EA031927B1

EA031927B1 - Реакторный аппарат

Info

Publication number: EA031927B1
Application number: EA201590470A
Authority: EA
Inventors: Джон Броди Мэттьюз; Филип Рэймонд Херрингтон; Гари Иан Стил; Лиджин Куриачан; Дэвид Колин Винтер; Лайалл Дуглас Скотт
Original assignee: ТЕКНИКС РИЭКТОРЗ АйПи ЛИМИТЕД
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2019-03-29
Also published as: AP2015008330A0; WO2014035262A1; ZA201502131B; UA117351C2; EA201590470A1; MX2015002622A; BR112015004517A2; PH12015500428A1

Abstract

Аппарат для обработки продуктов битума или нефти содержит путь потока, через который течет продукт битума или нефти и один или более реагентов и/или катализаторов. Аппарат может содержать блок разделения газа для удаления газа из пути потока. Редуктор давления может быть расположен перед блоком разделения газа. Блок разделения может содержать разделительный объем, который является вытянутым или плоским в горизонтальной плоскости, чтобы сохранять большую площадь поверхности относительно объема продукта битума или нефти в разделительном объеме. Блок разделения может содержать распылительную конструкцию, выполненную с возможностью распылять продукт битума или нефти, смешанный с газом, в разделительный объем. Два или более отсекающих клапана могут быть устроены для того, чтобы перекрывать секцию пути потока, тем самым ограничивая или предотвращая поступление воздуха и/или кислорода в перекрытую секцию пути потока, когда аппарат выключен. Две или более смесительных ступени могут быть устроены для того, чтобы работать последовательно или независимо.

Description

Область изобретения

Изобретение относится к аппарату и способам для модификации, обработки или производства битума и/или других продуктов нефти.

Предпосылки изобретения

Ссылки на любой известный уровень техники в этом описании не составляют признание того, что такой известный уровень техники составляет часть общеизвестных знаний.

Битум представляет собой вязкоупругую смесь углеводородов, используемых для того, чтобы удерживать вместе скелетные материалы в дорожном покрытии. При температуре окружающей среды он представляет собой очень вязкий водостойки адгезив. В целом, источником битума служит фракция при дистилляции неочищенной нефти, но также он может быть найден в природных отложениях. Один способ использования битума в дорожных покрытиях заключатся в распылении битума при повышенных температурах на поверхность дорожного покрытия и затем нанесении мелкого щебня (обычно скелетный материал одного размера) на поверхность битума. Под разными названиями это известно как заливка распыленным битумом, нанесение изолирующего слоя битума, изоляция щебнем или поверхностное улучшение полотна дороги. Это может значительно отличаться от применения горячей смеси или асфальтобетона, где битум и скелетный материал смешивают вместе при повышенных температурах и затем наносят на основу. При применении холодной смеси (или заводской смеси) сильно разжиженный битум и скелетный материал смешивают вместе при температуре окружающей среды и затем наносят на основу.

Известна модификация битума и, более конкретно, модификация свойств битума посредством окисления битума. Окисленный или так называемый продутый битум получают посредством продувания или прохождения воздуха через битум, когда битум находится при очень высокой температуре, например 200-350°С, типично от 240 до 280°С. Получаемый модифицированный битум тверже, т.е. имеет повышенную температуру размягчения и вязкость при сравнимых температурах.

С использованием подходящих реагентов свойства битума можно дополнительно модифицировать так, что вязкость битума будет менее восприимчивой к температуре.

Процесс модификации битума посредством продувания является относительно медленным. Также он может быть по существу опасным из-за присутствия летучих углеводородов в любом воздушном пространстве внутри аппарата для модификации битума. Процесс также может вести к значительному отложению углерода. Процесс часто не эффективен. Также может существовать реальный риск возгорания или взрыва и последующего повреждения оборудования и потенциального повреждения персонала.

Заявитель предложил улучшения для аппарата и способов для модификации битума в своем патенте США № 7871509, полное содержание которого включено, таким образом, посредством ссылки в настоящем документе. Дальнейшие улучшения являются предметом этого описания патента.

Задача изобретения состоит в том, чтобы предоставить усовершенствованный реакторный аппарат для модификации, обработки или производства битума и/или других продуктов нефти.

Другая задача изобретения состоит в том, чтобы предоставить усовершенствованный способ модификации для модификации битума и/или других продуктов нефти.

Каждую задачу следует рассматривать вне связи с задачей по меньшей мере предоставления общественности полезного выбора.

Сущность изобретения

В первом аспекте изобретение относится к аппарату для обработки продуктов битума или нефти, который содержит: путь потока, через который продукт битума или нефти и газ текут при давлении выше атмосферного давления; редуктор давления, выполненный с возможностью снижать давление продукта битума или нефти и газа; и блок разделения газа, который содержит: впуск, выполненный с возможностью принимать продукт битума или нефти при пониженном давлении, смешанный с газом, из редуктора давления; разделительный объем, в который битум и газ проходят из впуска; газовый выпуск для удаления газа, который отделяют от битума в разделительном объеме; и выпуск для продукта битума или нефти для извлечения продукта битума или нефти из разделительного объема.

Предпочтительно редуктор давления представляет собой регулятор переменного потока. Предпочтительно редуктор давления представляет собой клапан. Предпочтительно редуктор давления представляет собой шаровой клапан.

Предпочтительно редуктор давления снижает давление по существу до атмосферного давления.

Предпочтительно разделительный объем является вытянутым или плоским в горизонтальной плоскости, чтобы сохранять большую площадь поверхности относительно объема продукта битума или нефти в разделительном объеме.

Предпочтительно аппарат содержит распылительную конструкцию, выполненную с возможностью распылять продукт битума или нефти, смешанный с газом, в разделительный объем.

Предпочтительно распылительная конструкция содержит один или более вращающихся по существу конических или усеченно-конических элементов, расположенных для того, чтобы принимать продукт битума или нефти из впуска. Предпочтительно один или более вращающихся элементов содержат два или более по существу конических или усеченно-конических элемента, установленных концентрически.

- 1 031927

Предпочтительно распылительная конструкция выполнена с возможностью распылять продукт битума или нефти, смешанный с газом, в разделительном объеме выше уровня продукта битума или нефти, находящегося в разделительном объеме.

