 1 и величины температуры t окисляемого сырья и температуры t газов в колонне 1.
Установка выполнена с возможностью регулирования величины Q и q расхода подаваемого в колонну 1, соответственно нефтяного сырья и сжатого воздуха, в заданных пределах в зависимости от марки М и/или свойств С получаемого на установке битума, которые вводятся в программное устройство системы управления 24. Для этого подающий насос 7 снабжен частотно-регулируемым электроприводом 49 с частотным преобразователем 50, причем электропривод 13 регулятора расхода сжатого воздуха 12 и частотный преобразователь 50 подключены своими входами к выходам системы управления 24. При этом система управления 24, электропривод 49 и его частотный преобразователь 50 выполнены с возможностью регулирования производительности подающего насоса 7 в зависимости от марки М и/или свойств С получаемого на установке битума. Аналогично, система управления 24 и электропривод 13 регулятора расхода сжатого воздуха 12 выполнены с возможностью регулирования расхода сжатого воздуха регулятором 12 в зависимости от марки М и/или свойств С получаемого на установке битума.
с
c
г
c
с
Система управления 24, электропривод 49 и его частотный преобразователь 50 выполнены также с возможностью корректировки текущего значения величины Q расхода подаваемого в колонну 1 нефтяного сырья в зависимости, по крайней мере, от величины q расхода подаваемого в колонну 1 сжатого воздуха, высоты Н столба окисляемого сырья в колонне 1 относительно диспергатора 5, величины избыточного давления р газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1, величины температуры t окисляемого сырья в колонне 1 и температуры t газообразных продуктов окисления в верхней части колонны, величины вязкости ν и плотности ρ нефтяного сырья, используемого для получения битума, и величины вязкости ν и плотности ρ получаемого битума.
2
2
c
г
с
c
с
Установка снабжена датчиком 51 содержания кислорода О в газообразных продуктах окисления, выход которого подключен ко входу системы управления 24, причем система управления 24 и электропривод 13 регулятора расхода сжатого воздуха 12 выполнены с возможностью корректировки текущего значения величины q расхода подаваемого в колонну 1 сжатого воздуха в зависимости, по крайней мере, от содержания кислорода О в газообразных продуктах окисления, измеряемого датчиком 51, величины температуры t окисляемого сырья в колонне и температуры t газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1, величины Q расхода подаваемого в колонну нефтяного сырья, высоты Н столба окисляемого сырья 22 в колонне 1 относительно диспергатора 5, величины избыточного давления р газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1, величины вязкости ν и плотности ρ нефтяного сырья, используемого для получения битума, и величины вязкости ν и плотности ρ получаемого битума.
p
p
p
Для обеспечения возможности регулирования вязкости исходного нефтяного сырья в заданных пределах, обеспечивающих требуемую эффективность процесса окисления нефтяного сырья в колонне 1, в линии 6 подвода нефтяного сырья между установленным в ней подающим насосом 7 и окислительной колонной 1 установлен смеситель 52, снабженный линией 53 подвода разбавителя нефтяного сырья с установленным в ней подающим насосом 54 и регулятором 55 объемной подачи q указанного разбавителя, выполненным, например, в виде регулируемого крана. При этом смеситель 52 выполнен с возможностью смешения в нем нефтяного сырья с указанным разбавителем, регулятор 55 снабжен электроприводом 56, вход которого подключен к выходу системы управления 24, а в линии 53 установлен расходомер 57 для измерения расхода q разбавителя в единицу времени, подключенный своим выходом ко входу системы управления 24. Кроме того, система управления 24, регулятор 55 и его привод 56 выполнены с возможностью регулирования величины q расхода подаваемого в смеситель 52 разбавителя в заданных пределах в зависимости от марки М и/или свойств С получаемого на установке битума. При наличии в составе предлагаемой установки вакуумной установки 58 для получения гудрона, который используется для получения битума, вход насоса 54 подсоединяется к установке 58 с возможностью отвода из нее вакуумного газойля для его использования в качестве разбавителя нефтяного сырья.
Диспергатор 5 расположен вблизи днища 3 колонны 1 и содержит распределительную трубу 59 (фиг.4) с заглушенными концами и сквозными отверстиями 60 на ее двух противоположных боковых сторонах и систему трубок 61 с отверстиями 62 (фиг.5) для выхода воздуха. У каждой из трубок 61 один конец заглушен, а второй жестко и герметично закреплен на распределительной трубе 59 в положении, при котором торцевое отверстие трубки 61 сообщается с одним из отверстий 60 распределительной трубы 59, а отверстия 62 для выхода воздуха направлены вверх. При этом трубки 61 расположены параллельно друг другу и в одной горизонтальной плоскости вместе с распределительной трубой 59, которая выполнена с подводящим отверстием 63 в средней верхней части и сообщается этим отверстием с вертикальным питающим трубопроводом 64 (фиг.1), установленным внутри колонны 1 и соединенным своим верхним концом с линией 10 подвода сжатого воздуха. Кроме того, диспергатор 5 выполнен с возможностью равномерного распределения подводимого к нему сжатого воздуха по площади поперечного сечения нижней части окислительной колонны 1, для чего сквозные отверстия 60 распределительной трубы 59 равномерно распределены по ее длине, а у каждой из трубок 61 отверстия 62 для выхода воздуха равномерно распределены по поверхности трубки и направлены вниз предпочтительно под углом 45° к вертикали.
