Способ получения битума
Изобретение относится к процессам нефтепереработки и может быть использовано в производстве окисленного битума. Сущность: Проводят окисление нефтяного сырья воздухом в барботажном аппарате при повышенной температуре. Воздух в окисляемое сырье подают через диспергатор с отверстиями. Затем образовавшиеся в диспергаторе пузыри воздуха пропускают через пластину с отверстиями, размер которых меньше размера отверстий диспергатора. Технический результат - поддержание длительной работоспособности диспергатора при условии получения небольших пузырьков воздуха. 4 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к процессам нефтепереработки и может быть использовано в производстве окисленного битума.
Известен способ получения битума окислением нефтяного сырья (гудрона или других остаточных фракций нефти) воздухом при повышенной температуре в барботажном аппарате периодического или непрерывного действия путем подачи воздуха через диспергатор (барботер, маточник) с отверстиями в окисляемую жидкость (см., например, Р.Б.Гун, "Нефтяные битумы", М.: Химия, 1973, с.183-184 и с.233-234). Диспергатор обычно представляет собой горизонтальные перфорированные трубки. Пузырьки воздуха, выходящие из диспергатора, поднимаясь сквозь слой жидкости, окисляют ее вследствие диффузии кислорода через поверхность пузырька в жидкость. Недостатком способа является закоксовывание трубок диспергатора и его отверстий, что приводит к остановке процесса окисления для замены или чистки диспергатора. Закоксовывание происходит следующим образом. Во время прекращения подачи воздуха в диспергатор, что в периодическом процессе происходит в конце каждого цикла окисления, а в непрерывном - реже, например, при уменьшении спроса на битум жидкость заполняет диспергатор. После возобновления подачи воздуха жидкость в основном вытесняется из диспергатора, но часть ее в виде пленки остается на внутренней поверхности трубок и, окисляясь, превращается в коксоподобную массу. При уменьшении подачи воздуха, что часто обусловливается необходимостью изменения режима окисления, жидкость также проникает в диспергатор, хотя и на меньшую глубину. Вследствие многократных остановок (или уменьшения) подачи воздуха толщина коксоподобного слоя постепенно увеличивается и диспергатор теряет проходимость.
С целью увеличения длительности пробега диспергатора предложено увеличить размеры отверстий - с 8 до 18 мм (см. там же, с.297), но это не решает проблему кардинально и, кроме того, приводит к увеличению размера пузырьков, а значит - к уменьшению суммарной поверхности пузырьков и скорости окисления жидкости.
Другим предложением было располагать отверстия не на верхней части горизонтальных трубок диспергатора, а на нижней или в глухих концах трубок - торцевые отверстия (см., например, И.Б. Грудников, "Производство нефтяных битумов", М.: Химия, 1983, с.128). Так, известно использование диспергатора, внутренний диаметр трубок которого 50 мм, а диаметр отверстий 15 мм (там же, с.133). Поскольку в этом случае при возобновлении подачи воздуха жидкость вытесняется полнее, наращивание коксоподобного слоя в диспергаторе происходит медленнее, но все же происходит.
Не является радикальным решением вопроса и использование диспергатора с наклонными трубками и отверстиями диаметром 4 мм (патент Российской Федерации 2157824, 7 С 10 С 3/04, 20.10.2000, Бюл.№29). Конечно, жидкость из наклонных трубок вытесняется быстрее, чем из горизонтальных, но образование пленки, а значит и последующее наращивание коксоподобного слоя в диспергаторе все же происходит.
Таким образом, проблема закоксовывания сравнительно узких трубок и небольших отверстий диспергатора не решена.
