RU2562483C9 - Method and device for bitumen production - Google Patents
Method and device for bitumen production Download PDFInfo
- Publication number
- RU2562483C9 RU2562483C9 RU2013133586/05A RU2013133586A RU2562483C9 RU 2562483 C9 RU2562483 C9 RU 2562483C9 RU 2013133586/05 A RU2013133586/05 A RU 2013133586/05A RU 2013133586 A RU2013133586 A RU 2013133586A RU 2562483 C9 RU2562483 C9 RU 2562483C9
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- oxidation reactor
- reactor
- oxidation
- oxidized
- stream
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10C—WORKING-UP PITCH, ASPHALT, BITUMEN, TAR; PYROLIGNEOUS ACID
- C10C3/00—Working-up pitch, asphalt, bitumen
- C10C3/02—Working-up pitch, asphalt, bitumen by chemical means reaction
- C10C3/04—Working-up pitch, asphalt, bitumen by chemical means reaction by blowing or oxidising, e.g. air, ozone
Abstract
Description
Способ и установка для получения битума из нефтяных остатков, например, тяжелых остатков вакуумной перегонки мазута, продуктов экстракционной очистки минеральных масел и может быть использован в нефтеперерабатывающей промышленности для производства битумов различных марок.The method and installation for producing bitumen from oil residues, for example, heavy residues of vacuum distillation of fuel oil, extraction products of mineral oils and can be used in the oil refining industry for the production of various types of bitumen.
Известен способ получения битума, включающий смешивание тяжелой фракции нефтяного экстракта, являющейся побочным продуктом селективной очистки диметилсульфоксидом экстрактов, получаемых в процессе производства минеральных базовых масел, и сырья для производства нефтяного битума, взятых в соотношении, % масс.: тяжелая фракция нефтяного экстракта 70-90 и сырье для производства нефтяного битума 10-30. Окисление полученной смеси осуществляется кислородом воздуха при температуре 230-290°C до получения продукта с глубиной проникновения иглы при 25°C 2/12·0,1 мм. В качестве сырья для производства нефтяного битума используются остатки прямой перегонки нефти, окисленных битумов и продукты селективного разделения нефтепродуктов (заявка на изобретение RU 2010153180 A, МПК C10C 3/00, опубл. 27.06.2012). Недостатками данного способа являются:A known method of producing bitumen, comprising mixing the heavy fraction of the oil extract, which is a by-product of the selective purification of extracts obtained in the process of production of mineral base oils with dimethyl sulfoxide, and raw materials for the production of petroleum bitumen, taken in the ratio, wt%: heavy fraction of oil extract 70-90 and raw materials for the production of petroleum bitumen 10-30. The resulting mixture is oxidized with atmospheric oxygen at a temperature of 230-290 ° C to obtain a product with a needle penetration depth at 25 °
- повторное окисление окисленных битумов, входящих в состав исходного сырья, приводит к повышенному содержанию окисленных компонентов в конечном продукте и повышению его хрупкости, ухудшающему качество получаемого битума;- re-oxidation of the oxidized bitumen that is part of the feedstock, leads to an increased content of oxidized components in the final product and an increase in its fragility, worsening the quality of the resulting bitumen;
- значительное отличие по групповому составу компаундируемых продуктов затрудняет обеспечение стабильности проведения процесса окисления, так как одни группы компонентов окажутся переокисленными, а другие недоокисленными, что ухудшит качество получаемого битума и может привести к локальной неоднородности его свойств на микроуровне;- a significant difference in the group composition of the compounded products makes it difficult to ensure the stability of the oxidation process, as some groups of components will be over-oxidized and others under-oxidized, which will degrade the quality of the resulting bitumen and may lead to local heterogeneity of its properties at the micro level;
- ограниченность ресурсов используемой тяжелой фракции нефтяного экстракта, получаемого в процессе селективной очистки минеральных масел.- limited resources of the used heavy fraction of the oil extract obtained in the process of selective purification of mineral oils.
Известен также способ получения битума окислением нефтяного сырья воздухом при повышенной температуре в окислительной колонне с зоной диспергирования, отделенной от зоны окисления, включающий подачу воздуха в зону диспергирования через диспергатор, отличающийся тем, что нефтяное сырье подают в зону диспергирования, а битум выводят из зоны окисления (патент РФ RU 2248387 C10C 3/04, опубл. 20.03.2005). Основным недостатком способа является невозможность регулирования температуры окисления сырья кислородом воздуха, так как в ходе окисления происходит выделение тепла, приводящее к адиабатическому разогреву реакционной смеси, при этом скорость окисления различных окисляемых компонентов сырья изменяется в разной степени, что приводит к неоднородности окисления по высоте реактора - окислительной колонны.There is also known a method of producing bitumen by oxidation of petroleum feedstock with air at an elevated temperature in an oxidizing column with a dispersion zone separated from the oxidation zone, comprising supplying air to the dispersion zone through a dispersant, characterized in that the crude oil is fed into the dispersion zone, and bitumen is removed from the oxidation zone (RF patent RU 2248387 C10C 3/04, publ. 20.03.2005). The main disadvantage of this method is the inability to control the temperature of the oxidation of raw materials with atmospheric oxygen, since heat is generated during oxidation, leading to adiabatic heating of the reaction mixture, while the oxidation rate of various oxidizable components of the raw material varies to a different degree, which leads to heterogeneity of oxidation along the height of the reactor oxidizing columns.