Для исключения возможности повышения температуры газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1 до недопустимо высокого уровня окислительная колонна 1 снабжена линией 65 подвода пара или воды, а в верхней части колонны 1 вблизи ее крышки 4 установлено устройство 66 для подачи пара или воды, содержащее расположенную в горизонтальной плоскости кольцевую распределительную трубу 67 (фиг.6), внутренняя полость которой соединена с линией 65, и закрепленные сверху на трубе 67 насадки 68 для выпуска пара или воды, направленные вверх и расположенные с возможностью равномерного распределения подводимого к трубе 67 пара или воды по площади поперечного сечения верхней части окислительной колонны 1. При этом каждый из насадков 68 содержит корпус 69 (фиг.7) с вертикально расположенной внутренней цилиндрической полостью 70, сообщающейся с внутренней полостью распределительной трубы 67, днищем 71, закрывающим полость 70 снизу, и внутренним конусным седлом 72 в верхней торцевой части, выполненным соосно с полостью 70, и конусный затвор 73, расположенный над конусным седлом 72. Конусный затвор 73 закреплен на стержне 74, проходящем через полость 70 соосно с последней и закрепленном нижним концом на днище 71 на резьбе с обеспечением соосного расположения конусного седла 72 и конусного затвора 73 с образованием между ними конусной кольцевой щели 75 для выхода пара или воды, и с возможностью осевого перемещения и фиксации относительно днища 71 для обеспечения регулировки площади проходного сечения кольцевой щели 75 за счет регулировки высоты подъема конусного затвора 73 над конусным седлом 72.
Для предотвращения возможности загорания газообразных продуктов окисления верхняя часть окислительной колонны 1 снабжена линией 76 подвода охлаждающего газа, предпочтительно азота, а для обеспечения возможности оповещения оператора установки о достижении предельного допустимого уровня окисляемого сырья 22 в колонне 1 последняя снабжена датчиками 77 и 78 нижнего и верхнего предельного уровня окисляемого сырья 22, установленными на корпусе 2 на высоте от диспергатора 5, соответствующей указанным предельным уровням. Датчик уровня 77 установлен на высоте от диспергатора 5, равной не менее 0,2 Н, где Н - общая высота колонны 1 от диспергатора 5 до крышки 4, а датчик уровня 78 - на высоте, равной не более 0,75 Н. При этом датчики 77 и 78 подключены своими выходами к системе управления 24.
Помимо датчиков 11, 17-21, 39, 46, 77 и 78, расходомеров 44, 45 и 57, вискозиметров 40 и 42 и плотномеров 41 и 43, показанных на фиг.1 и 3, автоматизированная система управления 24 для обеспечения возможности выполнения своих функций снабжена также вторичными приборами и регулирующими блоками (не показаны).
На фланцах 79-81 (фиг.8), закрепленных на крышке 4 колонны 1, установлены, соответственно датчик уровня 46 (фиг.1), предохранительный 82 и противовзрывной 83 клапаны, сообщающиеся с внутренней полостью корпуса 2 колонны 1. Посредством фланца 84, также закрепленного на крышке 4, верхняя часть колонны 1 подсоединяется к линии 16 отвода газообразных продуктов окисления из верхней части корпуса 2.
Автоматизированная система управления 24 выполнена с возможностью обеспечения:
c
г
- поддержания величины температуры t окисляемого сырья и температуры t газообразных продуктов окисления в колонне 1, величины разницы указанных температур и величины Q и q расхода подаваемого в колонну 1 нефтяного сырья и сжатого воздуха в заданных пределах, обеспечивающих оптимальный режим процесса окисления нефтяного сырья в колонне 1;
2
- сигнального оповещения оператора установки о приближении к верхнему предельному значению уровня и температуры окисляемого сырья 22 в колонне 1, температуры и избыточного давления газообразных продуктов окисления в колонне 1 и содержания кислорода О в указанных газообразных продуктах окисления, а также о приближении к нижнему предельному значению уровня окисляемого сырья 22 в колонне 1 и разности температуры окисляемого сырья в колонне 1 и температуры газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1;
- аварийного отключения подачи нефтяного сырья в колонну 1 при подъеме уровня окисляемого сырья 22 в колонне 1 до верхнего предельного уровня, на котором установлен датчик уровня 78;
c
c
г
c
г
2
- аварийного отключения подачи сжатого воздуха в колонну 1 при падении давления сжатого воздуха в линии 10 до заданного минимального значения, предпочтительно до 0,15 МПа, при снижении и повышении уровня 23 окисляемого сырья 22 в колонне 1, соответственно до нижнего и верхнего предельного уровня, при прекращении подачи нефтяного сырья в колонну 1 или падении величины его расхода Q до заданного минимального значения, при повышении температуры t окисляемого сырья 22 в колонне 1 до заданного максимального значения, предпочтительно до 280°С, при снижении разности Δ=t-t температуры t окисляемого сырья 22 и температуры t газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1 до заданного минимального значения, предпочтительно до 15°С, при повышении содержания свободного кислорода О в газах окисления в колонне 1 до заданного максимального значения, предпочтительно до 6% от всего объема газов в колонне 1, при повышении температуры газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1 до заданного максимального значения, предпочтительно до 240°С, при повышении избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1 до заданного максимального значения и при снижении расхода сжатого воздуха в линии 10 до заданного минимального значения.
