ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ДИСПЕРГАТОР ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ ВТОРИЧНЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Полезная модель относится к устройствам для обработки текучей среды и интенсификации физико-химических процессов и может быть использована в нефтеперерабатывающей, химической, энергетической, пищевой и других отраслях промышленности.
В процессе многоступенчатой переработки нефти образуется большое количество так называемых вторичных нефтепродуктов (гудрон, остаток висбрекинга, мазут и др.). Для придания им требуемых потребительских свойств используют дополнительные технологические мероприятия: висбрекинг, компаундирование с различными дорогостоящими растворителями, например с вакуумным газойлем.
Однако в современных условиях особую актуальность приобретает снижение издержек производства перечисленных выше процессов. Одним из вариантов решения этой задачи является использование гидродинамических диспергаторов, вызывающих в потоке рабочей жидкости процесс кавитации. Возникающие при этом локальные давление и температура разрушают молекулярную структуру рабочей жидкости, что позволяет улучшить такие потребительские характеристики как, кинематическая вязкость, температура вспышки и др.
Из уровня техники известен гидродинамический диспергатор, содержащий отводящий и подводящий патрубки и пластинчатый резонансный элемент с клиновидной частью, у которого на каждой стороне клиновидной части нанесено не менее двух пазов овальной формы, расположенных параллельно острой кромке резонансной пластины. Один конец резонансной пластины жестко закреплен, а другой, имеющий клиновидную заточку, расположен напротив выхода отводящего сопла (фиг. 1) (RU 95553 U1, 10.07.2010).
За наиболее близкий аналог к заявленной полезной модели принят гидродинамический излучатель с пластинчатым резонансным элементом (RU 74317 U1, 27.06.2008). Такое устройство состоит из подводящего патрубка, переходящего в сопло с цилиндрическим входом и заканчивающееся плоской щелью, резонансной пластины, один конец которой жестко закреплен, а другой, имеющий клиновидную заточку, расположен против выхода сопла, цилиндрического корпуса и отводящего патрубка (фиг. 1).
2
Излучатель работает следующим образом. Обрабатываемая жидкость через подводящий патрубок (1) поступает в сужающееся сопло (2), на выходе из которого поток приобретает форму плоской струи. Пластина (3) консольно закреплена на стойках (7). При натекании жидкости на клиновидную часть (6) пластины (3) происходит образование и срыв вихрей, следующих один за другим. Периодически изменяющееся давление в зоне вихрей приводит к образованию звуковых волн. При прохождении фазы волны, создающей разряжение, жидкость рвется, и в ней образуется большое количество разрывов в виде пузырьков. После кратковременного существования часть пузырьков захлопывается и при этом развиваются большие местные мгновенные давления, достигающие 10000 кгс/см (P.P. Чугуевский, «Гидравлика», изд. «Энергия», 1975 г.). Компоненты жидкости, попадающие в зону срыва вихрей (кавитационное облако), подвергаются мощному воздействию и происходит процесс диспергирования. Обработанная жидкость отводится через отверстие в корпусе (8) и отводящий патрубок (5).
2
Недостатком описанных устройств является то, что они имеют ограничение по интенсивности ультразвука, которая определяет эффективность процесса диспергации. Для устройства, известного из наиболее близкого аналога, эта величина не превышает 4 вт/см.
2
В результате обработки вторичных нефтепродуктов ультразвуковым полем с интенсивностью менее или равным 4 вт/см, происходит разрыв только химических связей «углерод-углерод», но не происходит разрыва связей «углерод-водород», в результате чего после такой обработки получают нефтепродукты с недостаточно высокими потребительскими свойствами - остается высокая вязкость и температура вспышки сырья после его обработки.
Задачей заявленной полезной модели является создание гидродинамического диспергатора для улучшения потребительских свойств вторичных нефтепродуктов, который исключал бы указанные недостатки.
Величина интенсивности ультразвука для описываемого типа устройств определяется по формуле:
,
Где Р - амплитуда звукового давления, Па;
3
ρ - плотность жидкости, кг/м;
С - скорость звука в данной жидкости, м/с.
Как следует из приведенной выше аналитической зависимости, на величину интенсивности существенное влияние оказывает величина давления, создаваемого пластиной диспергатора в процессе колебаний относительно продольной оси.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение эффективности процесса диспергации за счет повышения интенсивности ультразвука, генерируемого гидродинамическим диспергатором, что обеспечивает понижение вязкости и температуры вспышки вторичных нефтепродуктов.
Технический результат достигается за счет выполнения гидродинамического диспергатора, содержащего два плоских подводящих сопла, две резонансные пластины, установленные напротив них, и отводящего патрубка, причем каждая резонансная пластина верхним концом жестко консольно закреплена над каждым соплом, а нижний свободный ее конец выполнен заостренным, при этом пластины закреплены параллельно друг другу на расстоянии, равном трехкратной ширине пластины.
Такое расстояние обеспечивает сложение амплитуд давлений, создаваемых каждой пластиной в процессе колебаний при поступлении жидкой среды в диспергатор и максимальную величину интенсивности ультразвука.
За счет консольного закрепления двух резонансных пластин с острыми кромками параллельно друг другу и одновременно над двумя плоскими подводящими соплами, при поступлении обрабатываемой жидкости и натекании ее на пластины, происходит образование и срыв вихрей жидкой среды с последующим колебанием резонансных пластин.
За счет закрепления в заявленной конструкции диспергатора пластин с заявленным расстоянием между ними, обеспечивающем при поступлении жидкого продукта сложение амплитуд давлений, создаваемых каждой пластиной в процессе колебаний, достигается существенное повышение интенсивности ультразвука, генерируемого гидродинамическим диспергатором, что влияет на повышение потребительских свойств обрабатываемой жидкости.