Известен способ получения битума, включающий подачу нефтяного сырья и воздуха в окислительную колонну (реактор окисления), окисление нефтяного сырья кислородом воздуха в окислительной колонне с обеспечением равномерного или близкого к равномерному распределяемого сырья в поперечном сечении окислительной колонны за счет наружной теплозащитной оболочки, препятствующей отводу тепла от окисляемого сырья через боковые стенки корпуса колонны, или наружным обогревателем, обеспечивающим приток тепла к окисляемому сырью через боковые стенки корпуса колонны, а отходящие газы из окислительной части колонны обезвреживаются в печи дожига (описание изобретения к европейской заявке 201100215 A1, МПК C10C 3/04, опубл. 30.08.2011). Основным недостатком способа является невозможность отвода тепла реакции окисления сырья кислородом воздуха от реакционной среды, чему препятствует наличие наружной теплозащитной, предпочтительно секционной оболочки, препятствующей отводу тепла от окисляемого сырья через боковые стенки корпуса колонны, или наружного, предпочтительно секционного обогревателя, обеспечивающего приток тепла к окисляемому сырью через боковые стенки корпуса колонны. Отсутствие теплоотвода приводит к ухудшению качества вырабатываемого битума, так как окисление нефтяного сырья при возрастающей температуре процесса приводит к получению битума с чрезмерно высокой хрупкостью, что в свою очередь ускоряет, например, разрушение дорожных покрытий. Кроме того, наличие градиента температуры по высоте теплоизолированной окислительной колонны за счет выделения теплоты реакции окисления углеводородов приводит к неоднородности состава получаемого битума, поскольку реакции окисления различных углеводородов с увеличением температуры ускоряются в разной степени, так как различные реакции имеют отличающиеся между собой энергии активации.A known method of producing bitumen, including the supply of petroleum feedstock and air to the oxidation column (oxidation reactor), the oxidation of petroleum feedstock with oxygen in the oxidation column to ensure uniform or close to uniform distribution of the feedstock in the cross section of the oxidation column due to an external heat-shielding shell that prevents heat dissipation from oxidizable raw materials through the side walls of the column body, or an external heater that provides heat to the oxidizable raw materials through the side walls and the column housing, and the exhaust gases from the oxidation of the column, are neutralized in afterburner furnace (specification of a European patent application 201 100 215 A1, IPC C10C 3/04, publ. 30.08.2011). The main disadvantage of this method is the inability to remove heat from the reaction of oxidation of raw materials with atmospheric oxygen from the reaction medium, which is prevented by the presence of an external heat-shielding, preferably sectional shell, which prevents heat from being oxidized from the raw materials through the side walls of the column body, or an external, preferably sectional heater, providing heat to the oxidizable raw materials through the side walls of the column body. The lack of heat removal leads to a deterioration in the quality of bitumen produced, since the oxidation of petroleum feedstock at an increasing process temperature results in bitumen with an excessively high brittleness, which in turn accelerates, for example, the destruction of road surfaces. In addition, the presence of a temperature gradient along the height of the heat-insulated oxidizing column due to the release of heat from the hydrocarbon oxidation reaction leads to heterogeneity in the composition of the resulting bitumen, since the oxidation reactions of various hydrocarbons are accelerated to different degrees with increasing temperature, since different reactions have different activation energies.
Известен способ получения битума из парафинистых и высокопарафинистых нефтей, включающий вакуумную перегонку мазута с получением гудрона, смешение полученного гудрона с сырьевыми органическими добавками, представляющими собой концентраты полиароматических углеводородов и смол нефтяного происхождения, окисление полученной смеси кислородом воздуха при повышенной температуре и избыточном давлении, отличающийся тем, что вакуумную перегонку мазута проводят с получением сверхтяжелого гудрона с условной вязкостью 180-230 с при 80°C, с содержанием парафино-нафтеновых углеводородов не более 18% масс., далее производят смешение сверхтяжелого гудрона с сырьевыми органическими добавками с получением сырьевой композиции с условной вязкостью 60-110 с при 80°C, содержащей не менее 50% масс. ароматических углеводородов и имеющей соотношение смол к асфальтеновым углеводородам не ниже, чем 8:3 масс. долей (патент RU 2458965 C1, МПК C10C 3/04, начало действия патента 08.02.2011). Недостатками данного способа являются:A known method of producing bitumen from paraffinic and high-paraffin oils, including vacuum distillation of fuel oil to obtain tar, mixing the resulting tar with raw organic additives, which are concentrates of polyaromatic hydrocarbons and resins of petroleum origin, oxidizing the resulting mixture with atmospheric oxygen at elevated temperature and overpressure, characterized in that the vacuum distillation of fuel oil is carried out with obtaining super-heavy tar with a nominal viscosity of 180-230 s at 80 ° C, with the content aniem paraffinic-naphthenic hydrocarbons are not more than 18 wt.%, more produce a superheavy mixing raw sludge with organic additives to form a conditioned feedstock composition with a viscosity of 60-110 at 80 ° C, containing at least 50% by weight. aromatic hydrocarbons and having a ratio of resins to asphaltene hydrocarbons is not lower than 8: 3 mass. shares (patent RU 2458965 C1, IPC
- смешивание сверхтяжелого гудрона вакуумной перегонки мазута, в котором при 18% масс. парафино-нафтеновых углеводородов содержится большое количество полиароматических углеводородов (их содержание в смеси с цикланами более 80% масс.), с концентратами полиароматических смол формирует компаундируемое сырье с очень высоким содержанием ароматических углеводородов, что требует повышенного расхода воздуха для окисления углеводородов;- mixing super-heavy tar vacuum distillation of fuel oil, in which at 18% of the mass. paraffin-naphthenic hydrocarbons contain a large amount of polyaromatic hydrocarbons (their content in a mixture with cyclanes is more than 80% by mass), with concentrates of polyaromatic resins it forms a compounding raw material with a very high content of aromatic hydrocarbons, which requires an increased air consumption for oxidation of hydrocarbons;
- увеличение расхода воздуха приводит к дополнительным затратам на его компримирование и дополнительному загрязнению окружающей среды отходящим из реактора окисления (окислительной колонны).- an increase in air consumption leads to additional costs for its compression and additional environmental pollution leaving the oxidation reactor (oxidation column).