Возможно также выполнение автоматизированной системы управления 24 с обеспечением возможности регулирования расхода пара или воды в линии 65 и охлаждающего газа в линии 76, а также с возможностью выполнения иных функций, способствующих повышению эффективности и безопасности работы установки.
Для обеспечения возможности выполнения указанных выше функций по поддержанию рабочих параметров установки в заданных пределах, сигнальному оповещению оператора установки о приближении рабочих параметров установки к их предельным значениям и аварийному отключению подачи в колонну 1 нефтяного сырья и сжатого воздуха автоматизированная система управления 24 помимо показанных на фиг.1 датчиков, измерительных приборов и исполнительных электроприводов подключена также к другим контрольным, измерительным, регулирующим и сигнальным приборам и устройствам и к электроприводам регулировочных и запорных кранов (не показаны), а также к устройствам автоматического включения и выключения электроприводов 9, 13, 33, 37, 47, 49 и 56 (не показаны).
Окислительная колонна 1 снабжена, по меньшей мере, двумя технологическими люками 85 и 86, при этом люк 85 установлен в нижней части корпуса 2 колонны 1 над диспергатором 5 вблизи последнего, а люк 86 - в верхней части корпуса 2 колонны 1 ниже устройства 65 для подачи пара или воды вблизи последнего. Каждый из люков 85 и 86 снабжен фланцем 87 (фиг.8), поворотным плечом 88, шарнирно закрепленным одним своим концом на верхней части люка, и крышкой 89, шарнирно закрепленной на втором конце поворотного плеча 88 с возможностью ее удержания на конце плеча 88 в открытом положении и выполненной с возможностью ее фиксации в закрытом положении с обеспечением герметичного прилегания к фланцу 87.
В случае необходимости установка может быть снабжена системой компаундирования и/или рециркуляции получаемого битума (не показана).
Установка работает следующим образом.
В окислительную колонну 1 с помощью насоса 7 по линии 6 подается нефтяное сырье, предпочтительно гудрон, с температурой 200-220°С. Одновременно с помощью компрессора (не показан) по линии 10 и далее по вертикальному внутреннему трубопроводу 64 в диспергатор 5 под заданным давлением, предпочтительно не менее 0,3 МПа, подается сжатый воздух, который через распределительную трубу 59 (фиг.4) проходит в систему трубок 61 и через их отверстия 62 поступает в окисляемое сырье 22 и при этом равномерно распределяется по площади поперечного сечения внутренней полости корпуса 2 колонны 1. В процессе движения распределенного воздуха вверх по колонне 1, содержащийся в нем кислород окисляет двигающееся навстречу сверху нефтяное сырье. В результате протекающей в колонне 1 реакции окисления исходного нефтяного сырья кислородом воздуха получается битум, который по линии 14 отводится из колонны 1 с помощью откачивающего насоса 15 в товарную емкость (не показана). Одновременно в верхней части корпуса 2 колонны 1 образуются газообразные продукты окисления, которые по линии 16 отводятся на утилизацию, например, в печь дожига 30 напрямую (фиг.2) или через конденсатор 31, служащий для конденсации указанных газообразных продуктов.
В процессе работы окислительной колонны 1 обеспечивается равномерный нагрев находящегося в ней объема окисляемого сырья 22 с равномерным распределением температуры последнего в поперечных сечениях внутренней полости колонны 1, что достигается за счет исключения с помощью теплозащитной оболочки 26 отвода тепла от окисляемого сырья 22 через боковые стенки корпуса 2 колонны 1 или за счет нагрева окисляемого сырья 22 через боковые стенки корпуса 2 колонны 1 с помощью обогревателя 28. При этом за счет выбора внутреннего диаметра указанного участка корпуса 2, толщины и теплопроводности теплозащитной оболочки 26 или величины тепловой мощности электронагревателей греющих секций 29 обогревателя 28, регулируемой в автоматическом режиме с помощью системы управления 24, при работе окислительной колонны 1 обеспечивается такое равномерное распределение температуры окисляемого сырья 22 в поперечных сечениях внутренней полости корпуса 2, при котором разность температуры окисляемого сырья 22 в центре и на краю каждого из поперечных сечений внутренней полости корпуса 2 не превышает 20-30°С.