Во втором аспекте изобретение относится к аппарату для обработки продуктов битума или нефти, который имеет блок разделения газа, который содержит: разделительный объем; распылительную конструкцию, выполненную с возможностью распылять продукт битума или нефти, смешанный с газом, в разделительный объем; газовый выпуск для удаления газа, который отделяется от продукта битума или нефти в разделительном объеме; и выпуск для продукта битума или нефти для извлечения продукта битума или нефти из разделительного объема.

Предпочтительно распылительная конструкция содержит один или более вращающихся по существу конических или усеченно-конических элементов, расположенных для того, чтобы принимать битум из впуска.

Предпочтительно один или более вращающихся элементов содержат два или более, по существу, конических или усеченно-конических элемента, установленных концентрически.

В дополнительном аспекте изобретение относится к аппарату для обработки продуктов битума или нефти, который имеет блок разделения газа, который содержит: впуск, выполненный с возможностью принимать продукт битума или нефти, смешанный с газом; разделительный объем, в который продукт битума или нефти и газ проходят из впуска, разделительный объем является вытянутым или плоским в горизонтальной плоскости с тем, чтобы сохранять большую площадь поверхности относительно объема продукта битума или нефти в разделительном объеме; газовый выпуск для удаления газа, который отделяется от продукта битума или нефти в разделительном объеме; и выпуск для продукта битума или нефти для извлечения продукта битума или нефти из разделительного объема.

Предпочтительно аппарат содержит распылительную конструкцию, выполненную с возможностью распылять продукт битума или нефти, смешанный с газом, в разделительный объем выше уровня продукта битума или нефти, находящегося в разделительном объеме.

В другом аспекте изобретение относится к аппарату для обработки продуктов битума или нефти, который содержит: путь потока; впуск продукта битума или нефти для введения продукта битума или нефти в путь потока; выпуск для продукта битума или нефти для извлечения обработанного продукта битума или нефти из пути потока; множество статических смесителей, расположенных в секции пути потока; насос, устроенный для того, чтобы качать продукт битума или нефти через множество статических смесителей; два или более отсекающих клапана, устроенных для того, чтобы перекрывать секцию пути потока, тем самым ограничивая или предотвращая поступление воздуха и/или кислорода в перекрытую секцию пути потока, когда аппарат выключен.

Предпочтительно аппарат содержит один или более впусков для введения воздуха, и/или реагентов, и/или катализаторов в путь потока.

В дополнительном аспекте изобретение относится к аппарату для обработки продуктов битума или нефти, который содержит путь потока; впуск продукта битума или нефти для введения продукта битума или нефти в путь потока; выпуск для продукта битума или нефти для извлечения обработанного продукта битума или нефти из пути потока; один или более первых впусков для введения воздуха, и/или реагентов, и/или катализаторов в путь потока; первое множество статических смесителей, расположенных в первой секции пути потока ниже по потоку от впуска продукта битума или нефти и одного или более первых впусков; первый насос, устроенный для того, чтобы качать продукт битума или нефти и воздух, и/или реагенты, и/или катализаторы через первую секцию пути потока; первый блок разделения газа, расположенный ниже по потоку относительно первой секции пути потока, выполненный с возможностью отделять газ от продукта битума или нефти; один или более вторых впусков для введения воздуха, и/или реагентов, и/или катализаторов в путь потока ниже по потоку относительно первого блока дегазатора; второе множество статических смесителей, расположенных во второй секции пути потока ниже по потоку относительно вторых впусков реагентов; второй насос, устроенный для того, чтобы качать продукт битума или нефти и воздух, и/или реагенты, и/или катализаторы через вторую секцию пути потока; и второй блок разделения газа, расположенный ниже по потоку относительно второй секции пути потока, выполненный с возможностью отделять газ от продукта битума или нефти.

Предпочтительно аппарат содержит редуктор давления, расположенный перед каждым блоком разделения газа.

Предпочтительно путь потока образует замкнутый контур так, что продукт битума или нефти циркулирует внутри аппарата.

Этот аспект также распространяется на систему обработки или производства битума, которая со- 2 031927 держит два или более таких аппаратов, соединенных последовательно.

В другом аспекте изобретение относится к аппарату для обработки продуктов битума или нефти, который содержит один или более впусков продукта битума или нефти для введения продукта битума или нефти; один или более выпусков для продукта битума или нефти для извлечения обработанного продукта битума или нефти; множество ступеней реактора, каждая содержит: один или более впусков для введения воздуха, и/или реагентов, и/или катализаторов; множество статических смесителей; насос, устроенный для того, чтобы качать продукт битума или нефти и воздух, и/или реагенты, и/или катализаторы через множество статических смесителей; и блок разделения газа, расположенный ниже по потоку относительно множества статических смесителей, выполненный с возможностью отделять газ от продукта битума или нефти; аппарат, выполненный с возможностью работы двух или более из множества ступеней реактора последовательно или с возможностью работы каждой из множества ступеней реактора независимо.

Краткое описание чертежей

Изобретение далее описано только в качестве примера со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых на фиг. 1 представлено схематическое изображение аппарата в соответствии с одним из вариантов осуществления;

на фиг. 2 представлен более детализированный вид распылительной конструкции с фиг. 1;

на фиг. 2А представлен вид распылительной конструкции в разрезе;

на фиг. 2В представлен вид в разрезе дополнительного варианта осуществления распылительной конструкции;

на фиг. 3 представлен один из вариантов осуществления управляющей конструкции для аппарата с фиг. 1;

на фиг. 4 представлен аппарат согласно дополнительному варианту осуществления;

на фиг. 5 проиллюстрирован вариант аппарата в соответствии с дополнительным вариантом осуществления;

на фиг. 6 проиллюстрирован второй вариант аппарата по фиг. 5;

на фиг. 7 проиллюстрирован третий вариант аппарата по фиг. 5 и на фиг. 8 представлен аппарат в соответствии с дополнительным вариантом осуществления.

