РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ОКИСЛЕННЫХ БИТУМОВ

Предполагаемая полезная модель относится к реакционным аппаратам с непрерывным контактом газа и жидкости и может использоваться для производства нефтяных окисленных битумов из продуктов нефтепереработки (гудрона, асфальтов деасфальтизации, экстрактов селективной очистки масел, крекинг-остатка) путем их частичного окисления кислородом воздуха.
Уровень техники заключается в следующем.
Известен газожидкостной реактор для окисления нефтепродуктов, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса, оснащенного трубопроводами ввода сырья и воздуха. В верхней части данного реактора соосно корпусу установлен эжектор ввода сырья с патрубком для эжекции газов окисления, выходящим в пространство над уровнем сырья в реакторе. Диффузор эжектора ввода сырья с закрепленным на нем отражателем находится ниже уровня сырья в реакторе. В нижней части реактора также соосно корпусу установлен эжектор подачи воздуха, к диффузору которого прикреплен отражатель (RU 2203132 C1, С10С 3/04, 27.04.2003). Данное техническое решение направлено на получение битумов заданного качества при увеличении производительности реактора по сырью наряду со снижением удельного расхода подаваемого на окисление воздуха. За счет применения эжекционной техники в данном аппарате достигается высокая степень смешения сырья с реакционной массой и окислителем, что положительно сказывается на производительности и качестве продукта.
Однако в известном техническом решении не обеспечивается равномерное распределение воздуха по сечению реактора, который по мере движения вверх концентрируются в его центральной части в виде крупных пузырей, поднимающихся с высокой скоростью. В результате уменьшаются межфазная поверхность и время контакта сырья с воздухом, что ведет к недостаточно полному использованию кислорода при окислении и его высокой концентрации в отходящих газах.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является реактор для получения нефтяных окисленных битумов, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с технологическими патрубками, внутри которого установлены распределитель свежего воздуха, выполненный в виде маточника, горизонтальная разделительная перегородка с равномерно размещенными отверстиями и закрепленными в ней барботажными трубами. Над разделительной перегородкой размещено пено-гасительное устройство. Верхняя секция цилиндрического корпуса сообщается с нижней посредством циркуляционного трубопровода, движение жидкости в котором происходит самотеком (RU 2369433 C1, С10С 3/04, 10.10.2009). Данная конструкция обеспечивает эффективное использование кислорода воздуха в целевых реакциях за счет промежуточного распределения газа на разделительной перегородке и формирования пенного слоя с высокой удельной поверхностью контакта фаз под ней.
Недостатком известного устройства является низкое качество готового продукта особенно при производстве высокоокисленных строительных марок битумов из-за попадания неокисленного сырья на выход реактора, вызванного недостаточной степенью смешения исходного сырья с окислителем и реакционной массой. Это приводит к необходимости увеличения времени контакта сырья и окислителя и снижает производительность устройства.
Задачей предполагаемой полезной модели является увеличение производительности реактора для получения нефтяных окисленных битумов и улучшение качества готовой продукции за счет более полного использования кислорода воздуха в целевых реакциях.
Технический результат - улучшение смешения исходного сырья с реакционной массой и окислителем, благодаря чему достигается увеличение производительности, снижение удельного расхода сжатого воздуха и температуры процесса, а также повышается качество вырабатываемой продукции. Данный технический результат достигается тем, что реактор для получения нефтяных окисленных битумов, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с патрубками для ввода сырья и свежего воздуха и вывода готового продукта и отработанных газов, разделенный горизонтальной перфорированной перегородкой на нижнюю и верхнюю секции, распределитель свежего воздуха и выносную циркуляционную трубу, сообщающую верхнюю секцию с нижней, отличается тем, что он дополнительно снабжен газлифтным смесительным устройством ввода сырья, установленным соосно корпусу в нижней секции под горизонтальной перфорированной перегородкой и выполненным в виде цилиндрической смесительной камеры, снабженной конфузором на входе и диффузором на выходе, при этом в смесительную камеру введен трубопровод для ввода сырья, а над диффузором закреплен отражатель.