Благодаря такому равномерному нагреву окисляемого сырья 22 обеспечивается равная вязкость последнего в поперечных сечениях внутренней полости колонны 1, что обуславливает равное гидравлическое сопротивление, оказываемое окисляемым сырьем движению по нему воздуха, и, соответственно, равномерное распределение и равномерное растворение кислорода воздуха в окисляемом сырье 22. В свою очередь, равномерное распределение и равномерное растворение кислорода воздуха в окисляемом сырье 22 с низким перепадом температуры окисляемого сырья в центре и у боковых стенок колонны 1 обеспечивает равномерное протекание реакции окисления по всему объему окисляемого сырья 22, заполняющего колонну 1, с равной интенсивностью указанной реакции, как в центральной части колонны, так и на ее периферии - у боковых стенок колонны 1. При этом исключается свойственная прототипу возможность появления в центральной части колонны 1 неконтролируемого ядра термонапряжения с аномально высокой температурой с образованием в указанном ядре кокса и графита, снижающих качество битума.
За счет выполнения корпуса 2 окислительной колонны 1, по крайней мере, на его участке, внутренний объем которого при работе установки заполняется окисляемым сырьем 22, с внутренним диаметром D, определяемым из выражения
c
max
к
D≥4(Q/ν)/πRe,
c
обеспечивается предпочтительно ламинарный или близкий к ламинарному режим движения окисляемого сырья 22 внутри колонны 1 при изменении расхода Q и вязкости ν подаваемого в колонну нефтяного сырья в заданных пределах. Благодаря плавному нетурбулизированному режиму движения окисляемого сырья 22 внутри окислительной колонны 1 исключается свойственное прототипу расслоение окисляемого сырья с неравномерным растворением кислорода воздуха в разных слоях последнего и обеспечивается равномерное протекание реакции окисления по всему объему окисляемого сырья 22. При этом исключается и свойственная прототипу необходимость увеличения температуры окисляемого сырья для обеспечения возможности окисления всех его слоев и, соответственно, исключается возможность образования в центральной части колонны 1 упомянутого выше неконтролируемого ядра термонапряжения с аномально высокой температурой, при которой возможно образование в окисляемом сырье кокса и графита.
Таким образом, за счет равномерного нагрева окисляемого сырья 22 в колонне 1 с равномерным распределением температуры последнего в поперечных сечениях внутренней полости колонны 1, а также за счет плавного нетурбулизированного режима движения окисляемого сырья 22 внутри окислительной колонны 1 в предлагаемой установке обеспечивается равномерное протекание реакции окисления по всему объему окисляемого сырья 22, заполняющего колонну 1, что создает благоприятные условия для получения на выходе установки кондиционного товарного битума со стабильными физическими свойствами по всему его объему. Кроме того, исключение возможности образования указанного неконтролируемого ядра термонапряжения с аномально высокой температурой помимо повышения качества битума за счет исключения появления в нем кокса и графита позволяет также снизить общие затраты на получение битума, что обеспечивается за счет исключения свойственных прототипу затрат, связанных с необходимостью постоянного отвода избыточного тепла от окисляемого сырья, перегреваемого в указанном ядре термонапряжения.
Вместе с тем, равномерный нагрев окисляемого сырья 22 в колонне 1 с равномерным распределением температуры сырья в поперечных сечениях внутренней полости колонны 1 обеспечивает возможность проведения процесса окисления при пониженной температуре окисляемого сырья 22, предпочтительно при температуре 190-250°С, что позволяет повысить прочность, долговечность и эластичность получаемого битума.
В процессе окисления нефтяного сырья в колонне 1 регулятор 25 с помощью системы управления 24 поддерживает в автоматическом режиме избыточное давление газообразных продуктов окисления, скапливающихся в верхней части корпуса 2, в заданных пределах, предпочтительно в пределах 0,05-0,18 МПа, обеспечивающих эффективную работу окислительной колонны 1. При этом информация о текущей величине указанного избыточного давления р постоянно поступает к системе управления 24 с выхода датчика давления 18. В системе управления 24 текущая величина избыточного давления р сравнивается с заложенными в программное устройство системы управления 24 заданными пределами изменения избыточного давления р и в случае отклонения текущего значения величины р от указанных заданных пределов на выходе системы 24 вырабатывается управляющий сигнал, поступающий на вход регулятора 25, с помощью которого величина избыточного давления р в колонне 1 возвращается в заданные пределы.
При установке регулятора 25 в линии 16 (фиг.2) избыточное давление р в колонне 1 поддерживается в заданных пределах за счет регулирования площади проходного сечения дросселирующего устройства 32 в зависимости от величины указанного избыточного давления р. При повышении указанного избыточного давления выше его верхнего заданного уровня система управления 24 направляет на привод 33 управляющий сигнал на увеличение площади проходного сечения дросселирующего устройства 32. В результате увеличения указанной площади гидравлическое сопротивление устройства 32 снижается, что приводит к повышению скорости движения газообразных продуктов окисления в линии их отвода 16 и, соответственно, к снижению избыточного давления р в верхней части колонны 1. Напротив, с понижением избыточного давления р ниже его нижнего заданного уровня система управления 24 направляет на электропривод 33 управляющий сигнал на снижение площади проходного сечения дросселирующего устройства 32. В результате снижения указанной площади гидравлическое сопротивление устройства 32 возрастает, что приводит к снижению скорости движения газообразных продуктов окисления в линии их отвода 16 и, соответственно, к повышению избыточного давления р в верхней части колонны 1.