Наиболее близким (прототип) к заявляемому техническому решению является способ получения битума, включающий разделение исходного сырья на два потока, нагревание одного потока и его окисление кислородом воздуха при повышенной температуре 220-230°C в реакторе окисления, компаундирование окисленного и неокисленного потоков с получением продукта, характеризующегося глубиной проникания иглы при 25°C 40-200·0,1 мм, при этом в качестве исходного сырья используется утяжеленный гудрон, получаемый при вакуумной перегонке мазута (патент RU 2476580 C2, МПК C10C 3/04, опубликован 27.02.2013). Недостатками данного способа являются:The closest (prototype) to the claimed technical solution is a method for producing bitumen, comprising separating the feedstock into two streams, heating one stream and oxidizing it with atmospheric oxygen at an elevated temperature of 220-230 ° C in an oxidation reactor, compounding the oxidized and non-oxidized streams to produce a product , characterized by the depth of penetration of the needle at 25 ° C 40-200 · 0.1 mm, while the weight of the tar obtained by vacuum distillation of fuel oil is used as feedstock (patent RU 2476580 C2, IPC
- ограниченные ресурсы сырья для получения битума, поскольку в его производство могут быть вовлечены кроме утяжеленного гудрона и иные источники сырья с установок деасфальтизации, селективной очистки минеральных масел и др.;- limited resources of raw materials for obtaining bitumen, since in addition to heavy tar and other sources of raw materials from deasphalting plants, selective purification of mineral oils, and others;
- отсутствует очевидная печь или теплообменник нагрева за счет тепла теплоносителя для нагрева окисляемой части потока сырья, поскольку при транспортировке гудрона от установки первичной переработки нефти до битумной установки произойдет нерегулируемое охлаждение сырья, определяемое климатическими условиями, что не позволит поддерживать необходимый температурный режим в реакторе окисления;- there is no obvious heating furnace or heat exchanger due to heat carrier heat for heating the oxidized part of the feed stream, since uncontrolled cooling of the feed determined by climatic conditions will occur during transportation of the tar from the primary oil refining plant to the bitumen plant, which will not allow maintaining the required temperature in the oxidation reactor;
- ограничение температуры окисления диапазоном 220-230°C препятствует возможности получения битумов различных марок, поскольку регулирование качества битумов осуществляется за счет изменения производительности реактора окисления, при этом время контакта воздуха с углеводородами в сырье остается практически неизменным, следовательно, выработка требуемого качества битума ограничена всего одной степенью свободы в процессе, что снижает его технологическую гибкость;- limiting the oxidation temperature to 220-230 ° C prevents the possibility of obtaining bitumen of various grades, since the quality of bitumen is controlled by changing the productivity of the oxidation reactor, while the contact time of air with hydrocarbons in the feed remains almost unchanged, therefore, the production of the required quality of bitumen is limited only one degree of freedom in the process, which reduces its technological flexibility;
- отсутствие необходимой, с позиции современных норм экологии, очистки отработанного воздуха, выходящего из реактора окисления, от захваченных легких продуктов окисления.- the lack of necessary, from the point of view of modern environmental standards, purification of exhaust air leaving the oxidation reactor from trapped light oxidation products.
Известна установка для получения битума, содержащая теплообменник для нагрева гудрона, вентилятор для подачи воздуха, калорифер для нагревания воздуха, циклон для очистки отходящего газа от капельного уноса, распылительную камеру (окислительную колонну), которая выполнена в пустотелом корпусе с кольцевым коллектором и центробежными форсунками для диспергирования гудрона (патент на полезную модель RU 45386 U1, МПК C10C 3/04, опубл. 10.05.2005). Недостатками установки являются:A known installation for producing bitumen, containing a heat exchanger for heating tar, a fan for air supply, a heater for heating air, a cyclone for cleaning exhaust gas from drip entrainment, a spray chamber (oxidizing column), which is made in a hollow body with an annular collector and centrifugal nozzles for dispersion of tar (patent for utility model RU 45386 U1, IPC C10C 3/04, publ. 05/10/2005). The disadvantages of the installation are:
- окисление капель гудрона происходит в газовой фазе в течение незначительного времени осаждения капель окисляемого гудрона, что снижает глубину окисления гудрона и качество получаемого битума;- oxidation of tar drops occurs in the gas phase for a short time of deposition of oxidized tar drops, which reduces the depth of tar oxidation and the quality of the resulting bitumen;
- осаждение капель гудрона в противотоке с воздушным потоком приводит к увеличению диаметра распылительной камеры при прочих равных условиях;- the deposition of tar drops in countercurrent with the air flow leads to an increase in the diameter of the spray chamber, ceteris paribus;
- мелкие капли гудрона уносятся с потоком воздуха и перегружают циклон, что приводит к снижению степени очистки воздуха в циклоне и загрязнению окружающей среды органическими примесями - легкими продуктами окисления гудрона;- small tar drops are carried away with the air stream and overload the cyclone, which leads to a decrease in the degree of air purification in the cyclone and environmental pollution with organic impurities - light tar oxidation products;
- большой перерасход воздуха на окисление гудрона - около 30% - из-за высокой концентрации кислорода в отходящем газе в связи с низкой эффективностью окислительной колонны (распылительной камеры), что увеличивает эксплуатационные затраты на реализацию процесса окисления гудрона.- a large consumption of air for tar oxidation - about 30% - due to the high oxygen concentration in the exhaust gas due to the low efficiency of the oxidation column (spray chamber), which increases operating costs for the implementation of the tar oxidation process.
Известна установка для получения битума, содержащая окислительную колонну (реактор окисления) с пустотелым корпусом, днищем, крышкой и диспергатором, расположенным в нижней части окислительной колонны, линию подвода нефтяного сырья в окислительную колонну с установленным в ней подающим насосом, линию подвода сжатого воздуха к диспергатору с установленным в ней регулятором расхода сжатого воздуха, линию отвода битума из окислительной колонны с установленным в ней первым откачивающим насосом, линию отвода газообразных продуктов окисления из верхней части окислительной колонны, при этом участок корпуса окислительной колонны, внутренний объем которого при работе установки заполняется окисляемым сырьем, снабжен наружной теплозащитной, предпочтительно секционной оболочкой, препятствующей отводу тепла от окисляемого сырья через боковые стенки корпуса колонны, или наружным, предпочтительно секционным обогревателем, обеспечивающим приток тепла к окисляемому сырью через боковые стенки корпуса колонны (патент на полезную модель RU 101709 U1, МПК С10С 3/04, опубл. 06.09.2010). Основным недостатком установки является невозможность отвода тепла реакции окисления сырья кислородом воздуха от реакционной среды, чему препятствует наличие наружной теплозащитной, предпочтительно секционной оболочки, препятствующей отводу тепла от окисляемого сырья через боковые стенки корпуса колонны, или наружного, предпочтительно секционного обогревателя, обеспечивающего приток тепла к окисляемому сырью через боковые стенки корпуса колонны. Отсутствие теплоотвода приводит к ухудшению качества вырабатываемого битума, так как окисление нефтяного сырья, при возрастающей температуре процесса, позволяет получать битум с чрезмерно высокой хрупкостью, что в свою очередь ускоряет, например, разрушение дорожных покрытий.A known installation for producing bitumen, containing an oxidizing column (oxidation reactor) with a hollow body, a bottom, a cover and a dispersant located in the lower part of the oxidizing column, a line for supplying oil to the oxidizing column with a feed pump installed in it, a line for supplying compressed air to the dispersant with a compressed air flow regulator installed in it, a bitumen discharge line from the oxidizing column with the first pumping pump installed in it, an oxide gas exhaust line from the upper part of the oxidizing column, the portion of the oxidizing column body, the internal volume of which during operation of the unit is filled with oxidizable raw materials, is provided with an external heat-shielding, preferably sectional shell, which prevents heat from being oxidized from the oxidized raw materials through the side walls of the column body, or with an external, preferably sectional heater providing heat flow to oxidized raw materials through the side walls of the column body (patent for utility model RU 101709 U1, IPC С10С 3/04, publ. 09/06/2010). The main disadvantage of the installation is the inability to remove the heat of the reaction of oxidation of raw materials with atmospheric oxygen from the reaction medium, which is prevented by the presence of an external heat-shielding, preferably sectional shell, which prevents the heat from being oxidized from the oxidized raw materials through the side walls of the column body, or an external, preferably sectional heater, providing heat to the oxidizable raw materials through the side walls of the column body. The absence of heat removal leads to a deterioration in the quality of bitumen produced, since the oxidation of petroleum feedstock, at an increasing process temperature, allows the production of bitumen with excessively high brittleness, which in turn accelerates, for example, the destruction of road surfaces.