Для обеспечения интенсивности перемешивания сырья с окислителем и реакционной массой в реакторе трубопровод для ввода сырья выполнен с радиальным отверстием на боковой поверхности, обращенной в сторону отражателя и расположенным на оси смесительной камеры.
Предпочтительно, чтобы отношение длины смесительной камеры к ее диаметру составляло (5-8):1. Выбор значений, меньших 5:1, приведет к уменьшению времени контакта сырья с окислителем в смесительной камере и недостаточной степени их смешения. При отношении длины смесительной камеры к диаметру более 8:1 происходит увеличение ее гидравлического сопротивления, в результате чего может прекратиться поступление окислителя внутрь смесительной камеры и газлифтное смесительное устройство ввода сырья окажется неработоспособным.
Наиболее целесообразно газлифтное смесительное устройство располагать на расстоянии 0,2-0,3 диаметра корпуса от горизонтальной перфорированной перегородки. Такое размещение предотвратит попадание неокисленного сырья на выход реактора, а также обеспечит его равномерное распределение под горизонтальной перфорированной перегородкой в пенном слое, имеющим высокую удельную поверхность контакта, что способствует более быстрому протеканию процесса окисления свежего сырья.
Для снижения гидравлического сопротивления газлифтного смесительного устройства и обеспечения оптимального количества поступающего в него окислителя конфузор должен быть выполнен в виде полого усеченного конуса с высотой, составляющей 0,2-0,3 длины смесительной камеры, и с диаметром большего основания, равным 0,2-0,3 диаметра корпуса.
Расстояние от смесительной камеры до отражателя должно быть соизмеримо с диаметром смесительной камеры. Более близкое размещение отражателя приведет к возрастанию гидравлического сопротивления газлифтного смесительного устройства и поэтому нежелательно. Увеличение данного расстояния снижает эффективность работы газлифтного смесительного устройства, так как ведет к неравномерному перемешиванию сырья с реакторной жидкостью.
Наличие газлифтного смесительного устройства ввода сырья в реакторе обеспечивает эффективное смешивание свежего сырья при его вводе в реактор с окислителем и реакционной массой, за счет чего предотвращается попадание неокисленного сырья на выход из реактора. Это положительно сказывается на качестве готового продукта. Благодаря размещению смесительного устройства под перфорированной перегородкой ввод свежего сырья осуществляется непосредственно в пенный слой с высокой удельной поверхностью контакта фаз, что способствует более быстрому протеканию процесса окисления и позволяет увеличить производительность реактора.
На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого реактора для получения нефтяных окисленных битумов, на фиг. 2 - газлифтное смесительное устройство ввода свежего сырья.
Реактор для получения нефтяных окисленных битумов состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1, снабженного патрубками для ввода сырья 2 и воздуха 3 и вывода продуктов реакции 4 и отработанных газов 5, в нижней части которого установлено распределительное устройство воздуха 6 в виде маточника. В средней части цилиндрического корпуса 1 смонтирована горизонтальная перфорированная перегородка 7, разделяющая корпус на две секции. Аппарат снабжается выносной циркуляционной трубой 8, предназначенной для выравнивания концентраций продуктов в секциях. Под горизонтальной перфорированной перегородкой 7 соосно корпусу 1 установлено газлифтное смесительное устройство ввода свежего сырья, представляющее собой смесительную камеру 9, выполненную в виде трубы диаметром D 150-200 мм длиною L 1000-1200 мм, соединенной снизу с конфузором 10 и диффузором 12 сверху. Конфузор 10 имеет форму полого усеченного конуса, высота h которого составляет 0,2-0,3 длины смесительной камеры 9, а диаметр большего основания d составляет 0,2-0,3 диаметра корпуса 1. Над диффузором 12 на расстоянии, равном диаметру D смесительной камеры 9, установлен отражатель 11 в виде круглой пластины. В смесительную камеру 9 введен конец трубопровода подвода сырья 13, заглушенный с торца. Отверстие 14 для ввода сырья выполнено в боковой поверхности трубы и расположено так, что его центр лежит на оси смесительной камеры 9. Смесительное устройство ввода свежего сырья крепится тягами 75 к горизонтальной перфорированной перегородке 7 на расстоянии Н, равном 0,2-0,3 диаметра корпуса 1.
