Установка для окисления нефтепродуктов

 

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.

. СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

К ПАТЕНТУ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) 1 (21) 4898137/26 (22) 08.01.91 (46) 30.01.93. Бюл. ¹ 4 (75) А. С.Мачинский, Н.Г,Литвиненко, Л,M,Ñèðîòêèí, А.Ф.Немчин, С.В.Волейник, А,Ю,Пригода и M.È.Ïàéçèíêà .(73) С.В.Волейник (56) 1, Авторское свидетельство СССР

N968053,,кл. С 10 С 3/12, 1981.

2. Авторское свидетельство СССР

¹ 1335560, кл, С 10 С 3/12, 1985. (54) УСТАНОВКА ДЛЯ ОКИСЛЕНИЯ НЕФТЕ П РОДУКТОВ

» 5U 1792342 АЗ (51)5 В 01 F 5/00, С 10 С 3/04

2 (57) 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. J792342

15

30

Изобретение относится к оборудованию для проведения технологических: массообменных процессов и может быть использовано, в частности, для окисления нефтепродуктов (нефтяных остатков; мазу- 5 тов, гудронов, полугудронов, асфальтов де- асфальтизации, крекингостатков и т.п.) кислородом воздуха при производстве нефтяных битумов. -"

Известна устанОвка для приготовления битума, включающая реакторный куб, нагреватель, нагнетатель воздуха и перепускной трубопровод с насосом (1).

Недостатком известной конструкции является низкая интенсивность процесса окисления в результате недостаточно развитой поверхности контакта фаз, Наиболее близким к предполагаемому йзобретению по технической сущности и достигаемому результату является приня- 20 тая за прототип установка для приготовления битума из гудрона, содержащая реакторный куб с высотой, превышающей его поперечный размер,-уравнительную емкость, перепускной трубопровод между емкостью и кубом, выполненный в виде секций с соплами, воздуховод, размещенный в первой за насосом секции, и последней секцией, входящей в реакторный куб; с направленным вниз дополнительным соплом (2).

Недостатками известной установки яв ляются невысокая эффективность работы в результате слабо развитой удельной поверхности раздела фаз (воздух-жидкость), а также низкой интенсивности процесса смешения и, как следствие, незначительный коэффициент использования кислорода воздуха. Кроме того, подача воздуха осуществляется в зону повышенного давления 40 секции смешения, что обуславливает необходимость значительных энергетических затрат на его сжатие.

Целью предполагаемого изобретения является интенсификация процесса окисле- 45 ния, увеличение коэффициента использования кислорода воздуха и уменьшение удельных энергетических затрат за счет создания режимов развитой гидродинамической кавитации. Поставленная цель 50 достигается тем, что в установке для окисления нефтепродуктов (нефтяных остатков), содержащей вертикальный цилиндрический реакторный куб с уравнительной емко-. стью, 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, 4 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, закрепленный 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 0,850,95 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 йиже уровня верхней границы 5 зоны окисления, циркуляционный контур, состоящий из трубопровода б, 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 установлены три элемента кавернообразующей 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

1792342

1 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, линии 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 (10,6 МПа) давление. При прохождении через сопло 14 гидродинамические параметры потока нефтепродуктов (активной среды) изменяются: скорость увеличивается, достигая величины 10 — 15 м/с, а статическое давление падает, При обтекании потоком первого кавернообразующего элемента (кавитатора), выполненного в виде диффузора 17, происходит разрыв жидкости с образованием развитой присоединенной кавитацион ной полости (супер каверн ы), представляющей собой область минимального давления, величина которого меньше или равна парциальному давлению растворенных в жидкости газов, Разность статических 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 ооразование 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. 3а диффузором 17, в результате повышения статического давления, часть кавитационных пузырьков схлопывается с образованием кумулятивных микроструек, имеющих размеры 5 — 20 мкм и скорости порядка 300800 м/с. Время схлопывания пузырьков очень мало; порядка 10 — 10 с, давление в точках схлопывания достигает значительных величин, порядка 100 МПа, При этом кумулятивные микроструйки "прошивают" жидкость и распадаются на мелкомасштабобтекании двухфазным потоком за лопастями 19 крыльчатки 18 образуются геликоидальные макровихри и суперкаверны, за которыми также генерируются поля мелко20 дисперсных кавитационных пузырьков, заполненных воздухом, поступающим по патрубку 10, цилиндрической камере 9, отверстиям 22 и каналам 21 в лопастях непосредственно в полости суперкаверн