При установке регулятора 25 в линии 35 отвода сконденсированных продуктов окисления из конденсатора 31 (фиг.3) избыточное давление р в колонне 1 поддерживается в заданных пределах за счет регулирования положения уровня сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе 31 в зависимости от величины избыточного давления р. В случае необходимости поддержания в заданных пределах помимо избыточного давления р в колонне 1, также и уровня сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе 31, к системе управления 24 помимо информации о текущей величине избыточного давления р в колонне 1, поступающей от датчика 18, поступает также информация о текущей величине уровня продуктов окисления в конденсаторе 31, формируемая на выходе датчика уровня, установленного в верхней части конденсатора 31 (не показан), или на выходе датчика давления 39, выполняющего роль датчика уровня конденсатора 31. При этом заданные пределы изменения избыточного давления р в колонне 1 и заданные пределы изменения уровня в конденсаторе 31 устанавливаются и вводятся в память программного устройства системы управления 24 с таким расчетом, что поддержание избыточного давления р в заданных пределах не исключает возможность поддержания уровня в конденсаторе 31 в его заданных пределах, необходимых для обеспечения эффективной работы конденсатора 31.
При повышении избыточного давления р и/или уровня в конденсаторе 31 выше верхнего заданного значения система управления 24 направляет на вход частотного преобразователя 38 управляющий сигнал на снижение уровня сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе 31 за счет увеличения производительности откачивающего насоса 36. В результате увеличения производительности насоса 36 уровень в конденсаторе 31 снижается, вследствие чего снижается и противодавление, оказываемое со стороны столба сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе 31 на газообразные продукты окисления, отводимые по линии 16. При этом скорость движения газообразных продуктов окисления по линии 16 возрастает, что приводит к снижению избыточного давления р в верхней части колонны 1. Напротив, с понижением избыточного давления р и/или уровня в конденсаторе 31 ниже нижнего заданного значения система управления 24 направляет на вход частотного преобразователя 38 управляющий сигнал на повышение уровня сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе 31 за счет снижения производительности откачивающего насоса 36. В результате снижения производительности насоса 36 уровень в конденсаторе 31 повышается, вследствие чего повышается и противодавление, оказываемое со стороны столба сконденсированных продуктов окисления в конденсаторе 31 на газообразные продукты окисления, отводимые по линии 16. При этом скорость движения газообразных продуктов окисления по линии 16 снижается, что приводит к повышению избыточного давления р в верхней части колонны 1.
За счет обеспечения в предлагаемой установке возможности регулирования и поддержания величины избыточного давления в верхней части колонны 1 в заданных пределах, оптимальных для работы окислительной колонны, исключается свойственная прототипу коагуляция окисляемого сырья в колонне 1 и, как следствие, исключается повышенное пенообразование над уровнем 23 окисляемого сырья 22. По этой же причине в предлагаемой установке снижается скорость движения воздуха вверх через окисляемое сырье 22, благодаря чему исключается свойственное прототипу снижение интенсивности процесса растворения воздуха в окисляемом сырье и связанное с ним снижение интенсивности реакции окисления нефтяного сырья в колонне и повышение остаточного кислорода в верхней части колонны, не использованного для окисления нефтяного сырья.
В свою очередь, исключение пенообразования в верхней части колонны 1 позволяет исключить затраты на борьбу с пенообразованием и непродуктивный вынос окисляемого сырья из колонны вместе с газообразными продуктами окисления, что повышает выход битума. В то же время, исключение снижения интенсивности реакции окисления нефтяного сырья в колонне 1 позволяет повысить производительность колонны по битуму и снизить расход сжатого воздуха, а исключение повышения остаточного кислорода в верхней части колонны 1 позволяет снизить затраты, связанные с необходимостью проведения мероприятий по снижению уровня пожаро- и взрывоопасности в верхней части колонны.
с
с
с
с
с
с
В процессе работы окислительной колонны 1 в ней поддерживается в заданных пределах высота Н столба окисляемого сырья 22 за счет регулирования производительности откачивающего насоса 15 с помощью системы управления 24, получающей информацию о текущей величине Н от датчика уровня 46. При подъеме уровня окисляемого сырья 22 выше его верхней отметки, соответствующей верхнему значению заданных пределов высоты Н столба окисляемого сырья в колонне 1, система управления 24 вырабатывает управляющий сигнал на увеличение производительности откачивающего насоса 15, который реализуется с помощью частотного преобразователя 48 и электропривода 47. При повышении производительности насоса 15 высота Н столба окисляемого сырья в колонне 1 снижается до заданных пределов. В случае, когда уровень окисляемого сырья 22 опускается ниже его нижней отметки, соответствующей нижнему значению заданных пределов высоты Н столба окисляемого сырья в колонне 1, система управления 24 вырабатывает управляющий сигнал на снижение производительности откачивающего насоса 15, который реализуется с помощью частотного преобразователя 48 и электропривода 47. При снижении производительности насоса 15 высота Н столба окисляемого сырья в колонне 1 повышается до заданных пределов.