Подробное описание

На фиг. 1 представлена модификация аппарат или реактор 1 в соответствии с одним из вариантов осуществления. Аппарат описан, только в качестве примера, со ссылкой на модификацию битума. Однако аппарат заявителя можно использовать для модификации других продуктов нефти. Например, в одном из вариантов осуществления, рассмотренном ниже, аппарат можно использовать для обработки других продуктов нефти для того, чтобы получать битум.

В предпочтительных вариантах осуществления аппарат 1 представляет собой реакторный аппарат с непрерывным контуром, как показано. Битум циркулирует через аппарат 1 в направлении, указанном стрелками 2. Как рассмотрено ниже, впуски и выпуски позволяют вводить битум и другие реагенты и/или катализаторы и извлекать модифицированный битум из аппарата 1. В других вариантах осуществления аппарат может представлять собой линейный реакторный аппарат, в котором битум проходит от конца впуска к концу выпуска аппарата.

Аппарат содержит впуск 3 для битума, через который битум можно добавлять в трубный путь реакторного аппарата 1 с непрерывным контуром. Рядом и предпочтительно ниже по потоку относительно впуска 3 для битума один или более впусков 4, 5 для реагентов и/или катализаторов предусмотрены для введения реагентов и/или катализаторов в трубный путь реакторного аппарата 1 с непрерывным контуром.

Аппарат содержит первую ступень 6 реактора. На этой первой ступени 6 реактора насос 7 заставляет битум и какие-либо реагенты (включая воздух) и/или катализаторы течь вдоль пути 8 потока в направлении и через первую ступень 9 смешивания.

Первая ступень 9 смешивания содержит трубный путь, который содержит первое множество статических смесителей 10. Как показано на фиг. 1, первое множество статических смесителей 10 может быть расположено в определенном числе вертикальных колонн 11, 12. Однако можно использовать другие конструкции трубного пути в первой ступени смешивания. В целом, может быть предусмотрено определенное число ступеней смешивания, и каждая ступень смешивания содержит секцию трубного пути, который содержит определенное число статических смесителей.

Статические смесители представляют собой фиксированные неподвижные компоненты, которые обеспечивают смешивание битума и реагентов и/или катализаторов, текущих через них. Известны статические смесители различных типов. Предпочтительно смесители формируют из прочного инертного материала, который устойчив к битуму или другим продуктам нефти, подлежащим модификации, и к каким-либо другим реагентам, катализаторам или продуктам реакции. Смесители можно формировать из нержавеющей стали.

Насос 7 обеспечивает совпадение скорости потока текучего вещества внутри аппарата с функцио- 3 031927 нированием статических смесителей. Статические смесители создают быстрые изменения направления потока текучего вещества, и получаемый турбулентный поток обеспечивает тщательное перемешивание всех компонентов в потоке текучего вещества.

Благодаря множеству статических смесителей в первой ступени 9 смешивания битум и другие реагенты и/или катализаторы тщательно перемешивают, что ведет к превосходным скоростям реакции в первой ступени 9 смешивания. После выхода из первой ступени 9 смешивания битум течет через редуктор 14 давления. Насос 7 можно приводить в действие для того, чтобы поддерживать давление на первой ступени смешивания приблизительно от 6 до 7 бар. Редуктор 14 давления снижает давление приблизительно до 1 бар или, как правило, приблизительно 1-2 бар ниже по потоку относительно редуктора давления.

Выходная колонна 15 может быть предоставлена в первой ступени 6 реактора, что ведет к первому блоку 16 разделения газа или дегазатора. Первый блок дегазатора отделяет газы от потока битума. Первый блок дегазатора содержит разделительный объем 17, который может представлять собой цистерну, как показано. Битум вводят в разделительный объем через впускную конструкцию 18, которая показана подробно на фиг. 2. Впускная конструкция 18 содержит впуск 19, через который битум течет из редуктора 14 давления. Битум направляют из впуска 19 в распылительную конструкцию 20. Распылительная конструкция 20 выполнена с возможностью распылять смешанный битум и воздух в разделительный объем. Когда распыляют смешанный материал, газы стремятся отделяться от распыленной пленки или капелек битума. Затем капельки битума падают вниз или пленка из битума падает вниз. Приблизительный уровень битума в разделительном объеме 17 отмечен 22 на фиг. 1. Уровень можно поддерживать в желаемых пределах, как рассмотрено ниже.

В одном из вариантов осуществления распылительная (разбрызгивающая) конструкция 20 может содержать распылительную (разбрызгивающую) головку 23, показанную более подробно на фиг. 2 и 2А. Распылительная головка 23 может содержать определенное число элементов 24, 25, 26, установленных с тем, чтобы создавать определенное число путей 27, 28 потока через распылительную головку 23. Любое число элементов распылительных головок можно использовать для того, чтобы создавать какое-либо желаемое число путей потока. Битум течет из впуска 19 через пути 27, 28 потока, и его распыляют (разбрызгивают) в разделительный объем 17. В представленном варианте осуществления элементы 24, 25 в целом усеченные конические или усеченно-конические элементы, идущие от нижних секций 29, 30 трубы. Центральный элемент 23 может быть коническим.

В предпочтительных вариантах осуществления распылительная головка 23 представляет собой вращающуюся распылительную головку. Вращающаяся распылительная головка может быть установлена на стволе 32, приводимом в движение подходящим двигателем 33. Вращение может быть в диапазоне от 300 до 1000 об/мин. Конусы могут иметь максимальный диаметр в диапазоне 200-400 мм, предпочтительно приблизительно 300 мм. Конусы можно формировать из нержавеющей стали 2 мм толщиной. В одном из вариантов осуществления конические стенки можно формировать под углом приблизительно 45 градусов к вертикали.

В другом варианте осуществления верхние части 24', 25', 26' конусов 24, 25, 26 могут быть изогнутыми в направлении горизонтали, как показано на фиг. 2В. Это изменяет угол, под которым битум распыляют в разделительный объем.

Это вращение эффективно отбрасывает битум наружу, способствуя распылению битума из распылительной головки в разделительный объем и образуя трехмерную завесу из капелек битума или трехмерную пленку из битума. Значительную долю газа отделяют от битума, когда его распыляют.