Наличие большого количества микропузырьков воздуха в потоке перед вторым кавернообразующим элементом способствует образованию устойчивых каверн с мини25 мальными энергетическими затратами.

На выходе из сопла 14, в результате взаимодействия газожидкостной рабочей

30 струи с острой кромкой 24 кольца 23 структура поверхности струи существенно изменяется.— она значительно увеличивается в поперечных размерах и приобретаетсильно возмущенный характер. При истечении рабочей струи из сопла 14 в цилиндрической камере 10 создается разрежение, способствующее эжекции воздуха, увлекаемого активной поверхностью струи, Интенсивное

40 взаимодействие струи с воздушиым потоком в рабочем участке 12 секции смешения вызывает рост эффективности энергообмена между активной и пассивной средами, 45 сопровождаемого образованием тонкодис- персной газожидкостной смеси. В диффузоре 13 кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную, Этот процесс приводит к уменьшению скорости и

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

Двухфазный поток, состоящий из частично окислившихся нефтепродуктов и газовых пузырьков, подается по цилиндри50 ческой 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 обьем ные вихри большой интенсивности, способствуя субмолекулярному перемешиванию с появлением "свежей" поверхностй жидкой фазы и значительным содержанием реакци15 онноспособных углеводородов, Далее при

1792342 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 про- 5 цессе 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 10 количество готового продукта отбирается через патрубок 27. Наличие измерительйой и регулирующей аппаратуры позволяет поддерживать гидродинамические и температурные параметры протекающих процессов 15 в пределах значений, устанавливаемых технологическим регламентом, Работа установки rio циркуляционной схеме дает возможность варьировать продолжительность пребывания сырья в зоне 20 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 ин- 25 тервал пластичности. Возможна также работа установки и без рециркуляции. В этом случае, изменяя расход сырья и воздуха, регулируют время пребывания нефтепродуктов в зоне реакции, подбирают 30 оптимальные условия процесса окисления.

Исследования, проведенные на гидродинамическом стенде, позволили определить оптимальное значение внутреннего диаметра кромки 24 кольца 23, равйое 0,85- 35

0,95 внутреннего диаметра сопла 14. Уменьшение указанного значения приводит к значительному повышению гидравлического сопротивления, что, в свою очередь, требует дополнительных энергетических 40 затрат, Увеличение же внутреннего диаметра кромки при прочих равных условиях (скорости, давлении, температура) приводит к снижению коэффициента эжекции, вследствие снижения возмущающего влияния 45 кромки на поверхность активной рабочей струи кавитационного струйного аппарата, Таким образом, предлагаемая конструкция устройства для окисления нефтепро-. дуктов позволяет интенсифицировать 50 процесс окисления, увеличить коэффициент использования кислорода воздуха до 0,95 и уменьшить на 40 — 60 удельные аиергетические затраты за счет использования 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 реакторйого куба цилиндрической секции с направленйыми вниз соплом, о т л и ч а ющ 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 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.

2. Установка по и. 1, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что лопасти имеют клиновидную форму сечения с острой передней кромкой.

1792342

14 20 19 ? 27 !

Фиг. 3

Составитель С.Волейник

Техред М.Моргентал Корректор О. Густи

Редактор B.Ïàâëîâà

Заказ 165 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4!5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101