Наиболее близким (прототип) к заявляемому техническому решению является установка для получения битума, включающая трубчатую печь с змеевиком, реактор окисления, насос для подачи сырья с всасывающим и нагнетательным патрубками, сырьевой трубопровод, соединяющий нагнетательный патрубок насоса с входом змеевика трубчатой печи, трубопровод, соединяющий выход змеевика трубчатой печи с верхней частью реактора окисления, трубопровод, соединяющий верхнюю часть реактора окисления с печью дожига отработанного воздуха, распределитель воздуха, размещенный в нижней части реактора, компрессор, соединенный трубопроводом с распределителем воздуха и трубопровод для вывода битума из реактора окисления (Нефтегазовое дело в 6 томах под ред. A.M. Шаммазова; том 4. Ахметов А.Ф., Кондрашова Н.К., Герасимова Е.В. Основы нефтепереработки. Санкт-Петербург, Недра, 2012, с. 197-199; Технология переработки нефти и газа, часть 1; Способы получения нефтяных битумов).The closest (prototype) to the claimed technical solution is a plant for producing bitumen, including a tubular furnace with a coil, an oxidation reactor, a pump for supplying raw materials with suction and discharge pipes, a raw material pipe connecting the pump discharge pipe with the inlet of the pipe furnace coil, a pipe connecting coil outlet of the tube furnace with the upper part of the oxidation reactor, a pipe connecting the upper part of the oxidation reactor with the exhaust air afterburner, air distributor located at the bottom of the reactor, a compressor connected by a pipeline to the air distributor and a pipeline for removing bitumen from the oxidation reactor (Oil and gas business in 6 volumes, edited by AM Shammazov;
Основными недостатками установки являются:The main disadvantages of the installation are:
- невозможность оптимального функционирования основного аппарата установки - реактора окисления, поскольку интенсификация процесса требует создания максимально возможной поверхности раздела фаз в системе противотока потока окисляемых углеводородов, опускающегося вниз по реактору окисления, с пузырьками воздуха, поднимающимися вверх; однако размеры воздушного пузырька нерегулируемы и не могут быть меньше некоторой предельной величины, при которой скорости противоточных фаз будут равны, что приведет к захлебыванию реактора окисления;- the impossibility of optimal functioning of the main apparatus of the installation - the oxidation reactor, since the intensification of the process requires the creation of the maximum possible phase interface in the countercurrent system of the flow of oxidized hydrocarbons, descending down the oxidation reactor, with air bubbles rising up; however, the size of the air bubble is unregulated and cannot be less than a certain limiting value at which the countercurrent phase velocities are equal, which will lead to flooding of the oxidation reactor;
- время контакта пузырька воздуха с жидкой фазой ограничено скоростью всплывания пузырька и высотой слоя жидкости в окислительной колонне, из-за чего кислород, находящийся в пузырьке воздуха, не полностью расходуется на окисление углеводородов, что приводит к необходимости увеличения подачи воздуха в реактор окисления, росту энергозатрат на подачу воздуха от 10%, если конечная концентрация кислорода в воздухе, покидающем реактор окисления, составляет 2% об., и до 30% об., если конечная концентрация кислорода в воздухе, покидающем реактор окисления, составляет 6% об.;- the contact time of the air bubble with the liquid phase is limited by the rate of bubble rise and the height of the liquid layer in the oxidation column, because of which the oxygen in the air bubble is not completely consumed for hydrocarbon oxidation, which leads to the need to increase the air supply to the oxidation reactor, increasing energy consumption for air supply from 10%, if the final concentration of oxygen in the air leaving the oxidation reactor is 2% vol., and up to 30%, if the final concentration of oxygen in the air leaving the oxidation reactor laziness is 6% vol .;
- отсутствие возможности реализации гибкой технологии получения битумов различных марок из-за нестабильности температурного режима работы реактора окисления, так как с выделением тепла реакции окисления углеводородов кислородом температура реакционной смеси по высоте колонны снизу вверх будет нерегулируемо возрастать, при этом скорость реакции окисления также будет увеличиваться, причем в разной степени для различных окисляемых углеводородов, что приводит к нарушению однородности свойств локальных объемов производимого битума;- the inability to implement a flexible technology for producing bitumen of various grades due to the instability of the temperature regime of the oxidation reactor, since with the evolution of heat from the oxidation of hydrocarbons with oxygen, the temperature of the reaction mixture will increase uncontrollably along the height of the column from the bottom up, and the oxidation reaction will also increase, moreover, to varying degrees for various oxidizable hydrocarbons, which leads to a violation of the uniformity of the properties of local volumes of bitumen produced;
- наличие печи дожига углеводородов, которые уносятся из реактора окисления с отработанным воздухом, способной обеспечить современный уровень экологии только при существенном снижение технико-экономических показателей установки, поскольку термическое обезвреживание отработанного воздуха в печи дожига происходит при высокой температуре 1200-1500°C, что требует подачи большого количества топливного газа в печи дожига;- the presence of a hydrocarbon afterburning furnace that is carried away from the oxidation reactor with the exhaust air, capable of providing a modern environmental level only with a significant decrease in the technical and economic parameters of the installation, since the thermal disposal of the exhaust air in the afterburning furnace occurs at a high temperature of 1200-1500 ° C, which requires supplying a large amount of fuel gas in the afterburner;
- необходимость существенного изменения технологических параметров работы установки при изменении характеристик исходного сырья, поскольку технологический процесс окисления углеводородов кислородом воздуха на данной установке имеет только одну степень свободы - расход окисляемого сырья.- the need for a significant change in the technological parameters of the installation when changing the characteristics of the feedstock, since the process of oxidation of hydrocarbons by atmospheric oxygen in this installation has only one degree of freedom - the consumption of oxidizable raw materials.
