Установка для окисления нефтепродуктов Советский патент 1993 года по МПК B01F5/00 C10C3/04 

Изобретение относится к оборудованию для проведения технологических мас- сообщенных процессов и может быть использовано, в частности, для окисления нефтепродуктов (нефтяных остатков; мазу- 5 тов, гудронов, полугудронов, асфальтов де- асфальтизаций, кр екингостатков и т.п.) кислородом воздуха при производстве нефтяных битуМоШ 5: 5 4 . |.. / / .....

Известна установка для приготовления 10 битума, включающая реакторный куб, на греватель, нагнетатель воздуха и перепускной трубопровод с насосом 1.

Недостатком известной.конструкции является низкая интенсивность процесса 15 окисления в результате недостаточно развитой поверхности контакта фаз.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является прйня- 20 тая за прототип установка для приготовления битума из гудрона, содержащая реакторный куб с высотой, превышающей его поперечный размер, уравнительную емкость, перепускной трубопровод между ем- 25 костью и кубом, выполненный в виде секций с соплами, воздуховод, размещенный в первой за насосом секции, и последней секцией, входящей е реакторный куб, с направленным вниз дополнительным со- 30

ПЛОМ 2. ..;:: .. у .- . :-. /.;..-:

Недостатками известной установки явяются невысокая эффективность работы в результате слабо развитой удельной поверхности раздела фаз (воздух-жидкость), а так- 35 е низкой интенсивностипроцесса смешения и, как следствие,незначительный коэффициент использования кислорода воздуха. Кроме того, подача воздуха осущетвляется в зону повышенного давления 40 секции смешения, что обуславливает необходимость значительных энергетических затрат на ёго сжатие. . ...

Целью предполагаемого изобретения является интенсификация процесса окисле- 45 ния, увеличение коэффициента использования кислорода воздуха и уменьшение удельных энергетических затрат за счёт со- /.. здания режимов развитой гидродинамической кавитации. Поставленная цель 50 остигается тем, что в установке для окисения нефтепродуктов (нефтяных остатков), содержащей вертикальный цилиндрический реакторный куб с уравнительной емкостью, патрубки ввода обезвоженных 55 нефтепродуктов и воздуха, патрубки вывода газов и готового продукта, внешний циркуляционный контур, соединенный с патрубком забора нефтепродуктов из уравнительной емкости и состоящий из насоса,

секции смешения нефтепродуктов и воздуха, с установленными на входе соосно ей воздуховодом и соплом и входящей внутрь реакторного куба, цилиндрической секции с направленным вниз соплом, согласно изобретению секция смешения снабжена последовательно расположенными цилиндрической камерой с патрубком подачи воздуха, конфузором, рабочим участком и диффузором, а в сопле соосно ему последовательно по ходу потока расположены диффузор, закреплённый на выходном конце воздуховода, неподвижная крыльчатка с лопастями суперкавитирующего профиля, в которых выполнены сообщенные с цилиндрической камерой каналы с выходными отверстиями на тыльной стороне и кольцо с острой кромкой, закрепленное на внутренней поверхности выходного участка сопла, с диаметром кромки, составляющим 0,85- 0,95 внутреннего диаметра сопла. Лопасти неподвижной крыльчатки имеют, например, клиновидную форму сечения с острой передней кромкой.

На фиг. 1 изображена схема установки с вертикальным реакторным кубом; на фиг. 2 - продольный разрез кавитационного струйного аппарата; на фиг. 3 - продольный разрез лопасти крыльчатки; на фиг. 4 - лопасть крыльчатки, поперечный разрез.

Установка для окисления нефтепродуктов содержит вертикальный цилиндрический реакторный куб 1 с уравнительной емкостью 2, патрубки вывода отходящих газов 3, внешний циркуляционный контур, соединенный с патрубком 4 забора нефтепродуктов из емкости 2 и расположенным ниже уровня верхней границы 5 зоны окисления, циркуляционный контур, состоящий из трубопровода 6, насоса 7 с размещенным на его входе патрубком подачи обезвоженных нефтепродуктов 8, секции смешения, снабженной последовательно расположенными цилиндрической камерой 9 с патрубком подачи воздуха 10, конфузором 11, рабочим участком 12 и диффузором 13, размещенного во входном участке цилиндрической камеры 9 сопла 14, внутри которого соосно ему последовательно по ходу потока устанбвлены три элемента кавернообразу- ющей формы, первый из которых закреплен на выходном конце воздуховода 15 с патрубком подачи воздуха 16 и выполнен в виде диффузора 17, второй - в виде неподвижной крыльчатки 18 с лопастями 19, имеющими клиновидную форму сечения с острой передней кромкой 20, в теле которых выполнены каналы 21, выходящие на тыльную сторону лопастей и соединенные с цилиндрической камерой 9 секции смешения посредством