Известно использование сравнительно широких трубок с отверстиями большего диаметра, но здесь для дополнительного диспергирования образующихся больших пузырей до необходимого размера приходится одновременно применять быстроходные мешалки (см., например, И.Б.Грудников, "Производство нефтяных битумов", М.: Химия, 1983, с.136). Во время прекращения или уменьшения подачи воздуха жидкость полностью или частично заполняет диспергатор, но после возобновления подачи воздуха вытеснение жидкости из такого диспергатора происходит значительно быстрее и полнее, чем при использовании узких трубок и небольших отверстий. Поэтому полное закоксовывание широких трубок происходит в течение длительного времени, что практически вполне приемлемо. Однако для привода мешалок требуется энергия, а эксплуатация мешалок требует затрат труда.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ получения битума окислением нефтяного сырья воздухом в барботажном аппарате путем подачи воздуха в окисляемую жидкость через диспергатор - горизонтальные трубки с торцевыми отверстиями. Напротив каждого отверстия расположен уголок. Диаметр трубок и отверстий - около 80 мм. Крупные пузыри воздуха, выходящие из отверстий, наталкиваясь на уголки, раздваиваются. (Нефтепереработка и нефтехимия, 1999, №5, с.44-45). Полное закоксовывание трубок и отверстий с таким диаметром происходит в течение длительного времени, что практически приемлемо, но образующиеся крупные пузыри воздуха разбиваются только на две части, вследствие чего суммарная поверхность пузырей и, следовательно, скорость окисления жидкости невелики.
Заявляемый способ получения битума имеет целью обеспечить как длительную работу диспергатора воздуха, так и необходимые размеры и суммарную поверхность пузырьков воздуха, определяющие высокую скорость окисления жидкости.
Достигается эта цель тем, что в способе получения битума окислением нефтяного сырья воздухом при повышенной температуре в барботажном аппарате периодического или непрерывного действия путем подачи воздуха через диспергатор с отверстиями в окисляемую жидкость выходящие из диспергатора пузыри воздуха пропускают через перфорированную пластину. Диспергатор представляет собой горизонтальные перфорированные трубки. Пластина расположена над диспергатором предпочтительно горизонтально. Отверстия в пластине меньше отверстий диспергатора. Суммарная площадь отверстий в пластине равна или больше таковой отверстий диспергатора. Пластина и ее отверстия постоянно омываются окисляемой жидкостью, что препятствует отложению коксоподобной массы.
Такая совокупность признаков: подача воздуха в диспергатор с отверстиями и пропускание выходящих из отверстий пузырей воздуха через расположенную над диспергатором перфорированную пластину - ранее не была известна.
Указанная совокупность признаков позволяет использовать диспергатор с широкими трубками и отверстиями, что замедляет закоксовывание диспергатора и тем самым обеспечивает его длительную работоспособность. В то же время наличие пластины с отверстиями меньше отверстий диспергатора позволяет получать пузырьки воздуха небольших размеров, а значит с большой суммарной поверхностью, что обеспечивает высокую скорость окисления жидкости. Такое решение задачи поддержания длительной работоспособности диспергатора при условии получения небольших пузырьков воздуха не следует явным образом из уровня техники. Более того, неправильный выбор конфигурации и перфорации пластины может быть опасным: если пластина затрудняет прохождение пузырьков, то под ней образуется сплошная газовая фаза (подушка), а это, в свою очередь, приведет к отложению кокса на пластине и его возгоранию. Таким образом, эффект, получаемый при использовании предлагаемого способа, - одновременное обеспечение длительной работоспособности диспергатора и формирование небольших пузырьков воздуха - является неожиданным, а во избежание отмеченной опасности возгорания нами предлагается при осуществлении заявленного способа выдерживать следующие условия:
- суммарная площадь отверстий пластины должна быть равна или больше таковой диспергатора на 10-40%, предпочтительно 30%;
- габариты пластины в горизонтальной плоскости должны быть примерно равны габаритам диспергатора или превышать их несущественно, т.е. площадь пластины в горизонтальной плоскости должна составлять 95-120%, предпочтительно 100%, от площади воображаемой геометрической фигуры, в которую вписан диспергатор, но не более 90% от площади горизонтального сечения барботажного аппарата;
- площадь воображаемой геометрической фигуры, в которую вписан диспергатор, должна составлять примерно 30-70%, предпочтительно 50%, от площади горизонтального сечения барботажного аппарата.