Задачей изобретения является разработка способа и установки для получения битума, отличающихся повышенными технико-экономическими показателями, возможностью расширения номенклатуры используемого сырья, использование технологических режимов работы и конструктивных особенностей аппаратов, обеспечивающих интенсификацию процессов, протекающих в основных аппаратах установки.The objective of the invention is to develop a method and installation for producing bitumen, characterized by improved technical and economic indicators, the possibility of expanding the range of raw materials used, the use of technological modes of operation and design features of the apparatus, ensuring the intensification of processes occurring in the main apparatus of the installation.
Для решения поставленной задачи предлагается способ получения битума, включающий разделение исходного сырья на два потока, нагревание одного потока сырья и его окисление кислородом воздуха при повышенной температуре в реакторе окисления, компаундирование окисленного и неокисленного потоков с получением продукта, в котором воздух, подаваемый в реактор окисления, диспергируют, окисление части потока сырья кислородом воздуха при повышенной температуре в реакторе окисления производят в гидродинамическом режиме стесненного всплывания пузырьков воздуха, снижение градиента температуры в реакторе окисления производят циркуляцией части полностью или частично окисленного потока и осуществляют передачу тепла для нагрева окисляемого сырья компаундирование окисленного и неокисленного потоков с выработкой битума, характеризующегося глубиной проникания иглы при 25°C 20-220·0,1 мм, производят в турбулентном смесителе, а выходящий из реактора окисления отработанные газы подвергают каталитической очистке от органических примесей.To solve this problem, a method for producing bitumen is proposed, including the separation of the feedstock into two streams, heating one feed stream and oxidizing it with atmospheric oxygen at an elevated temperature in the oxidation reactor, compounding the oxidized and non-oxidized streams to produce a product in which air is supplied to the oxidation reactor dispersed, the oxidation of a part of the feed stream with atmospheric oxygen at an elevated temperature in the oxidation reactor is performed in the hydrodynamic mode of cramped floating air bubbles, a decrease in the temperature gradient in the oxidation reactor is carried out by circulating part of the fully or partially oxidized stream and heat is transferred to heat the oxidized raw material, compounding the oxidized and non-oxidized streams with bitumen production, characterized by a needle penetration depth at 25 ° C of 20-220 · 0.1 mm are produced in a turbulent mixer, and the exhaust gases leaving the oxidation reactor are subjected to catalytic purification from organic impurities.
При гидродинамическом режиме стесненного всплывания пузырьков воздуха сплошная фаза окисляемого битума образует тонкую пленку между смежными пузырьками воздуха, что снижает диффузионное сопротивление при перемещении окислителя (кислорода) в объем битума, кроме того замедление скорости стесненного всплывания воздушного пузырька приводит при прочих равных условиях к увеличению времени контакта битумной пленки с воздушным пузырьком. Оба этих фактора положительно влияют на химизм окисления битума и интенсифицируют этот процесс.Under the hydrodynamic regime of cramped bubbling of air bubbles, the continuous phase of oxidized bitumen forms a thin film between adjacent air bubbles, which reduces diffusion resistance when the oxidizer (oxygen) moves into the volume of bitumen; moreover, a decrease in the speed of cramped bubbling of the air bubble leads to an increase in contact time, all other conditions being equal bitumen film with air bubble. Both of these factors positively affect the chemistry of bitumen oxidation and intensify this process.
Диспергирование воздуха, подаваемого в реактор окисления, с получением пузырьков воздуха одинакового диаметра способствует созданию однородной дисперсности в системе «газ-жидкость», что обеспечивает стабилизацию гидродинамических факторов в системе. На первом этапе диспергирования подаваемого в реактор окисления воздуха необходимо обеспечить такой размер формируемых воздушных пузырьков, чтобы их всплывание в жидкости в нижней части реактора окисления выполнялось в турбулентном или, по крайней мере, в переходном режиме, обеспечивая барботажное перемешивание жидкости в этой части реактора. Диспергирование воздуха, подаваемого в реактор окисления, целесообразно осуществлять форсунками или непосредственно в отверстиях барботера, при этом значение диаметра d отверстий в барботере должно быть не меньше, чем определяемый по формуле d=(Ar·µ2/ρ2·g)1/3, где µ (Па·с) и ρ (кг/м3), соответственно, вязкость и плотность окисляемого потока, g - ускорение свободного падения (9,81 м/с2), Ar - критерий Архимеда (Ar больше 20000 для обеспечения устойчивого переходного режима всплывания газового пузырька), а число отверстий в барботере N не больше, чем определяемое по формуле N=0,732·Q·ρ/(d·µ·(Ar)1/2), где Q - расход воздуха в реактор (м3/с).Dispersing the air supplied to the oxidation reactor to produce air bubbles of the same diameter helps to create uniform dispersion in the gas-liquid system, which ensures stabilization of hydrodynamic factors in the system. At the first stage of dispersion of the air oxidation supplied to the reactor, it is necessary to ensure the size of the formed air bubbles so that they float in the liquid in the lower part of the oxidation reactor in a turbulent or, at least, in transition mode, providing bubbler mixing of the liquid in this part of the reactor. It is advisable to disperse the air supplied to the oxidation reactor with nozzles or directly in the bubbler holes, while the diameter d of the holes in the bubbler should be no less than that determined by the formula d = (Ar · µ 2 / ρ 2 · g) 1/3 , where µ (Pa · s) and ρ (kg / m 3 ), respectively, are the viscosity and density of the oxidizable flow, g is the gravitational acceleration (9.81 m / s 2 ), Ar is the Archimedes criterion (Ar is more than 20,000 to ensure a stable transition regime of a gas bubble floating), and the number of holes in the bubbler N is no more than divided by the formula N = 0.732 · Q · ρ / (d · µ · (Ar) 1/2 ), where Q is the air flow into the reactor (m 3 / s).