радиальных отверстий 22 в сопле 14, и третий элемент, представляющий собой кольцо 23 с острой кромкой 24, закрепленное на внутренней поверхности выходного участка сопла 14. Диаметр кромки составляет 0,85-0,95 внутреннего диаметра сопла. Циркуляционный контур включает в себя также, расположенную за секцией смешения цилиндрическую секцию 25 с направленным вниз соплом 26, входящую внутрь реакторного куба. Готовый продукт (окисленные нефтепродукты) отводится через патрубок 27, размещенный в.нижней части уравнительной емкости 2. Кроме того, установка содержит измерительную и регулирующую аппаратуру, установленную на линиях подачи обезвоженных нефтепродуктов, воздуха, трубопроводе циркуляционного контура, линий отвода готового продукта и реакторном кубе.

Установка для окисления нефтепродуктов работает следующим образом. Обезвоженные нефтепродукты с определенной заданной технологическим процессом тем,- пературой (при получении битума из гудрона последний поступает с АВТ нагретым до 190-250°С) вводятся через патрубок 8 на вход насоса 7, создающего необходимое (1- 0,6 МПа) давление. При прохождении через сопло 14 гидродинамические параметры потока нефтепродуктов (активной среды) из- меняются: скорость увеличивается, достигая величины 10-15 м/с, а статическое давление падает. При обтекании потоком первого кавернообразующего элемента (ка- витатора), выполненного в виде диффузора 17, происходит разрыв жидкости с образованием развитой присоединенной кавитационной полости (еуперкаверны), представляющей собой область минимального давления, величина которого меньше или равна парциальному давлению растворенных в жидкости газов. Разность статиче- ских давлений в потоке и в каверне обуславливает эжекцию воздуха (пассивной среды). Таким образом, воздух поступает через патрубок 16, воздуховод 15 и диффузор 17 непосредственно в кавитационную полость. В сильно турбулизированной хвостовой части каверны происходит образование и отрыв микропузырьков, наполненных воздухом. Создается двухфазная плотно упакованная мелкодисперсная пузырьковая смесь.

В результате диффузии кислорода через поверхность каверны и развитую удельную поверхность пузырьковой смеси, начинается процесс окисления нефтепродуктов с высокой скоростью реакции. За диффузором 17, в результате повышения

статического давления, часть кавитацион- ных пузырьков схлопывается с образованием кумулятивных микроструек, имеющих размеры 5-20 мкм и скорости порядка 300800 м/с. Время схлопывания пузырьков очень мало, порядка с, давление з точках схлопывания достигает значительных величин, порядка 100 МПа. При этом кумулятивные микроструйки прошивают

0 жидкость и распадаются на мелкомасштабные вихри большой интенсивности, способствуя субмолекулярнЬму перемешиванию с появлением свежей поверхности жидкой фазы и значительным содержанием реакци5 онноспособных углеводородов. Далее.при

обтекании двухфазным потоком за лопастя- ми 19 крыльчатки 18 образуются гели ридальные макровихри и еуперкаверны, за

которыми также генерируются поля мелко0 дисперсных кавитационных пузырьков, заполненных воздухом, поступающим по патрубку 10, цилиндрической камере 9, отверстиям 22 и каналам 21 в лопастях непосредственно в полости суперкаверн.

5 Наличие большого количества микропузырьков воздуха в потоке перед вторым ка- вернообразующим элементом способствует образованию устойчивых каверн с минимальными энергетическими затратами.

0 На выходе из сопла 14, в результате взаимодействия газожйдкостной рабочей струи с острой кромкой 24 кольца 23 структура поверхности струи существенно изме- . няется.- она значительно увеличивается в

5 поперечных размерах и приобретает сильно возмущенный характер. При истечении рабочей струи из сопла 14 в цилиндрической камере 10 создается разрежение, способствующее эжекции воздуха, увлекаемого ак0 тивной поверхностью струи, Интенсивное взаимодействие струи с воздушным потоком в рабочем участке 12 секции смешения вызывает рост эффективности энергообме- на между активной и пассивной средами,

5 сопровождаемого образованием тонкодисперсной газожидкостной смеси. В диффузо- ре 13 кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную. Этот процесс приводит к уменьшению скорости и

5 повышению статического давления в потоке, что способствует интенсификации процесса окисления в результате улучшения диффузии кислорода в жидкую фазу.