Далее решение поясняется ссылкой на фигуры.
На фиг. 2 изображен заявленный гидродинамический диспергатор.
Гидродинамический диспергатор содержит два подводящих сопла (9), отводящий патрубок (10), две одинаковые резонансные пластины (11) с заостренными концами. Пластины (11) установлены параллельно друг другу и консольно закреплены верхним концом над плоскими подводящими соплами (9), причем, расстояние между пластинами (А) рассчитано таким образом, чтобы амплитуды давлений, создаваемых каждой пластиной в процессе колебаний, складывались.
Минимальное расстояние между пластинами может составлять 3 мм, поскольку для данного типа диспергаторов амплитуда колебаний пластины составляет соразмерную величину.
Максимально возможное расстояние между пластинами может составлять 5h, где h - ширина резонансной пластины, поскольку при большем расстоянии интенсивность ультразвука существенно понижается, что обусловлено тем, что амплитуды давлений, создаваемых каждой пластиной в процессе колебаний, не суммируются, что исключает взаимовлияние двух пластин друг на друга при поступлении жидкого продукта в диспергатор. Однако наиболее оптимальным расстоянием между пластинами является расстояние, равное трехкратной ширине пластины, поскольку при таком расстоянии
обеспечивается максимальная величина интенсивности ультразвука.
На фиг. 3 изображен модуль гидродинамической обработки гудрона.
Гидродинамический диспергатор работает следующим образом.
2
Обрабатываемая жидкость (гудрон, остаток висбрекинга, мазут, вакуумный газойль и др.) через подводящие сопла поступает в диспергатор. При натекании жидкости на заостренные концы резонансных пластин происходит образование и срыв вихрей на острой кромке резонансных пластин, что приводит к интенсификации процесса образования кавитационных каверн и к увеличению акустической мощности гидродинамического диспергатора. Периодически изменяющееся давление в зоне вихрей приводит к образованию звуковых волн. При прохождении фазы волны, создающей разряжение, жидкость рвется, и в ней образуется большое количество разрывов в виде пузырьков. После кратковременного существования часть пузырьков захлопывается и при этом развиваются большие местные мгновенные давления, достигающие 10000 кгс/см.
2
Величина ультразвука достигает значения более 5 вт/см, что является необходимым условием для разрыва под воздействием ударных волн, возникающих при схлопывании кавитационных каверн, не только химических связей «углерод - углерод», но и связей «углерод - водород». В результате образуются углеводороды с меньшей молекулярной массой и, как следствие, уменьшается вязкость и температура вспышки сырья (вторичных нефтепродуктов) и оно приобретает дополнительные потребительские свойства.
Компоненты жидкости, попадающие в зону срыва вихрей (кавитационное облако), подвергаются мощному воздействию, и происходит процесс диспергирования. Обработанная жидкость отводится через отводящий патрубок.
Расчет оптимального расстояния между пластинами осуществлялся методом наложения нелинейных эпюр давления. Правильность расчетов оценивалась в лабораторных условиях посредством измерения интенсивности ультразвука в рабочей зоне между пластинами. В качестве измерителя интенсивности упругих колебаний использовался пьезоэлектрический приемник марки ППЩ-Л с чувствительным элементом, выполненным из титаната бария. Были изготовлены 6 образцов диспергаторов, отличавшихся только расстоянием между пластинами. Результаты приведены в Таблице 1.
2
2
Лабораторно-стендовые испытания заявленного гидродинамического диспергатора показали, что интенсивность ультразвука увеличивается с 4 вт/см до 9,2 вт/см.
Гидродинамический диспергатор был испытан в опытно-промышленном исполнении на действующем производстве нефтеперерабатывающего завода. Обработке подвергались: гудрон АВТ, висбрекинг остаток, мазут, вакуумный газойль. Во всех случаях наблюдалось существенное улучшение потребительских характеристик при установке пластин диспергатора на расстоянии, равном трехкратной ширине пластины, что обеспечивает максимальную величину интенсивности ультразвука.
Оптимальность выбора такого расстояния между пластин приведена в таблице 1
Полученные данные экспериментов подтверждают, что при данном расстоянии между пластинами в заявленном диспергаторе получаемая интенсивность ультразвука является наиболее оптимальной, т.е. она существенно выше, чем при других расстояниях.
Пример 1.
Данная технология реализована в виде модуля гидродинамической обработки гудрона (см. фиг. 3), содержащего заявленный гидродинамический диспергатор, при следующих условиях.
Расстояние между пластинами диспергатора А=3h, где h - ширина резонансной пластины. В частном случае пластины могут быть установлены на расстоянии, равном, например, А=8 мм.
Температура поступления гудрона в гидродинамический диспергатор t=35°°С,
2
Давление на входе в диспергатор Р=20 кгс/см,
Производительность диспергатора составила 35 т/ч.
2
Величина снижения кинематической вязкости обработанного в диспергаторе гудрона составила 22% при исходной вязкости гудрона 615 мм/с.
Диспергатор генерирует ультразвуковое поле на частоте 22,4 кГц и выполнен с шириной пластины, равной 2.7 мм.
Пример 2.
Необходимую ширину резонансной пластины h диспергатора определяли следующим образом.
Одним из основных параметров гидродинамического диспергатора является частота генерируемого ультразвукового поля, которая рассчитывается по формуле:
где 0,163 - эмпирический коэффициент;
d - ширина пластины;
I - длина пластины;
Е - модуль упругости материала пластины;
Р - плотность материала пластины.
Наиболее эффективно диспергаторы данного типа работают в диапазоне частот 18-50 кГц. При этом ширина пластины может быть равной, например, 2 мм или 3 мм или 4 мм. Предпочтительно каждая пластина может быть выполнена с шириной в диапазоне от 2 до 6 мм.