Для обеспечения начального равномерного распределения пузырьков воздуха по сечению реактора окисления и за счет уменьшения гидравлического сопротивления при перемещении воздуха от входного штуцера до наиболее удаленного от него отверстия в барботере, барботер имеет коллекторы, сопряженные с барботажными устройствами, и выполнен по форме фигуры, которая полностью повторяет форму дна корпуса реактора окисления, и все отверстия в них равноудалены друг от друга и от стенки корпуса реактора окисления.To ensure the initial uniform distribution of air bubbles over the cross section of the oxidation reactor and by reducing the hydraulic resistance when moving air from the inlet to the farthest hole in the bubbler, the bubbler has collectors interfaced with bubblers and is made in the shape of a figure that completely repeats the bottom shape of the oxidation reactor vessel, and all openings in them are equidistant from each other and from the wall of the oxidation reactor vessel.
Целесообразно снижение градиента температуры в реакторе окисления обеспечивать циркуляцией окисленного битума, возвращая его в реактор. При этом скорость нисходящего потока окисляемого битума в реакторе окисления возрастает. Это приводит к завихрению этого потока, интенсификации процесса перемешивания среды в реакторе окисления, а за счет обратного преобразования кинетической энергии потока в потенциальную происходит дробление пузырьков воздуха. В результате уменьшается их размер, увеличивается поверхность раздела фаз в системе «газ-жидкость», уменьшаются скорости всплытия воздушных пузырьков в жидкости, увеличиваются концентрации воздушных пузырьков в жидкой фазе, что приводит к переходу гидродинамических режимов всплытия частиц: от режима всплытия одиночных частиц до режима стесненного всплывания частиц, при котором скорость всплывания существенно ниже, чем у одиночных частиц.It is advisable to reduce the temperature gradient in the oxidation reactor by providing the circulation of oxidized bitumen, returning it to the reactor. In this case, the downward velocity of oxidizable bitumen in the oxidation reactor increases. This leads to a vortex of this flow, intensification of the process of mixing the medium in the oxidation reactor, and due to the inverse transformation of the kinetic energy of the flow into potential, air bubbles are crushed. As a result, their size decreases, the interface between the phases increases in the gas-liquid system, the rates of ascent of air bubbles in the liquid decrease, the concentrations of air bubbles in the liquid phase increase, which leads to the transition of the hydrodynamic regimes of ascent of particles: from the mode of ascent of single particles to the mode cramped floating particles, in which the floating speed is significantly lower than that of single particles.
Так, например, при снижении порозности неоднородной системы «газ-жидкость» с 0,9 до 0,7 скорость стесненного всплытия пузырьков воздуха уменьшается в 3,8 раз, вызывая появление циркуляции пузырьков воздуха и образование прямоточного перемещения пузырьков воздуха совместно с жидкой фазой в объеме реактора. Это приводит к увеличению продолжительности контакта пузырьков воздуха, уменьшению диаметра и увеличению поверхности раздела фаз, что ускоряет переход молекул кислорода из объема воздушного пузырька к поверхности раздела фаз, и ускоряет в целом реакции окисления гудрона. В результате стесненное всплытие пузырьков сокращает продолжительность реакции и увеличивает производительность реактора или снижает его размеры.So, for example, when the porosity of the inhomogeneous gas-liquid system decreases from 0.9 to 0.7, the rate of cramped ascent of air bubbles decreases 3.8 times, causing the appearance of air bubble circulation and the formation of direct-flow movement of air bubbles together with the liquid phase in reactor volume. This leads to an increase in the duration of contact of air bubbles, a decrease in the diameter and an increase in the interface, which accelerates the transition of oxygen molecules from the volume of the air bubble to the interface and accelerates the reaction of tar oxidation as a whole. As a result, cramped ascent of the bubbles shortens the reaction time and increases the productivity of the reactor or reduces its size.
Таким образом, циркулирующий окисленный битум одновременно выравнивает температуру реакционной среды по высоте реактора окисления, вызывая снижение градиента температуры в реакторе, и интенсифицирует процесс окисления.Thus, the circulating oxidized bitumen simultaneously aligns the temperature of the reaction medium with the height of the oxidation reactor, causing a decrease in the temperature gradient in the reactor, and intensifies the oxidation process.
В данной ситуации целесообразно циркулирующий полностью или частично окисленный поток подвергать охлаждению, при этом регулирование градиента температуры в реакторе окисления можно обеспечить как расходом циркулирующего охлажденного полностью или частично окисленного потока, так и температурой циркулирующего охлажденного полностью или частично окисленного битума.In this situation, it is advisable to circulate the completely or partially oxidized stream to cooling, while the temperature gradient in the oxidation reactor can be controlled both by the flow rate of the circulated cooled completely or partially oxidized stream, and by the temperature of the circulating cooled completely or partially oxidized bitumen.
Для более четкого регулирования технологического режима работы реактора и поддержания заданного градиента изменения температуры по высоте и сечению реактора, что является основой для выработки высококачественных битумов, целесообразно обеспечить дробную циркуляцию полностью или частично окисленного потока, забирая его из реактора из одной или нескольких зон и возвращая его отдельными потоками, но не менее одного, в различные позиции по высоте реактора окисления с предварительным охлаждением. При этом регулирование градиента температуры по высоте реактора окисления обеспечивается изменением расхода циркулирующего полностью или частично окисленного потока, подаваемого в различные позиции по высоте реактора окисления, или изменением температуры циркулирующего полностью или частично окисленного битума, подаваемого в различные позиции по высоте реактора окисления.For a more precise regulation of the technological regime of the reactor and maintaining a given gradient of temperature changes along the height and cross section of the reactor, which is the basis for the production of high-quality bitumen, it is advisable to provide fractional circulation of the fully or partially oxidized stream, taking it from the reactor from one or more zones and returning it separate streams, but not less than one, in different positions along the height of the oxidation reactor with preliminary cooling. In this case, the regulation of the temperature gradient along the height of the oxidation reactor is provided by changing the flow rate of the circulating fully or partially oxidized stream supplied to various positions along the height of the oxidation reactor, or by changing the temperature of the circulating fully or partially oxidized bitumen supplied to various positions along the height of the oxidation reactor.