В процессе работы окислительной колонны 1 величина Q и q расхода подаваемого в колонну 1, соответственно нефтяного сырья и сжатого воздуха, регулируется в зависимости от заданной марки М и/или от заданных свойств С получаемого на установке битума. При этом марка М и/или свойства С битума задаются путем ввода их в программное устройство системы управления 24, которая получает информацию о текущих значениях величины Q и q с выхода расходомеров 44 и 45 и обрабатывает ее по заданной программе, после чего формирует на своем выходе управляющие сигналы на регулировку величины Q и q до значения, соответствующего заданной марке М и/или заданным свойствам С битума. При регулировке величины Q управляющий сигнал, формируемый на выходе системы управления 24, реализуется с помощью частотного преобразователя 50 и электропривода 49 с настройкой производительности насоса 7 до уровня, соответствующего величине Q, рациональной для заданной марки М и/или для заданных свойств С битума, а при регулировке величины q управляющий сигнал, формируемый на выходе системы управления 24, реализуется с помощью электропривода 13 с настройкой расхода сжатого воздуха через регулятор 12 до уровня, соответствующего величине q, рациональной для заданной марки М и/или для заданных свойств С битума.
c
c
p
p
p
c
При повышении вязкости ν нефтяного сырья выше заданного уровня система управления 24, получающая информацию о текущем значении величины ν от вискозиметра 40, включает насос 54, с помощью которого в смеситель 52 по линии 53 подается разбавитель, который смешивается в смесителе 52 с нефтяным сырьем. Расход разбавителя q, подаваемого в смеситель 52, регулируется с помощью регулятора 55 путем изменения пропускной способности последнего с помощью электропривода 56, получающего управляющий сигнал на изменение расхода q от системы управления 24, которая получает информацию о текущем значении величины q от расходомера 57. После снижения вязкости ν нефтяного сырья до заданного уровня система управления 24 выключает насос 54.
p
p
p
В процессе работы окислительной колонны 1 величина расхода q регулируется с помощью системы управления 24 и электропривода 56 также в зависимости от марки М и/или свойств С получаемого на установке битума. При этом на выходе системы управления 24 формируется управляющий сигнал на регулировку величины q до значения, соответствующего заданной марке М и/или заданным свойствам С битума. Указанный сигнал реализуется с помощью электропривода 56 с настройкой площади проходного сечения (пропускной способности) регулятора 55 до уровня, соответствующего величине q, рациональной для заданной марки М и/или свойств С битума. При наличии в составе предлагаемой установки вакуумной установки 58 для получения гудрона, который используется для получения битума, в качестве разбавителя нефтяного сырья используют вакуумный газойль, который с помощью насоса 54 подают из вакуумной установки 58.
При повышении температуры газов в верхней части колонны 1 выше заданного значения, предпочтительно выше 250°С, система управления 24, получающая от датчика 17 информацию о текущем значении указанной температуры, в автоматическом режиме включает подачу пара или воды в верхнюю часть колонны 1 по линии 65 для снятия избыточного тепла, выделяющегося в ходе реакции окисления в колонне 1. Из линии 65 пар (или вода) поступает в кольцевую распределительную трубу 67 (фиг.6), а от нее - к насадкам 68 для выпуска пара (или воды), с помощью которых подводимый пар (или вода) равномерно распределяется по площади поперечного сечения верхней части окислительной колонны 1, что способствует более эффективному отводу тепла от газообразных продуктов окисления.
2
2
В случае, если содержание свободного кислорода О в верхней части колонны 1, измеряемое в непрерывном режиме датчиком 51, начнет приближаться к своему верхнему заданному значению, предпочтительно 4-6%, система управления 24, получающая от датчика 51 информацию о текущем значении содержания кислорода О, в автоматическом режиме уменьшает подачу сжатого воздуха в колонну 1 с помощью регулятора расхода сжатого воздуха 12 и осуществляет подачу в верхнюю часть колонны 1 через линию 76 охлаждающего газа, предпочтительно азота, с помощью которого содержание свободного кислорода в газах снижается до безопасного уровня, при котором исключается возможность загорания газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1.
Возможность создания в верхней части колонны 1 чрезмерно высокого избыточного давления, опасного для конструкции колонны 1, исключается с помощью предохранительного клапана 82, а возможность взрыва газообразных продуктов в верхней части корпуса 2 - c помощью противовзрывного мембранного клапана 83.