В некоторых вариантах осуществления могут подходить другие распылительные конструкции, в том числе: простые конические распылительные головки (т.е. содержат только один конический элемент), вращающиеся и стационарные распылительные головки, распылительные сопла и т.д. В каждом блоке дегазатора можно использовать множество распылительных головок.

В некоторых вариантах осуществления распылительную конструкцию можно заменить на простой впуск, в которой битум льется из впуска в разделительный объем. Такой механизм раскрыт в US7871509.

Редуктор давления также способствует разделению газа и битума. При снижении давления газ в потоке битума стремится коалесцировать для того, чтобы формировать пузырьки. При снижении давления растворимость воздуха и некоторых других газов в битуме также падает.

Необязательно весь газ, смешанный с битумом, отделяется от битума во время распыления посредством распылительной конструкции 20. Для того чтобы обеспечивать дополнительное отделение газа, битум удерживают в разделительном объеме на уровне, отмеченном 22 на фиг. 1. Битум имеет время пребывания или задержки в разделительном объеме, и во время этого периода больше газов высвобождается из битума в объеме 35 над уровнем 22 битума. Здесь помощь оказывает геометрическая форма разделительного объема 17. Разделительный объем предпочтительно является вытянутым или плоским в горизонтальной плоскости. Это дает большую площадь поверхности на единицу объема битума в разделительном объеме 17.

Газ выходит из дегазатора через газовый выпуск 36. Газы могут содержать воздух с низким содержанием кислорода и летучие вещества, но содержание газа будет зависеть от конкретного применения

- 4 031927 аппарата. Хотя и не показано, взрывной клапан можно соединять с газовым выпуском 36. Один или более разделителей можно использовать для того, чтобы отделять жидкие и твердые вещества от потока газа (например, вода с незначительными количествами углерода и жидких углеводородов). Газы, проходящие через газовый выпуск, могут проходить в печь сжигания отходов (не показано).

В одном из вариантов осуществления выходящие газы могут проходить в печь сжигания отходов с теплообменником с тем, чтобы сожженную смесь воздуха/пара можно было использовать в качестве источника энергии, подлежащего использованию, например, при нагревании масляного теплоносителя, проходящего через змеевик теплообменника. Затем нагретый масляный теплоноситель можно использовать для других технологических действий, таких как предварительный нагрев битума и/или воздуха. Альтернативно, воздух и летучие вещества можно подавать в простую печь сжигания отходов для сжигания.

Для того чтобы поддерживать битум на подходящем уровне, может быть предусмотрен датчик уровня. В разделительном объеме 17 устанавливают определенное число труб 37. Датчик уровня 38 устанавливают на верхнюю часть трубы 39, которая содержит битум на том же уровне, что и разделительный объем 17. Датчик уровня в одном из вариантов осуществления может представлять собой радарный блок, выполненный с возможностью воспринимать поверхность битума (и, следовательно, уровень битума) внутри трубы 39.

Следовательно, первая ступень реактора содержит первый насос 7, впуски 3, 4, 5, первую ступень 9 смешивания и первый блок 16 дегазатора. Битум выходит из первого блока 16 дегазатора через выпуск 46 и проходит во вторую ступень 47 реактора. Вторая ступень реактора содержит второй насос 48, впуски 49, 50, вторую ступень смешивания 51 и второй блок 52 дегазатора, который функционирует схожим образом с соответствующими элементами первой ступени реактора.

В целом, любое число ступеней реактора можно соединять последовательно таким образом. Следовательно, аппарат 1 может содержать первую ступень реактора и определенное число дополнительных ступеней реактора, соединенных последовательно. Каждая ступень модифицирует битум, проходящий через нее.

Эффект двух или более ступеней представляет собой следующее. Битум, введенный в аппарат через впуск 3, смешивают с реагентами и/или катализаторами, введенными через впуски 4, 5 в первой ступени 9 смешивания. Частично модифицированный битум проходит через первый дегазатор 16, где удаляют газы. Когда модификация опосредована воздухом или кислородом, дегазатор должен удалять нежелательные отработанные газы и газообразные продукты реакции. Частично модифицированный битум перекачивают посредством насоса 48 из первого дегазатора во вторую ступень реактора. Затем вводят дополнительные реагенты и/или катализаторы через впуски 49, 50 во второй ступени реактора. Битум и дополнительные реагенты и/или катализаторы затем смешивают во второй ступени смешивания 51, дополнительно модифицируя битум. Дополнительно модифицированный битум проходит через второй дегазатор 52, в котором газы снова удаляют. При желании, этот процесс можно повторять в определенном числе дополнительных ступеней реактора. Это значительно повышает эффективность обработки битума по сравнению с аппаратом с одной ступенью. В аппарате с двумя ступенями увеличение эффективности представляет собой более чем двукратное улучшение, которого можно было бы ожидать при удвоении числа стадий.

Модифицированный битум удаляют из аппарата через выпускной порт 55. Это извлечение осуществляют с помощью извлекающего насоса 56. Когда аппарат выполнен в форме реактора с непрерывным контуром, только часть битума можно извлекать через выпускной порт, при этом остальная часть битума рециркулирует для дальнейшей модификации.

Аппарат на фиг. 1 можно выключать по мере необходимости, без удаления битума из аппарата. Когда битум остывает, он сжимается и его вязкость возрастает. Для того чтобы выключать аппарат, уровень газа в системе предпочтительно снижают посредством прогона аппарата в течение нескольких минут без введения дополнительного битума, реагентов или катализаторов. Блоки 16, 52 дегазатора продолжают работать в течение этого периода. В конце этого периода битум в трубном пути имеет пониженное содержание газа. Затем выключают насосы 7, 48, что вызывает остановку потока битума через аппарат. Затем закрывают отсекающие клапаны для того, чтобы изолировать смесительные ступени. В представленном варианте осуществления имеют место четыре отсекающих клапана. В одном из вариантов осуществления первый и второй редукторы 14, 14' давления могут быть в форме клапанов. Эти клапаны также действуют в качестве отсекающих клапанов. Однако в других вариантах осуществления могут быть предусмотрены отдельные отсекающие клапаны и редукторы давления. Возвращаясь к варианту осуществления на фиг. 1, также предусмотрены два дополнительных отсекающих клапана 58, 58'. Они могут представлять собой ножевые задвижки или какой-либо другой клапан, подходящий для того, чтобы перекрывать трубный путь. В фазе выключения первую ножевую задвижку 58 и первый клапан 14 редуктора давления закрывают для того, чтобы изолировать первую смесительную ступень 9. Вторую ножевую задвижку 58' и второй клапан 14' редуктора давления закрывают для того, чтобы изолировать вторую смесительную ступень 51.