Температура окисления составляет 240-300°С, обычно 260-280°С.
Предлагаемый способ получения битума окислением сырья (гудрона или других остаточных фракций нефти) воздухом может быть осуществлен в промышленности следующим образом.
При работе по периодической схеме в аппарат закачивают сырье с температурой 160-220°С. По достижении регламентированного уровня сырья в диспергатор, расположенный в нижней части аппарата, подают воздух. Из диспергатора воздух выходит в виде крупных пузырей, которые поднимаются и проходят через отверстия пластины. Поскольку отверстия пластины меньше отверстия пузырей, при прохождении через пластину пузыри дробятся на мелкие пузырьки. Эти пузырьки воздуха, поднимаясь в слое жидкого сырья, окисляют его. На выходе из барботажного слоя пузырьки отработанного воздуха образуют газовую фазу и выводятся из аппарата. Вследствие окисления жидкость нагревается до 230-300°С. Температуру окисления поддерживают на заданном уровне известными приемами, но в предлагаемом способе (в отличие от известных) можно поддерживать температуру окисления и путем изменения (в частности, уменьшения) расхода воздуха - это не приведет к закоксовыванию диспергатора. По достижении заданных параметров качества битума подачу воздуха прекращают, битум откачивают.
При работе по непрерывной схеме в аппарат подают сырье с температурой 130-180°С и воздух через диспергатор, расположенный в нижней части аппарата. Из диспергатора воздух выходит в виде крупных пузырей, которые поднимаются и проходят через отверстия пластины. Поскольку отверстия пластины меньше отверстия пузырей, при прохождении через пластину пузыри дробятся на мелкие пузырьки. Эти пузырьки воздуха, поднимаясь в слое жидкого сырья, окисляют его. На выходе из барботажного слоя пузырьки отработанного воздуха образуют газовую фазу и выводятся из аппарата. Вследствие окисления жидкость нагревается до 230-300°С. Температуру окисления поддерживают на заданном уровне известными приемами, но в предлагаемом способе (в отличие от известных) можно поддерживать температуру окисления и путем изменения (в частности, уменьшения) расхода воздуха - это не приведет к закоксовыванию диспергатора. Регулируя известными приемами расходы сырья и воздуха, добиваются получения заданных параметров качества битума, который откачивают из аппарата.
Способ иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Гудрон с температурой 180°С в количестве 140 т закачивают в аппарат периодического действия диаметром 5,3 м и высотой 10 м. Аппарат заполняют на высоту 6,5 м. Через диспергатор, выполненный в виде горизонтальных трубок, подают воздух в количестве 1400-1800 м3/час. Габариты диспергатора 2,5×2,5 м. Над диспергатором горизонтально расположена перфорированная пластина с такими же габаритами. Таким образом, площадь пластины в горизонтальной плоскости составляет 100% от площади воображаемой геометрической фигуры, в которую вписан диспергатор; площадь этой фигуры, как и площадь пластины, составляет около 30% от площади горизонтального сечения барботажного аппарата. Диаметр трубок диспергатора 80 мм, а диаметр отверстий - 60 мм. Выходящие из диспергатора крупные пузыри воздуха, поднимаясь, проходят через пластину с отверстиями 8 мм и дополнительно дробятся. Суммарная площадь отверстий пластины равна суммарной площади отверстий диспергатора. Выходящие из пластины небольшие пузырьки воздуха, поднимаясь в слое жидкости, окисляют ее до консистенции дорожного битума. Отработанный воздух выводят из верхней части аппарата. Температуру окисления поддерживают в диапазоне 240-260°С, изменяя расход воздуха. По достижении заданных параметров качества битума подачу воздуха прекращают, а битум откачивают. Диспергатор при осуществлении способа не закоксовывается.