Для обеспечения высокого уровня смешения неокисленного и окисленного потоков сырья целесообразно использовать диафрагмированные диски или инжектор, причем в последнем случае в качестве рабочей жидкости необходимо применить неокисленный поток, если его расход для выработки заданного качества гудрона является большим, чем расход окисленного потока. Окисленный поток используется в этом качестве, если его расход требуется соблюдать большим, чем расход неокисленного потока.To ensure a high level of mixing of unoxidized and oxidized streams of raw materials, it is advisable to use diaphragm disks or an injector, and in the latter case, an unoxidized stream must be used as a working fluid if its flow rate for generating a given quality of tar is greater than the flow rate of the oxidized stream. An oxidized stream is used as such if its flow rate is required to be kept greater than the flow rate of the unoxidized stream.
Целесообразно выходящие из реактора окисления отработанные газы подвергать удалению углеводородов в сепараторе за счет охлаждения циркулирующим черным соляром и затем осуществлять утилизацию этих газов в печи дожига с одновременным нагревом теплоносителя, либо осуществлять каталитическую очистку от органических примесей.It is advisable to exit the exhaust gases from the oxidation reactor by removing hydrocarbons in the separator by cooling with a circulating black diesel fuel and then utilizing these gases in the afterburner while heating the coolant, or carry out catalytic purification of organic impurities.
Целесообразно для соблюдения современных норм экологии, выходящие из реактора отработанные газы подвергать глубокой каталитической очистке от органических примесей с образованием диоксида углерода и воды, которая позволяет обеспечить обезвреживание отработанных газов при температуре выхода его из реактора. В связи с высоким уровнем поглощения битумом кислорода из пузырьков воздуха в предлагаемом изобретении, концентрация кислорода в отработанном газе может оказаться недостаточной, чтобы произошло глубокое каталитическое окисление органических примесей в отработанном газе. В этом случае, необходимо выходящие отработанные газы из реактора окисления перед каталитической очисткой смешивать со свежим воздухом в соотношении 1:(0,1-0,005), что обеспечивает работу реактора окисления с достаточно высоким коэффициентом избытка воздуха относительно окисляемых органических примесей и, соответственно, обеспечивает интенсификацию реакции окисления. Отработанные газы подвергают каталитической очистке от органических примесей в пластинчато-каталитическом реакторе при температуре 150-200°C, при этом используют в качестве катализатора платину или палладий. Если же применять более дешевые катализаторы, основанные на оксидах меди, хрома, железа, цинка, бария или смеси этих оксидов, то выходящий из реактора отработанный газ дополнительно подогревают в топке за счет сжигания топливного газа или в теплообменнике за счет теплоносителя до температуры 250-350°C.It is advisable to comply with modern environmental standards, the exhaust gases leaving the reactor should be subjected to deep catalytic purification from organic impurities with the formation of carbon dioxide and water, which allows for the neutralization of exhaust gases at its exit temperature from the reactor. Due to the high level of bitumen absorption of oxygen from air bubbles in the present invention, the concentration of oxygen in the exhaust gas may be insufficient to cause deep catalytic oxidation of organic impurities in the exhaust gas. In this case, it is necessary to mix the exhaust gases from the oxidation reactor before catalytic purification with fresh air in the ratio 1: (0.1-0.005), which ensures the operation of the oxidation reactor with a sufficiently high coefficient of excess air relative to oxidizable organic impurities and, accordingly, provides intensification of the oxidation reaction. The exhaust gases are subjected to catalytic purification from organic impurities in a plate-catalytic reactor at a temperature of 150-200 ° C, while using platinum or palladium as a catalyst. If you use cheaper catalysts based on oxides of copper, chromium, iron, zinc, barium, or a mixture of these oxides, then the exhaust gas leaving the reactor is additionally heated in the furnace by burning fuel gas or in the heat exchanger due to the heat carrier to a temperature of 250-350 ° C.
Предлагаемый способ получения битума позволяет использовать в качестве исходного сырья гудрон глубоковакуумной перегонки мазута различных нефтей, тяжелые продукты селективного разделения углеводородов, тяжелые экстракты производства минеральных масел или их смеси.The proposed method for producing bitumen allows the use of high vacuum tar distillation oils of various oils, heavy products of the selective separation of hydrocarbons, heavy extracts of the production of mineral oils or mixtures thereof as feedstock.
Качество вырабатываемого битума будет обеспечиваться четырьмя степенями свободы в регулировании одного из главного показателя качества битума - глубины проникновения иглы в полученном продукте - за счет варьирования следующих параметров:The quality of the produced bitumen will be ensured by four degrees of freedom in regulating one of the main indicator of bitumen quality - the depth of penetration of the needle in the resulting product - by varying the following parameters:
- временем пребывания окисляемой части потока сырья в реакторе;- the residence time of the oxidizable portion of the feed stream in the reactor;
- температурой в реакторе окисления;- temperature in the oxidation reactor;
- временем пребывания окисляемой части потока сырья в реакторе и температурой в реакторе окисления;- the residence time of the oxidizable portion of the feed stream in the reactor and the temperature in the oxidation reactor;
- соотношением окисленного и неокисленного потоков сырья.- the ratio of oxidized and non-oxidized streams of raw materials.
Это позволяет в качестве продукта получать дорожные, строительные, кровельные битумы.This allows you to receive road, construction, roofing bitumen as a product.
Предлагаемый способ позволяет осуществлять одновременную выработку нескольких видов высококачественного битума, в том числе дорожного, строительного и кровельного битумы для каждого вида из них, за счет использования нескольких параллельно работающих реакторов, которые могут быть одинаковыми (универсальными) или выполненными индивидуально под конкретную марку битума.The proposed method allows the simultaneous production of several types of high-quality bitumen, including road, building and roofing bitumen for each type of them, through the use of several parallel reactors that can be the same (universal) or made individually for a particular brand of bitumen.
Так, для более мягкого режима по выработке марки дорожного битума достаточно исполнение двухпоточной циркуляции окисленного битума (фиг. 3). Для марки со средним режимом - реактор может быть с трехпоточной циркуляцией и дополнительным охлаждением одного из рециклов (фиг. 6). Для марки с жестким режимом - реактор с тремя рециклами может дооборудоваться мешалкой.So, for a milder regime for developing a brand of road bitumen, it is sufficient to perform two-stream circulation of oxidized bitumen (Fig. 3). For a brand with an average mode, the reactor can be with three-stream circulation and additional cooling of one of the recycles (Fig. 6). For a brand with a hard regime - a reactor with three cycles can be retrofitted with a stirrer.