Таким образом, изоляция смесительных ступеней предотвращает или по меньшей мере ограничива- 5 031927 ет поступление газов, содержащих воздух или кислород, в смесительные ступени, когда установку выключают. Это желательно, поскольку битум продолжает окисляться, когда установка выключена и когда она запущена. В эти периоды выключения и запуска битум в аппарате переходит между высокой рабочей температурой и низкой температурой окружающей среды. При температурах выше приблизительно 140° будет происходить значительное окисление. Если допускать неконтролируемое окисление в смесительных ступенях после выключения аппарата, на смесителях медленно будет происходить спекание, что ограничивает их эффективность или даже блокирует путь потока.

Аппарат, содержащий насосы и трубный путь, может быть закрыт рубашкой. Масляный теплоноситель можно пропускать через рубашку для предварительного нагревания аппарата и содержащегося битума, а также битум насосов, перед запуском или перезапуском процесса модификации. Определенное число нагревательных рубашек 40 представлено на фиг. 1. Дополнительные рубашки можно использовать, но они не показаны по причине ясности.

При начальном запуске аппарат или реактор нужно заполнять битумом перед введением воздуха, других реагентов и/или катализаторов. Если насос перезапускают, отсекающие клапаны следует закрывать и повторно открывать. Первый и второй насосы 7, 48 следует медленно приводить к условиям работы. Затем реагенты и катализаторы можно вводить для того, чтобы создавать стабильные условия работы.

Битум можно предварительно нагревать перед введением через впускной порт 3. В одном из вариантов осуществления, где битум подлежит модификации посредством продувания, битум можно подавать во впуск 3 для битума при температуре приблизительно 220-230°С, результатом чего является обработанный битум, выходящий из реактора при температуре приблизительно 230-240°С.

Битум, воздух, другие реагенты и катализаторы также можно подавать при давлении, близком к рабочему давлению, используемому в ступенях смешивания, предпочтительно приблизительно от 6 до 7 бар.

В варианте осуществления на фиг. 1, первый насос 7 действует для того, чтобы заставлять битум течь через первую ступень реактора. Однако он также действует в качестве циркуляционного насоса, заставляя битум течь из выпуска 46' второго дегазатора обратно к первой ступени 9 смешивания. В других вариантах осуществления можно использовать отдельный циркуляционный насос.

Редукторы 14, 14' давления могут иметь любую подходящую конструкцию для снижения давления. Предпочтительно снижение давления является внезапным, т.е. близкое к ступенчатому снижению. В одном из вариантов осуществления каждый редуктор давления может представлять собой шаровой клапан. В других вариантах осуществления можно использовать любой подходящий понижающий давление клапан или другую понижающую давление конструкцию (например, диафрагма с отверстием). В предпочтительных вариантах осуществления редукторы давления можно корректировать.

Аппаратом можно управлять, как описано ниже со ссылкой на фиг. 1 и 3.

Движением битума через статические смесители управляют главным образом посредством первого и второго насосов 7, 48. Количеством битума в аппарате управляют посредством комбинированного действия впускного насоса 60 и извлекающего насоса 56. Впускной насос добавляет битум в рециркулирующий битум внутри аппарата. Когда уровень битума внутри аппарата достаточно высок, битум будет собираться в трубном пути в дегазаторах 16, 47 и в секциях трубного пути 61, 62 сразу ниже по потоку относительно дегазаторов 16, 47.

Воспринимая уровень битума в этой области, предпочтительно в дегазаторах, вторым насосом 48 и извлекающим насосом 56 можно управлять следующим образом. Когда уровень в первом дегазаторе 16 превышает порог, скорость второго насоса 48 возрастает для того, чтобы качать битум через вторую смесительную ступень 51. Когда уровень во втором дегазаторе 52 превышает порог, скорость извлекающего насоса 56 увеличивают для того, чтобы извлекать модифицированный битум из аппарата. Посредством управления движением и извлечением битума таким образом уровень битума можно сохранять в желаемых пределах для оптимальной работы аппарата.

Кроме того, работу впускного насоса можно использовать для того, чтобы управлять числом циркуляции по аппарату, через которые битум должен пройти, что обеспечивает определенное управление уровнем модификации битума. Например, если впускной насос действует на низкой скорости, битум в среднем будет проходить по аппарату много раз перед извлечением, поскольку битум будет собираться в разделительных объемах с более низкой скоростью. Если впускной насос действует на высокой скорости, битум будет собираться с большей скоростью и будет в среднем проходить по аппарату меньшее число раз перед извлечением. Следовательно, датчики уровня и связанное с ними управление обеспечивают превосходный и удобный механизм для автоматического управления уровнем битума в аппарате и извлечением битума из аппарата для многих различных уровней модификации.

Следовательно, управление впускным и извлекающим насосами предоставляет механизм для управления временем задержки битума внутри реактора и, следовательно (наряду с другими параметрами, таким как используемые реагенты и/или катализаторы, температура и давление) уровнем модификации, которая будет происходить.

- 6 031927

На фиг. 3 представлен центральный контроллер 65, который принимает информацию от датчиков и предоставляет управляющие сигналы, по меньшей мере, некоторым из множества насосов и клапанов, рассмотренных выше.

Контроллер предоставляет управляющие сигналы входному насосу 60, насосам 66, 67 для катализаторов, насосам 68, 69 для реагентов, первому насосу 7, второму насосу 48 и извлекающему насосу 56. В некоторых вариантах осуществления некоторые из этих насосов могут представлять собой насосы с фиксированной скоростью, которыми не нужно управлять. Однако предпочтительно можно управлять по меньшей мере вторым насосом 48 и извлекающим насосом 56. В более предпочтительных вариантах осуществления всеми приведенными выше насосами можно управлять. Насосами можно управлять посредством изменения их скорости или посредством включения или выключения насосов. Скорость нагнетания можно изменять посредством прямого управления скоростью или посредством включения и выключения насоса для того, чтобы изменять его коэффициент использования. Кроме того, насосы могут предоставлять контроллеру информацию обратной связи о своем текущем состоянии, скорости нагнетания и т.д.