В процессе работы окислительной колонны 1 в систему управления 24 помимо упомянутых выше сигналов от датчиков давления 11, 18 и 39, датчика уровня 46, датчика содержания кислорода 51, датчика температуры 17 и расходомеров 44, 45 и 57 поступают также сигналы от вискозиметров 40 и 42, плотномеров 41 и 43 и датчиков температуры 19-21. Все эти сигналы поступают в программное устройство системы управления 24, где обрабатываются по заданной программе, после чего на выходах системы 24 формируются следующие корректирующие сигналы:
c
с
с
c
г
- сигнал на корректировку текущего значения величины избыточного давления р газов в верхней части колонны 1 в зависимости, по крайней мере, от величины вязкости ν и плотности ρ нефтяного сырья, используемого для получения битума, величины вязкости ν и плотности ρ получаемого битума, величины Q и q расхода подаваемого в колонну 1, соответственно нефтяного сырья и сжатого воздуха, высоты Н столба окисляемого сырья 22 в колонне 1 относительно диспергатора 5 и величины температуры t окисляемого сырья и температуры t газов в колонне 1; данный сигнал поступает на вход регулятора 25, который с помощью дросселирующего устройства 32 (фиг.2) или регулируемого насоса 36 (фиг.3) корректирует величину избыточного давления р в колонне 1 до заданного рационального уровня, заложенного в программное устройство системы управления 24;
с
c
с
с
г
с
- сигнал на корректировку текущего значения высоты Н столба окисляемого сырья 22 в колонне 1 в зависимости, по крайней мере, от величины ν, ρ, ν, ρ, Q, q, р, t и t; данный сигнал реализуется с помощью частотного преобразователя 48 и электропривода 47 с корректировкой производительности откачивающего насоса 15 и соответствующей ей корректировкой высоты Н столба окисляемого сырья в колонне 1 до заданного рационального уровня, заложенного в программное устройство системы управления 24;
с
c
г
c
с
- сигнал на корректировку текущего значения величины Q расхода подаваемого в колонну 1 нефтяного сырья в зависимости, по крайней мере, от величины q, Н, р, t и t, ν, ρ, ν и ρ; данный сигнал реализуется с помощью частотного преобразователя 50 и электропривода 49 с корректировкой производительности подающего насоса 7 и соответствующей ей корректировкой текущего значения величины Q до заданного рационального уровня, заложенного в программное устройство системы управления 24;
2
c
г
с
c
с
- сигнал на корректировку текущего значения величины q расхода подаваемого в колонну 1 сжатого воздуха в зависимости, по крайней мере, от содержания кислорода О в газообразных продуктах окисления и величины t, t, Q, Н, р, ν, ρ, ν и ρ; данный сигнал реализуется с помощью электропривода 13 регулятора расхода сжатого воздуха 12 с корректировкой текущего значения величины q расхода сжатого воздуха через регулятор 12 до заданного рационального уровня, заложенного в программное устройство системы управления 24.
Возможно также регулирование с помощью системы управления 24 в процессе работы окислительной колонны 1 величины расхода пара или воды, подводимых в колонну 1 по линии 65, а также величины расхода охлаждающего газа, подводимого в колонну 1 по линии 76.
с
с
г
В процессе работы окислительной колонны 1 система управления 24 помимо упомянутого выше поддержания в заданных пределах в автоматическом режиме величины р избыточного давления газов внутри колонны 1 и высоты Н столба окисляемого сырья 22 в колонне 1 относительно диспергатора 5 обеспечивает также поддержание в автоматическом режиме величины температуры t окисляемого сырья 22 и температуры t газообразных продуктов окисления в колонне 1, величины разницы указанных температур и величины Q и q расхода подаваемого в колонну 1 нефтяного сырья и сжатого воздуха в заданных пределах, обеспечивающих оптимальный режим процесса окисления нефтяного сырья в колонне 1.
Вместе с тем, система управления 24 с помощью встроенных в нее сигнализаторов (не показаны) оповещает оператора установки посредством звуковых и световых сигналов о приближении к верхнему предельному значению уровня и температуры окисляемого сырья 22 в колонне 1, температуры и избыточного давления газообразных продуктов окисления в колонне 1 и содержания кислорода в указанных газообразных продуктах окисления, а также о приближении к нижнему предельному значению уровня окисляемого сырья 22 в колонне 1 и разности температуры окисляемого сырья в колонне 1 и температуры газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1. При этом система управления 24 получает необходимую для срабатывания ее сигнализаторов информацию об указанных параметрах установки от датчиков предельного уровня 77 и 78, датчиков температуры 17 и давления 18 газов в верхней части колонны 1, датчиков 19-21 температуры окисляемого сырья 22 и датчика 51 содержания кислорода в газообразных продуктах окисления.
Кроме того, система управления 24 обеспечивает аварийное автоматическое отключение подачи нефтяного сырья в колонну 1 при подъеме уровня окисляемого сырья 22 в колонне 1 до верхнего предельного уровня, на котором установлен датчик уровня 78. При этом система управления 24 подает на электропривод 9 управляющий сигнал на закрытие крана 8, а на частотный преобразователь 50 - сигнал на выключение электропривода 49 и остановку насоса 7.