Реактор для получения нефтяных окисленных битумов работает следующим образом.
Исходное сырье, нагретое до определенной температуры, через патрубок 2 непрерывно подается по трубопроводу подвода сырья 13 в смесительную камеру 9. Требуемое количество воздуха через патрубок 3 подается в распределительное устройство 6 и вводится в нижнюю секцию корпуса 1, где кислород взаимодействует с реакционной жидкостью, окисляя ее. Смесь воздуха и непрерывно образующихся газов окисления в виде пузырьков различного диаметра движется вверх до горизонтальной перфорированной перегородки 7. За счет сопротивления потоку, создаваемого перегородкой 7, пузырьки дробятся и образуют под ней пенный слой. Часть смеси воздуха и газов окисления, поднимающейся в нижней секции корпуса 1, попадает в газлифтное смесительное устройство ввода свежего сырья через конфузор 10. В смесительной камере 9 газы окисления и воздух смешиваются со свежим сырьем, поступающим через отверстие 14, и далее, проходя через диффузор 12 и ударяясь об отражатель 11, равномерно распределяются в пенном слое под горизонтальной перфорированной перегородкой 7.
Проходя через горизонтальную перфорированную перегородку 7, смесь жидких и газообразных продуктов реакции равномерно распределяется по сечению верхней секции корпуса 1 реактора, в которой происходит дальнейшее окисление реакционной массы. Отработанные газы окисления выводятся из реакционного пространства через патрубок 5, а жидкость из его верхней секции по выносной циркуляционной трубе 8 перетекает в нижнюю секцию в зону расположения распределительного устройства воздуха 6, где происходит ее окончательное окисление. После этого готовый битум выводится через патрубок 4 в нижнем днище корпуса 1 для охлаждения и складирования.
Проведены промышленные испытания заявляемой конструкции на примере реактора для производства нефтяного битума марки БН 90/10, в котором газлифтное смесительное устройство ввода сырья было размещено на расстоянии 0,25 диаметра корпуса реактора от горизонтальной перфорированной перегородки. Соотношение длины смесительной камеры к ее диаметру составляло 7:1. Высота конфузора составляла 0,25 длины смесительной камеры, а диаметр его большего основания - 0,21 диаметра корпуса. Расстояние от диффузора до отражателя соответствовало диаметру смесительной камеры.
Основные показатели работы реактора заявляемой конструкции и прототипа, а также показатели качества получаемой продукции представлены в таблице. Сравниваемые реакторы имели горизонтальную перфорированную перегородку с диаметром отверстий 60 мм и долей свободного сечения 5%.
Таблица 1
Основные показатели работы реакционного аппарата и качества вырабатываемой продукции
Наименование показателей
Прототип
Предполагаемая полезная модель
1. Производительность по сырью, м<sup>3</sup>/ч
13…15
15…17
2. Удельный расход воздуха, м<sup>3</sup>/м<sup>3</sup>
185…190
160…180
3. Температура окисления, °С
277…285
272…275
5. Температура размягчения по КиШ, °С
93…95
98…99
6. Пенетрация при 25°С, ×0,1 мм
14…15
16…18
Как видно из этих данных, заявляемая конструкция позволяет по сравнению с прототипом достичь заметных положительных изменений показателей технологического режима: снижается требуемая температура окислительного процесса, уменьшается удельный расход сжатого воздуха, увеличивается производительность. Наряду с этим улучшено качество вырабатываемых битумов - увеличены пластичность и температура размягчения.