Контроллер 65 принимает информацию от определенного числа датчиков. Оно включает первый и второй датчики 38, 38' уровня, температурные датчики и какие-либо другие датчики, которые могут быть желательными для конкретного применения.

Контроллер 65 также может осуществлять управление и принимать обратную связь от клапанов 14, 14', 58, 58'. Это позволяет контроллеру управлять процессом выключения, описанным выше, а также падением давления на шаровых клапанах 14, 14'. Альтернативно, эти клапаны можно приводить в действие вручную.

Путь потока может иметь диаметр приблизительно от 25 до 300 мм, причем большие размеры предпочтительны для промышленного применения.

Можно использовать любые реагенты, подходящие для желаемого процесса модификации. Например, различные формы фосфорной кислоты можно использовать при продувании битума.

Можно использовать любые катализаторы, подходящие для желаемого процесса модификации. Например, галогениды металлов, такие как хлорид железа (III), можно использовать в качестве катализатора для продувания битума.

Аппарат описан выше по отношению к модификации битума, в частности, но не исключительно, к продуванию битума. Однако, аппарат также можно использовать для обработки других веществ, в частности, продуктов нефти, включая продукты перегонки, получаемые из неочищенной нефти, а также нестандартные источники нефти, такие как выход тяжелой нефти, гудронные пески, битуминозные пески и нефтеносные пески.

Например, аппарат можно использовать для получения битума из других фракций неочищенной нефти. Вакуумные остатки (также известные как гудрон) можно обрабатывать для того, чтобы формировать битум, посредством процесса окисления в течение относительно длительного времени пребывания, с использованием фосфорной кислоты в качестве реагента. Продукты выхода тяжелой нефти, гудронных песков, битуминозных песков и нефтеносных песков можно обрабатывать с помощью аппарата для того, чтобы предоставлять битум.

Продукты битума, которые не подходят для многих применений, можно обрабатывать до более применимой формы для конкретного применения. Например, осажденный растворителем битум (также известный как деасфальтизированный битум) в целом является слишком вязким для дорожных применений. Однако его можно обрабатывать с использованием гудрона и ректификации при атмосферном давлении с использованием аппарата заявителя для того, чтобы формировать менее вязкий битум, подходящий для дорог. Гудроны и/или другие добавки можно добавлять при необходимости для конкретного применения или до, или после других реакций, которые должны пройти.

Аппарат также может обрабатывать смеси любых указанных выше веществ или смеси указанных выше веществ с битумом.

Аппарат можно использовать для различных процессов, включая в качестве неограничивающих примеров: ректификацию продуктов битума или нефти при атмосферном давлении; дегидрогенизацию и/или окисление; полимеризацию и/или сшивку; примешивание термопластмасс в битум с большим сдвиговым усилием.

Подходящие реагенты включают кислород, различные формы фосфорной кислоты. Катализаторы включают хлорид железа (III). Гудроны включают подходящие растительные масла, минеральные масла, рециклированные масла и т.д. Полимеры включают стирол-бутадиен-стироловые (SBS) полимеры, стирол-бутадиеновый каучук (SBR), латексный каучук, молотую шинную резину и т.д. Можно использовать воски.

Кислород в целом получают, просто используя воздух, поскольку очищенный кислород увеличивает стоимость. Однако в некоторых применениях можно использовать очищенный кислород.

В целом аппарат заявителя создает превосходные условия реакции для модификации или обработки битумных продуктов или продуктов нефти или для получения битума из других продуктов, в частности, продуктов нефти.

- 7 031927

По сравнению с аппаратом заявителя, описанным в US7871509, система на фиг. 1 предусматривает более длительное время для выполнение битумом одной циркуляции через аппарат. Однако общее время пребывания битума в аппарате для того, чтобы достигать определенного уровня модификации, снижено.

На фиг. 4 представлен аппарат в соответствии с дополнительным вариантом осуществления. В этом аппарате два аппарата, рассмотренных выше, соединены последовательно. Таким образом, первый аппарат 1 содержит первую и вторую ступени 6, 47 реактора, и второй аппарат 1' содержит первую и вторую ступени 6', 47' реактора. Порт 55 для извлечения первого аппарата 1 соединен с впуском 3' для битума второго аппарата 1'. Любое число аппаратов можно соединять последовательно таким образом.

Химические процессы в каждом аппарате 1, 1' могут представлять собой одно и то же. Альтернативно, в различных аппаратах 1, 1' можно использовать различные реагенты и/или катализаторы.

На фиг. 5-7 проиллюстрирован дополнительный вариант осуществления аппарата или реактора 101 для модификации с двумя смесительными ступенями, в котором можно реализовать три различных режима потока. Предпочтительно он позволяет выключать или эксплуатировать каждую ступень независимо от других. Следовательно, одну ступень можно обслуживать, например, пока другая ступень продолжает производство.

В этом варианте осуществления аппарат 101 также представлен в форме реакторного аппарата с непрерывным контуром. Однако возможны несколько путей контура. В каждом режиме некоторые клапаны закрывают и некоторые насосы не используют. Для прозрачности, закрытые клапаны и неиспользуемые насосы обозначены черной заливкой для каждого режима.

На фиг. 5 проиллюстрирован первый режим, в котором две ступени соединяют последовательно с левым впуском. Битум циркулирует через аппарат 101 в направлении, указанном стрелками 102.

Аппарат содержит впуск 103 для битума, через который битум можно добавлять в трубный путь реакторного аппарата 101 с непрерывным контуром. Битум течет по путям 104, 105, 106 потока к правой ступени 107 реактора. Один или более впусков 108, 108а предусмотрены для введения воздуха, и/или реагентов, и/или катализаторов в трубный путь реакторного аппарата 101 с непрерывным контуром.

В этой правой ступени 107 реактора насос 109 заставляет битум и любые воздух, реагенты и катализаторы течь вдоль пути потока в направлении и через первую ступень 110 смешивания.

