КАВИТАЦИОННЫЙ РЕАКТОР ОКИСЛЕНИЯ БИТУМА Советский патент 1997 года по МПК B01J19/00 

Изобретение относится к реакторным устройствам и может быть использовано для окисления нефтяных остатков кислородом воздуха до битумов различных марок.

Цель изобретения интенсификации процесса окисления.

На фиг. 1 схематически показан кавитационный реактор окисления битума; на фиг. 2 цилиндрическая камера.

Кавитационный реактор состоит из корпуса 1, цилиндрической камеры 2, на наружной поверхности которой закреплена крыльчатка 3 с клиновидными лопастями. Цилиндрическая камера 2 соединена с патрубком 4 для подачи окисляющего воздуха. Выходной конец цилиндрической камеры 2 снабжен клапаном 5, закрепленным подвижно на направляющей 6 при помощи пружины 7. Направляющая 6 установлена внутри цилиндрической камеры 2 при помощи ножевых опор 8. Участок цилиндрической камеры 2 между крыльчаткой 3 и клапаном 5 выполнен перфорированным. В патрубке 9 для подачи сырья установлен коллектор 10 предварительного поддува воздуха кольцевой формы с установленными под углом к оси корпуса реактора соплами 11. На участке цилиндрической камеры 2 между крыльчаткой 3 и клапаном 5 выполнены выходные отверстия 12, расположенные под углом к оси корпуса 1 реактора.

Кавитационный реактор работает следующим образом. Гудрон с температурой 100-210^oC прокачивают через корпус 1 со скоростью 1-2 м/с. При прохождении через зону остановки крыльчатки 3 скорость потока увеличивается до 15-25 м/с за счет сужения потока, при этом жидкость воспринимает растягивающие усилия, вызванные понижением давления в этой области. Происходит вскипание в начале легколетучих компонентов, затем и более тяжелых (все зависит от величины давления в области за крыльчаткой), образуются поля микропузырьков по всему сечению. В процессе растяжения пузырьки схлопываются с образованием кумулятивных микроструй со скоростями 10⁴ м/с и ударными давлениями 10⁵ атм. Воздействие кумулятивных струй обеспечивает перемешивающее воздействие.

В зону образования кумулятивных струй подают через цилиндрическую камеру 2 воздух в начале через отверстия 12, а затем основную массу через зазор между камерой 2 и клапаном 5. Воздух выходит под углом к потоку, что улучшает смешение. Попадая в зону действия кумулятивных струй под их воздействием, воздух смешивается с гудроном, образуя мелкодисперсную смесь. Это обеспечивает наибольшую площадь контакта гудрона и воздуха, что повышает реальную скорость химического превращения гудрона в битум.

При данной форме обтекаемого тела кавитация возникает при вполне определенном для данной точки потока значении безразмерного параметра

где
P гидростатическое давление набегающего потока;
P_н давление насыщенного пара;
ρ плотность жидкости;
v_∞ скорость жидкости на достаточном расстоянии от тела.

Этот параметр называется числом кавитации, служит одним из критериев подобия при моделировании гидродинамических течений. В результате увеличения скорости потока после начала кавитации возникает быстрое возрастание числа кавитационных пузырьков, вслед за этим происходит их объединение в общую кавитационную каверну, затем течение переходит в струйное. При этом течение сохраняет нестационарный характер только в области замыкания каверны. Особенно быстро струйное течение организуется в случае плохо обтекающих тел.

Если внутрь каверны через тело, около которого возникает кавитация, подвести атмосферный воздух или иной газ, то размеры каверны увеличиваются. При этом устанавливается течение, которое будет соответствовать числу кавитации, образованному уже не по насыщенному давлению водяного пара P_н, а по давлению газа внутри каверны P_к, т.е.

Всплывание такой кавитационной каверны будет определяться так называемым числом Фруда
Fr = v2∞

Так как P_к может быть много больше P_н, то в таких условиях возможно при малых скоростях набегающего потока получать течения, соответствующие очень низким значениям κ, т.е. глубоким степеням развития кавитации. Необходимо подчеркнуть, что распыливатель не предназначен для окисления нефтяных остатков.

При увеличении подачи воздуха клапан 5 перемещается по направляющей 6, растягивая пружину 7, увеличивает зазор с камерой 2. Для гудрона с низкой температурой образования кумулятивных микроструй затруднено, поэтому в корпусе перед крыльчаткой установлен коллектор 10 подачи воздуха. Воздух, выходя через сопла 11, установленные под углом к оси корпуса 1, закручивает поток гудрона в сторону, противоположную закрутке на крыльчатке, что улучшает условия образования кавитации. С другой стороны, гудрон, смешиваясь с воздухом, частично реагирует с выделением тепла, таким образом гудрон повышает температуру, снижает вязкость и порог начала кавитационного течения на крыльчатке 3. С другой стороны, образованная мелкодисперсная смесь гудрона и непрореагировавших газов резко снижает вязкость смеси, а пузырьки газа являются центрами образования кумулятивных струй, что повышает количество кумулятивных струй в зоне основного смешения за крыльчаткой 3. Крыльчатка 3 представляет собой рабочее колесо суперквавитирующего насоса, неподвижно закрепленного на ступице. Профиль элементов рабочего поля выбран в виде суперкавитирующего крыла.

Кавитационная обработка позволяет получить наиболее однородную воздушно-сырьевую смесь. При повышении площади контакта скорость окисления гудрона повышается, что обеспечивает увеличение производительности установки и позволяет получить однородный по составу битум.

Высокая степень превращения снижает количество непрореагировавшего воздуха в отходящих газах, что снижает пожароопасность битумного производства.

Кавитационный реактор окисления битума, содержащий корпус, крыльчатку, патрубки подачи сырья и вывода продукта, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса окисления, реактор снабжен установленной по оси корпуса цилиндрической камерой с перфорированным выходным концом и патрубком для подачи окисляющего воздуха, при этом крыльчатка закреплена на наружной поверхности цилиндрической камеры.

2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрическая камера снабжена установленным на выходном конце подпружиненным клапаном.

3. Реактор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен установленным в патрубке подачи сырья коллектором предварительного поддува воздуха с соплами, выходные отверстия которых расположены под углом к оси корпуса реактора.

1. Кавитационный реактор окисления битума, содержащий корпус, крыльчатку, патрубки подачи сырья и вывода продукта, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса окисления, реактор снабжен установленной по оси корпуса цилиндрической камерой с перфорированным выходным концом и патрубком для подачи окисляющего воздуха, при этом крыльчатка закреплена на наружной поверхности цилиндрической камеры. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что цилиндрическая камера снабжена установленным на выходном конце подпружиненным клапаном. 3. Реактор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен установленным в патрубке подачи сырья коллектором предварительного поддува воздуха с соплами, выходные отверстия которых расположены под углом к оси корпуса реактора.