Пример 2. Асфальт деасфальтизации гудрона с температурой 220°С в количестве 160 т закачивают в аппарат периодического действия диаметром 5,3 м и высотой 10 м. Высота жидкофазного слоя сырья в аппарате - 7,5 м. Через диспергатор, выполненный в виде горизонтальных трубок, подают воздух в количестве 1200-1500 м3/час. Габариты диспергатора 3,6×3,6 м. Над диспергатором расположена перфорированная пластина с такими же габаритами. Таким образом, площадь пластины в горизонтальной плоскости составляет 100% от площади воображаемой геометрической фигуры, в которую вписан диспергатор; площадь этой фигуры, как и площадь пластины, составляет около 60% от площади горизонтального сечения барботажного аппарата. Диаметр трубок диспергатора 100 мм, а диаметр отверстий - 80 мм. Выходящие из диспергатора крупные пузыри воздуха, поднимаясь, проходят через пластину с отверстиями 6 мм и дополнительно дробятся. Суммарная площадь отверстий пластины на 30% превышает суммарную площадь отверстий диспергатора. Выходящие из пластины небольшие пузырьки воздуха, поднимаясь в слое жидкости, окисляют ее до консистенции дорожного битума. Отработанный воздух выводят из верхней части аппарата. Температуру окисления поддерживают в диапазоне 240-260°С, изменяя расход воздуха. По достижении заданных параметров качества битума подачу воздуха прекращают, а битум откачивают. Диспергатор при осуществлении способа не закоксовывается.
Пример 3. Асфальт деасфальтизации гудрона в количестве 15 т/час с температурой 160°С подают в аппарат непрерывного действия диаметром 3,4 м и высотой 20 м. Воздух в количестве 3200-3800 м3/час подают через диспергатор. Диспергатор представляет собой горизонтальные трубки диаметром 100 мм с отверстиями диаметром 80 мм. Габариты диспергатора вписываются в воображаемую окружность с диаметром 2,42 м. Над диспергатором расположена перфорированная пластина, выполненная в виде диска с диаметром 2,36 м. Таким образом, площадь пластины в горизонтальной плоскости составляет 95% от площади воображаемой геометрической фигуры, в которую вписан диспергатор; площадь этой фигуры, как и площадь пластины, составляет 50% (точнее 51 и 48) от площади горизонтального сечения барботажного аппарата. Диаметр отверстий пластины 4 мм. Суммарная площадь отверстий пластины на 10% превышает суммарную площадь отверстий диспергатора. Выходящие из диспергатора крупные пузыри воздуха, поднимаясь, проходят через пластину и дополнительно дробятся. Выходящие из пластины небольшие пузырьки воздуха, поднимаясь в слое жидкости, окисляют ее до консистенции строительного битума. Высоту барботажного слоя в аппарате поддерживают на уровне 16-17 м. Отработанный воздух выводят из верхней части аппарата. Температуру окисления поддерживают в диапазоне 260-280°С, изменяя расход воздуха. Регулируя соотношение расходов сырья и воздуха, обеспечивают достижение заданных параметров качества битума. Битум откачивают из нижней части аппарата. Диспергатор при осуществлении способа не закоксовывается.