Первая ступень 110 смешивания содержит трубный путь, который содержит первое множество статических смесителей 111 и который схож со ступенями смешивания, рассмотренными выше.

После выхода из первой ступени 110 смешивания битум течет через редуктор 112 давления и блок 113 дегазатора, которые также работают, как рассмотрено выше.

Битум выходит из правого блока 113 дегазатора через пути 115, 116, 117 потока, и его перекачивают с помощью насосов 118 и/или 139 к левой ступени 119 реактора. В этой конфигурации один из этих двух насосов (например, насос 118) может работать в режиме фиксированной скорости, тогда как другой (например, насос 139) имеет переменную скорость для того, чтобы управлять уровнем битума в дегазаторе 113.

Левая ступень реактора содержит впуски 120, 121, вторую ступень 122 смешивания и второй блок 123 дегазатора, которые функционируют подобно соответствующим элементам правой ступени реактора.

Битум выходит из левой ступени 119 реактора через путь 125 потока. Насос 126 работает в качестве циркуляционного насоса для того, чтобы пропускать битум обратно в правую ступень 107 реактора через пути 127 и 106 потока. Насос 129 выполняет функцию извлекающего насоса для того, чтобы извлекать обработанный битум через выпуск 130.

В этом режиме клапаны 131, 132, 133, 134, 135, 136 и 137 закрыты и насос 138 не активен. Насос 139 поддерживает циркулирующий поток через пути 140, 141, 142 потока. Однако в некоторых вариантах осуществления этот контур потока может быть закрыт с помощью клапанов 143, 144.

На фиг. 6 проиллюстрирован второй режим работы для аппарата, представленного на фиг. 5. Две ступени соединены последовательно с использованием правого впуска. Битум циркулирует через аппарат 101 в направлении, указанном стрелками 102.

В этом режиме впуск для битума обозначен 202. Битум течет вдоль путей 104, 203, 204 потока к левой ступени 119 реактора. После выхода из левой ступени 119 реактора битум перекачивают с помощью насоса 126 через пути 125, 127, 106 потока к правой ступени 107 реактора. В этом режиме насос 139 выполняет функцию извлекающего насоса для того, чтобы извлекать битум из выпуска 205. Насос 118 выполняет функцию циркуляционного насоса для того, чтобы заставлять битум возвращаться в левую ступень 119 реактора через пути 117, 204 потока.

В этом режиме клапаны 206, 207, 208, 209, 132, 137 и 144 закрыты и насос 109 не активен.

Следовательно, функционирование в этом режиме происходит по существу по тому же принципу, что и на фиг. 5, но изменяют положение впуска и выпуска и направление потока в некоторых путях потока.

На фиг. 7 проиллюстрирован третий режим работы аппарата на фиг. 5 и 6. В этом режиме каждая ступень работает независимо от другой. Клапаны 210, 211, 212 закрыты, препятствуя какому-либо потоку между двумя ступенями 107, 119 реактора. Это позволяет каждой ступени работать отдельно, пока другая выключена. Клапаны 131, 144 также закрыты.

- 8 031927

В левом реакторе битум течет из впуска 103 через насос 138 и пути 203, 204 потока к левой ступени

119 реактора. Насос 126 выполняет функцию циркуляционного насоса, принимая битум из дегазатора

123 и возвращая его в левую ступень 119 реактора. Насос 129 выполняет функцию извлекающего насоса для извлечения обработанного битума через выпуск 130. Извлекающий насос также управляет уровнем битума в дегазаторе 123.

Аналогичным образом, в правом реакторе битум течет из впуска 202 через насос 109 и пути 105, 106 потока к правой ступени 107 реактора. Насос 118 выполняет функцию циркуляционного насоса, принимая битум из дегазатора 113 и возвращая его к правой ступени 107 реактора. Насос 139 выполняет функцию извлекающего насоса для извлечения обработанного битума через выпуск 205. Извлекающий насос также управляет уровнем битума в дегазаторе 113.

В целом, можно соединять любое число ступеней реактора, таким образом делая возможной работу всех или некоторых ступеней реактора последовательно или независимую работу каждой ступени реактора.

Различными элементами этого аппарата можно управлять посредством центрального контроллера сходно с тем, что рассмотрено выше.

Аппарат, делающий возможной независимую или последовательную работу двух или более ступеней реактора, можно реализовать с использованием других конфигураций путей потока, клапанов и насосов, и другие такие конфигурации попадают в объем изобретения.

На фиг. 8 представлен аппарат в соответствии с дополнительным вариантом осуществления. В этом аппарате два аппарата с фиг. 5-7 соединены последовательно. Таким образом, соединены первый аппарат 101 и второй аппарат 101'. Порт 205 для извлечения первого аппарата 101 соединен с впуском 103 для битума второго аппарата 101'. Любое число аппаратов можно соединять последовательно таким образом.

В одном из вариантов осуществления аппарат подходит для продувания битума. Продутый битум окислен с помощью реакции с воздухом или другим газом, содержащим кислород.

Следует отметить, что некоторые аспекты изобретения могут найти применение в реакторных аппаратах с одной ступенью и не подлежат ограничению конфигурацией с двумя или более ступенями реактора до тех пор, пока не будут в явной форме ограничены приложенной формулой изобретения.

Процесс и аппарат согласно настоящему изобретению предоставляют очень стабильное и управляемое средство для модификации битума. Оно также делает возможным получение битума с широким диапазоном спецификаций, включая универсальные битумы. Универсальные битумы представляют собой менее восприимчивые к температуре битумы.

Процесс можно осуществлять с использованием катализаторов и реагентов, которые могут требоваться для того, чтобы получать битум с желаемой конечной спецификацией.

Использование многоступенчатого аппарата дополнительно повышает эффективность реакции. Отработавшие реагенты и нежелательные газообразные продукты реакции удаляют из системы после каждой смесительной ступени, добавляя свежие реагенты и/или катализаторы. Насосы в каждой ступени реактора обеспечивают перемешивание при желаемом давлении. Может быть предусмотрено любое число смесительных ступеней, с блоком разделения газа после каждой смесительной ступени и насосом перед каждой смесительной ступенью.