Двухфазный поток, состоящий из ча0 стично окислившихся нефтепродуктов и газовых пузырьков, подается по цилиндрической секции 25, с большой скоростью выбрасывается из сопла 26 и ударяется о дно куба 1, при этом пузырьки дробятся и всплывают на поверхность, заполняя весь объем

реакторного куба. Продолжается процесс диффузии непрореагировавшего кислорода. Отходящие газы (газы окисления) собираются в верхней части куба 1 и отводятся через патрубок 3 на обезвоживание. В процессе работы окислившиеся нефтепродукты поступают в уравнительную емкость 2, откуда часть их через патрубок 4 и трубопровод 6, смешиваясь с исходным сырьем, поступает в циркуляционный насос 7. Балансовое количество готового продукта отбирается через патрубок 27. Наличие измерительной и регулирующей аппаратуры позволяет поддерживать гидродинамические и температурные параметры протекающих процессов в пределах значений, устанавливаемых технологическим регламентом.;

Работа установки по циркуляционной схеме дает возможность варьировать продолжительность пребывания сырья в зоне реакции при стабильной подаче смеси в реакторный куб. Циркуляция позволяет, например при производстве битума, повысить пенетрацию при 25°С на (2-8).0,1 м, понизить температуру хрупкости и повысить интервал пластичности. Возможна также работа установки и без рециркуляции. В этом случае, изменяя расход сырья и воздуха, регулируют время пребывания нефтепродуктов в зоне реакции, подбирают оптимальные условия процесса окисления.

Исследования, проведенные на гидродинамическом стенде, позволили определить оптимальное значение внутреннего диаметра кромки 24 кольца 23, равное 0,85- 0,95 внутреннего диаметра сопла 14. Уменьшение указанного значения приводит к значительному повышению гидравлического сопротивления, что, в свою очередь, требует дополнительных энергетических затрат. Увеличение же внутреннего диаметра кромки при прочих равных условиях (скорости, давлении, температуре) приводит к снижению коэффициента эже.кции, вследствие снижения возмущающего влияния кромки на поверхность активной рабочей струи кавитациоиного струйного аппарата.

Таким образом, предлагаемая конструкция устройства для окисления нефтепродуктов позволяет интенсифицировать процесс окисления, увеличить коэффициент использования кислорода воздуха до 0,95 и

уменьшить на 40-60% удельные энергетические затраты за счет использоватя режимов гидродинамической кавитации, способствующих увеличению дисперсности

воздуха, удельной поверхности Контакта фаз, и как следствие, значительному ускорению реакции окисления. Кроме того:, простота предлагаемой конструкции позволяет продолжить эксплуатацию существующих в

настоящее время в промышленности окислительных колонн с незначительной их переделкой.

Формула изобретения

1. Установка для окисления нефтепродуктов, содержащая вертикальный цилиндрический реакторный куб с уравнительной емкостью, патрубки ввода обезвоженных нефтепродуктов и воздуха, патрубки вывода газов и готового продукта, внешний циркуляционный контур,- соединенный с патрубком забора нефтепродуктов из уравнительной емкости и состоящий из насоса, секции смешения нефтепродуктов и воздуха с установленными на входе соосно с ней воздуховодом и соплом и входящей внутрь реакторного куба цилиндрической секции с направленными вниз соплом, о т л и ч а ю- щ а я с я тем, что, с целью интенсификации

процесса окисления, увеличения коэффициента использования кислорода воздуха и уменьшения удельных энергозатрат путем создания режима развитой гидродинамической кавитации, секция смешения снабжена

последовательно расположенными цилиндрической камерой с патрубком подачи воздуха, конфузором, рабочим участком и диффузором, а в сопле соосно с ним по ходу потока расположены диффузор, закрепленный на выходном конце воздуховода, неподвижная крыльчатка с лопастями су- перкавитирующего профиля, в которых выполнены сообщенные с цилиндрической камерой каналы с выходными отверстиями

на тыльной стороне, и кольцо с острой кромкой, закрепленное на внутренней поверхности выходного участка сопла, с диаметром кромки, составляющим 0,85-0,95 внутреннего диаметра сопла.

2. Установка по п. 1, отличающая- с я тем, что лопасти имеют клиновидную форму сечения с острой передней кромкой.

М 20 19 22

Использование: производство нефтяных битумов. Сущность изобретения: секция смещения снабжена цилиндрической камерой 9 с патрубком подачи воздуха 10, конфузором 11, рабочим участком 12 и диффузором 13. В сопле установлены диффузор на выходном конце воздуховода, крыльчатка с лопастями суперкавитирующего профиля и каналами с выходными отверстиями на тыльной стороне, кольцо 23 с острой кромкой, закрепленное на внутренней поверхности выходного участка сопла 14.1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Фиг.З