Пример 4. Гудрон в количестве 15 т/час с температурой 130°С подают в аппарат непрерывного действия диаметром 3,4 м и высотой 20 м. Воздух в количестве 3200-3800 м3/час подают через диспергатор. Диспергатор представляет собой горизонтальные трубки диаметром 120 мм с отверстиями диаметром 80 мм. Габариты диспергатора вписываются в воображаемую окружность с диаметром 2,9 м. Над диспергатором расположена перфорированная пластина, выполненная в виде диска с диаметром 3,2 м. Таким образом, площадь пластины в горизонтальной плоскости составляет 120% от площади воображаемой геометрической фигуры, в которую вписан диспергатор. Площадь этой фигуры и площадь пластины составляют соответственно около 70 и 90% от площади горизонтального сечения барботажного аппарата. Диаметр отверстий пластины 18 мм. Суммарная площадь отверстий пластины на 40% превышает суммарную площадь отверстий диспергатора. Выходящие из диспергатора крупные пузыри воздуха, поднимаясь, проходят через пластину и дополнительно дробятся. Выходящие из пластины небольшие пузырьки воздуха, поднимаясь в слое жидкости, окисляют ее до консистенции строительного битума. Высоту барботажного слоя в аппарате поддерживают на уровне 16-17 м. Отработанный воздух выводят из верхней части аппарата. Температуру окисления поддерживают в диапазоне 280-300°С, изменяя расход воздуха. Регулируя соотношение расходов сырья и воздуха, обеспечивают достижение заданных параметров качества битума. Битум откачивают из нижней части аппарата. Диспергатор при осуществлении способа не закоксовывается.
Пример по прототипу. Гудрон в количестве 12 т/час с температурой 150°С подают в аппарат непрерывного действия диаметром 3,4 м и высотой 20 м. Воздух в количестве 3200-3800 м3/час подают через диспергатор, расположенный в нижней части аппарата. Диспергатор представляет собой горизонтальные трубки с торцевыми отверстиями. Напротив каждого отверстия расположен уголок. Диаметр трубок и отверстий - около 80 мм. Крупные пузыри воздуха, выходящие из отверстий, наталкиваясь на уголки, разбиваются, но остаются сравнительно большими. Такие пузыри воздуха, поднимаясь в слое жидкости, окисляют ее до консистенции строительного битума. Высоту барботажного слоя в аппарате поддерживают на уровне 16-17 м. Отработанный воздух выводят из верхней части аппарата. Температуру окисления поддерживают в диапазоне 270-290°С, изменяя расход воздуха. Регулируя соотношение расходов сырья и воздуха, обеспечивают достижение заданных параметров качества битума. Битум откачивают из нижней части аппарата. Диспергатор при осуществлении способа не закоксовывается.
Сравнивая пример 4 и пример по прототипу, когда гудрон окисляют при одинаковом расходе воздуха в одинаковых аппаратах, следует заключить, что в обоих случаях диспергатор не закоксовывается. Но при использовании способа-прототипа образуются более крупные пузыри с меньшей суммарной поверхностью, что уменьшает скорость окисления и, следовательно, производительность (12 т/час по прототипу и 15 т/час по предлагаемому способу). Меньшая скорость окисления и, следовательно, меньшее выделение тепла реакции при использовании способа-прототипа приводит к необходимости предварительного нагрева гудрона (до 150°С). Таким образом, предлагаемый способ эффективнее способа-прототипа.
1. Способ получения битума окислением нефтяного сырья воздухом в барботажном аппарате при повышенной температуре путем подачи воздуха через диспергатор с отверстиями в окисляемое сырье, отличающийся тем, что воздух, выходящий в виде пузырей из отверстий диспергатора, пропускают через пластину с отверстиями, размер которых меньше размера отверстий диспергатора.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что суммарная площадь отверстий пластины равна суммарной площади отверстий диспергатора или превышает суммарную площадь отверстий диспергатора на 10-40%, предпочтительно на 30%.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что площадь воображаемой геометрической фигуры, в которую вписан диспергатор, составляет примерно 30-70%, предпочтительно 50%, от площади горизонтального сечения барботажного аппарата.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что площадь пластины в горизонтальной плоскости составляет 95-120%, предпочтительно 100%, от площади воображаемой геометрической фигуры, в которую вписан диспергатор, но не более 90% от площади горизонтального сечения барботажного аппарата.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что окисление проводят при 240-300°С, предпочтительно при 260-280°С.