Удаление отработавших газов или газообразных отходов, включая побочные продукты реакции, из системы и введение свежих газов повышает эффективность.

Отсекающие клапаны изолируют смесительные ступени во время выключения. Следовательно, ограничивают поступление кислорода или других нежелательных газов в смесительные ступени после выключения. Это снижает возможность нежелательного спекания окисленного битума или других материалов на поверхностях смесителей, что сохраняет статические смесители в хорошем рабочем состоянии.

Блок дегазатора работает при пониженном давлении, предпочтительно около атмосферного давления, что способствует улучшенному отделению газов и также повышению безопасности в некоторых применениях (поскольку неконтролируемое горение менее вероятно при пониженном давлении). Блок дегазатора содержит распылительную конструкцию, которая распыляет смешанный битум в разделительный объем, что вносит вклад в улучшенное разделение газа и битума. Кроме того, геометрическая форма разделительного объема обеспечивает большую площадь поверхности битума для битума, находящегося в цистерне, что также вносит вклад в улучшенное разделение газа и битума.

Также безопасность повышают с помощью усовершенствованных условий реакции, поскольку в дегазирующих блоках находится меньше избыточного кислорода, смешанного с летучими веществами. Например, в некоторых применениях с продуванием битума газообразные отходы могут представлять собой только приблизительно 5% кислорода. Следовательно, горение менее вероятно.

Хотя настоящее изобретение проиллюстрировано с помощью описания его вариантов осуществления и хотя варианты осуществления описаны подробно, это не является намерением заявителя определить пределы или каким-либо образом ограничить объем приложенной формулы изобретения такими подробностями. Дополнительные преимущества и модификации будут легко видны специалистам в данной области. Следовательно, изобретение в его самых широких аспектах не ограничено конкретными подробностями, репрезентативным аппаратом и способами, а также иллюстративными примерами, при- 9 031927 веденными и описанными. Соответственно, можно создавать отступления от таких подробностей без отступления от сущности и объема основной патентоспособной идеи заявителя.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Аппарат для обработки продуктов битума или нефти, который содержит:

i) первую трубную реакторную ступень, через которую битум или нефть и газ могут протекать при давлении выше атмосферного давления;

ii) впуск для продукта битума или нефти для введения продукта битума или нефти в упомянутую первую реакторную ступень;

iii) выпуск для продукта битума или нефти для извлечения обработанного продукта битума или нефти из упомянутой первой реакторной ступени;

iv) один или более первых впусков для введения воздуха, и/или реагентов, и/или катализаторов в упомянутую первую реакторную ступень;

v) первое множество статических смесителей, расположенных в первой смесительной секции первой трубной реакторной ступени ниже по потоку относительно впуска для продукта битума или нефти и одного или более первых впусков;

vi) первый насос, выполненный с возможностью перекачивания продукта битума или нефти и воздуха, и/или реагентов, и/или катализаторов через первую смесительную секцию;

vii) первый блок разделения газа, расположенный ниже по потоку относительно первой смесительной секции, который выполнен с возможностью отделения газа от продукта битума или нефти;

viii) вторая трубная реакторная ступень, соединенная с первым блоком разделения газа, через которую битум или нефть и газ из первого блока разделения газа могут проходить;

ix) один или более вторых впусков для введения воздуха, и/или реагентов, и/или катализаторов в упомянутую вторую трубную реакторную ступень;

x) второе множество статических смесителей, расположенных во второй смесительной секции второй трубной реакторной ступени ниже по потоку относительно вторых впусков;

xi) второй насос, выполненный с возможностью перекачивания продукта битума или нефти и воздуха, и/или реагентов, и/или катализаторов через упомянутую вторую реакторную ступень;

xii) второй блок разделения газа, расположенный ниже по потоку относительно второй смесительной секции и выполненный с возможностью отделения газа от продукта битума или нефти; и xiii) редуктор давления, расположенный перед каждым блоком разделения газа, причем каждый редуктор давления выполнен с возможностью снижения давления продукта битума или нефти и газа, подаваемых в соответствующий блок разделения газа.
2. Аппарат по п.1, в котором каждый редуктор давления снижает давление до примерно атмосферного давления.
3. Аппарат по п.2, в котором каждый редуктор давления представляет собой регулятор переменного потока.
4. Аппарат по п.3, в котором каждый редуктор давления представляет собой клапан.
5. Аппарат по любому из пп.2-4, в котором каждый редуктор давления представляет собой шаровой клапан.
6. Аппарат по любому из предшествующих пунктов, в котором каждый блок разделения газа включает в себя разделительный объем, который является вытянутым или плоским в горизонтальной плоскости, чтобы сохранять большую площадь поверхности относительно объема для продукта битума или нефти в разделительном объеме.
7. Аппарат по любому из предшествующих пунктов, в котором каждый блок разделения газа включает в себя разделительный объем и распылительную конструкцию, выполненную с возможностью распыления продукта битума или нефти, смешанного с газом, в разделительном объеме.
8. Аппарат по п.7, в котором распылительная конструкция включает в себя два или более конических или усеченно-конических элемента, установленных концентрически.
9. Аппарат по п.7 или 8, в котором распылительная конструкция выполнена с возможностью распыления продукта битума или нефти, смешанного с газом, в разделительный объем выше уровня продукта битума или нефти, находящегося в разделительном объеме.
10. Аппарат по любому из предшествующих пунктов, включающий в себя два или более отсекающих клапана, выполненных с возможностью перекрывания первой смесительной секции и/или второй смесительной секции, тем самым ограничивая или предотвращая поступление воздуха и/или кислорода в перекрытую секцию аппарата, когда аппарат выключен.
11. Аппарат по любому из предыдущих пунктов, в котором первая и вторая реакторные ступени образуют замкнутый контур, так что продукт битума или нефти циркулирует внутри аппарата.
12. Система обработки или производства битума, содержащая два или более аппарата по любому из предыдущих пунктов, которые соединены последовательно за счет выпуска для извлечения, расположенного ниже по потоку от второго блока разделения газа одного аппарата и соединенного через извле-

- 10 031927 кающий насос с первой реакторной ступенью следующего аппарата в последовательности.