Вместе с тем, система управления 24 обеспечивает аварийное автоматическое отключение подачи сжатого воздуха в колонну 1 (подает на электропривод 13 управляющий сигнал на закрытие регулируемого крана 12) при возникновении в процессе работы установки следующих неблагоприятных и опасных ситуаций:
- при падении давления воздуха в линии 10 до заданного минимального значения, предпочтительно до 0,15 МПа; в данной ситуации с помощью системы управления 24 прекращается подача нефтяного сырья в колонну 1 (закрывается кран 8 и отключается подающий насос 7) и отбор из нее битума (отключается откачивающий насос 15);
- при снижении уровня 23 окисляемого сырья 22 в колонне 1 до нижнего предельного уровня, на котором установлен датчик уровня 77; в данной ситуации с помощью системы управления 24 прекращается отбор битума из колонны 1;
- при повышении уровня 23 окисляемого сырья 22 в колонне 1 до верхнего предельного уровня, на котором установлен датчик уровня 78; в данной ситуации с помощью системы управления 24 прекращается подача нефтяного сырья в колонну 1;
- при прекращении подачи нефтяного сырья в колонну 1 или падении величины его расхода Q до заданного минимального значения; в данной ситуации с помощью системы управления 24 прекращается подача нефтяного сырья в колонну 1 и отбор из нее битума;
c
- при повышении температуры t окисляемого сырья 22 в колонне 1 до заданного максимального значения, предпочтительно до 280°С; в данной ситуации с помощью системы управления 24 прекращается подача нефтяного сырья в колонну 1 и отбор из нее битума;
c
г
- при снижении разности температуры t окисляемого сырья 22 и температуры t газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1 до заданного минимального значения, предпочтительно до 15°С; в данной ситуации с помощью системы управления 24 прекращается подача нефтяного сырья в колонну 1 и отбор из нее битума;
- при повышении содержания свободного кислорода в газах окисления в колонне 1 до заданного максимального значения, предпочтительно до 6% от всего объема газов в колонне 1; в данной ситуации с помощью системы управления 24 включается автоматическая подача охлаждающего газа (предпочтительно азота) в верхнюю часть колонны 1 и прекращается подача нефтяного сырья в колонну 1 и отбор из нее битума;
- при повышении температуры газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1 до заданного максимального значения, предпочтительно до 240°С; в данной ситуации с помощью системы управления 24 прекращается подача нефтяного сырья в колонну 1 и отбор из нее битума;
- при повышении избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1 до заданного максимального значения;
- при снижении расхода сжатого воздуха в линии 10 до заданного минимального значения.
Возможно также выполнение автоматизированной системой управления 24 регулирования расхода пара или воды в линии 65 и охлаждающего газа в линии 76, а также выполнение иных функций, способствующих повышению эффективности и безопасности работы установки.
При необходимости в процессе работы установки выполняется компаундирование и/или рециркуляция получаемого битума с использованием соответствующей системы компаундирования и/или рециркуляции (не показана).
Представленный пример выполнения установки для получения битума показывает, что практическое применение полезной модели позволяет повысить качество окисленных битумов за счет обеспечения равномерного протекания реакции окисления по всему объему окисляемого сырья, заполняющего окислительную колонну 1, что достигается двумя путями: 1) за счет обеспечения равномерного нагрева окисляемого сырья в колонне 1 с равномерным распределением температуры последнего в поперечных сечениях внутренней полости колонны; 2) за счет обеспечения плавного нетурбулизированного режима движения окисляемого сырья внутри окислительной колонны 1. Вместе с тем, применение полезной модели повышает производительность окислительной колонны по битуму и снижает расход сжатого воздуха и затраты, связанные с проведением мероприятий по снижению уровня пожаро- и взрывоопасности в верхней части колонны, что достигается за счет автоматического регулирования и поддержания избыточного давления газообразных продуктов окисления в верхней части колонны 1 в заданных пределах, исключающих свойственные прототипу коагуляцию окисляемого сырья 22, пенообразование в верхней части колонны 1, снижение интенсивности реакции окисления нефтяного сырья в колонне 1 и повышение остаточного кислорода в верхней части колонны 1.
с
c
В свою очередь, повышение производительности окислительной колонны по битуму и снижение расхода сжатого воздуха и затрат, связанных с проведением мероприятий по снижению уровня пожаро- и взрывоопасности в верхней части колонны, позволяет повысить рентабельность производства битума. Кроме того, обеспечение в предлагаемой установке автоматического регулирования и поддержания в заданных пределах высоты Н столба окисляемого сырья 22 в колонне 1, величины Q и q, соответственно расхода подводимого в колонну 1 нефтяного сырья и сжатого воздуха, и величины ν вязкости исходного нефтяного сырья, а также автоматическое корректирование рабочих параметров процесса окисления, протекающего в колонне 1, позволяет оптимизировать указанный процесс и улучшить качество получаемого битума. Выполнение диспергатора 5 с равномерно распределенными по площади поперечного сечения внутренней полости корпуса 2 колонны 1 отверстиями 62 для выхода воздуха, направленными вниз под углом 45° к вертикали, обеспечивает равномерное диспергирование сжатого воздуха по всему объему окисляемого сырья 22 в колонне 1, что также способствует оптимальному протеканию реакции окисления в колонне 1 и повышению качества получаемого битума.