Целесообразно нагревание потока сырья, подвергаемого далее окислению в реакторе осуществлять либо в теплообменниках за счет тепла теплоносителя, либо в змеевике трубчатой печи с частичной подачей воздуха, что позволит частично окислить углеводороды до входа в реактор и дополнительно разгрузить реактор окисления от газовой фазы.It is advisable to heat the feed stream, which is further oxidized in the reactor, either in heat exchangers due to heat of the coolant or in the coil of the tube furnace with partial air supply, which will partially oxidize hydrocarbons before entering the reactor and additionally relieve the oxidation reactor from the gas phase.
Целесообразно подогрев потока, подаваемого на окисление сырья, осуществлять в теплообменниках, расположенных последовательно: сначала в теплообменнике за счет тепла теплоносителя, нагретого в печи дожига за счет утилизации отработанных газов, далее в теплообменнике за счет тепла окисленного продукта и затем в теплообменнике за счет тепла циркуляционных орошений реактора окисления.It is advisable to heat the stream supplied to the oxidation of raw materials in heat exchangers arranged in series: first, in the heat exchanger due to the heat of the heat carrier heated in the afterburner by utilizing the exhaust gases, then in the heat exchanger due to the heat of the oxidized product and then in the heat exchanger due to the circulation heat irrigation reactor oxidation.
Повышенная температура в реакторе окисления не должна превышать температуру начала испарения битума TИ при конкретном абсолютном давлении в аппарате PА и парциальном давлении воздуха PП, определяемую из условия:The elevated temperature in the oxidation reactor should not exceed the temperature of the onset of evaporation of bitumen T And at a specific absolute pressure in the apparatus P A and partial air pressure P P determined from the condition:
Xi - концентрация i-й фракции в битуме;X i is the concentration of the i-th fraction in bitumen;
Pi - давление насыщенных паров i-й фракции в битуме.P i - saturated vapor pressure of the i-th fraction in bitumen.
Для решения поставленной задачи предлагается реализовать предлагаемый способ на установке для получения битума, включающей трубчатую печь со змеевиком, реактор окисления, насос для подачи сырья со всасывающим и нагнетательным патрубками, сырьевой трубопровод, соединяющий нагнетательный патрубок насоса с входом змеевика трубчатой печи, трубопровод, соединяющий выход змеевика трубчатой печи с верхней частью реактора окисления, распределитель воздуха, размещенный в нижней части реактора, компрессор, соединенный трубопроводом с распределителем воздуха и трубопровод для вывода битума из реактора окисления, при этом установка оборудована дополнительно турбулентным смесителем окисленного продукта и неокисленного сырья, реактором каталитической очистки выходящего из реактора окисления отработанных газов, соединенных трубопроводами, соответственно, со штуцерами вывода из реактора окисления окисленного продукта и отходящих газов, основная часть, по крайне мере, одного реактора окисления представляет собой реакционное пространство, где окисляемое сырье контактирует с кислородом, диффундирующим из объема воздушных пузырьков к поверхности раздела фаз, а верхняя часть реактора представляет собой сепарационное пространство, в котором битум отделяется от воздуха, реактор окисления снабжен байпасным трубопроводом, соединяющимся с одной стороны с нагнетательным патрубком насоса для подачи сырья, а с другой стороны с турбулентным смесителем, реактор окисления снабжен дополнительным циркуляционным насосом, соединяющим всасывающий патрубок с нижней частью реактора окисления и нагнетательным патрубком, по крайней мере, с одним или несколькими циркуляционными контурами, на которых установлены холодильники рециркулята, выходы циркуляционных контуров соединены с реактором окисления, корпус реактора окисления в средней части состоит из нескольких зон, каждая из которых по ходу потока жидкости имеет последовательно диффузорную, цилиндрическую и конфузорную конфигурации.To solve this problem, it is proposed to implement the proposed method in a plant for producing bitumen, including a tubular furnace with a coil, an oxidation reactor, a pump for supplying raw materials with suction and discharge pipes, a raw material pipe connecting the pump discharge pipe with the inlet of the pipe furnace coil, a pipe connecting the outlet coil of a tube furnace with an upper part of the oxidation reactor, an air distributor located at the bottom of the reactor, a compressor connected to a distribution pipe an air separator and a pipeline for withdrawing bitumen from the oxidation reactor, while the installation is additionally equipped with a turbulent mixer of the oxidized product and non-oxidized raw materials, a catalytic purification reactor emerging from the oxidation reactor of exhaust gases connected by pipelines, respectively, with fittings for the output from the oxidation reactor of the oxidized product and exhaust gases , the main part of at least one oxidation reactor is a reaction space where the oxidizable feed is in contact oxygen diffusing from the volume of air bubbles to the interface, and the upper part of the reactor is a separation space in which the bitumen is separated from the air, the oxidation reactor is equipped with a bypass pipe connected to the discharge pipe of the pump for supplying raw materials, on the one hand, and on the other hand with a turbulent mixer, the oxidation reactor is equipped with an additional circulation pump connecting the suction pipe to the lower part of the oxidation reactor and the discharge pipe, at least one or more circulation circuits on which recirculate refrigerators are installed, the outputs of the circulation circuits are connected to the oxidation reactor, the oxidation reactor vessel in the middle part consists of several zones, each of which in the course of the fluid flow has sequentially diffuser, cylindrical and confuser configurations.
Зональное исполнение реактора окисления, при этом каждая из зон по ходу потока жидкости имеет последовательно диффузорную, цилиндрическую и конфузорную конфигурации, обеспечивающих создание циркуляционных потоков в пределах отдельных зон, в которых осуществляются взаимные преобразования кинетической и потенциальной энергий потока, приводящие к дроблению воздушных пузырьков и увеличению поверхности раздела фаз, что в конечном итоге увеличивает интегральную константу скорости реакции окисления углеводородов кислородом воздуха в реакторе окисления, замедляет скорости всплывания воздушных пузырьков в жидкой фазе и повышает полноту использования кислорода воздуха в реакции окисления углеводородов. В конфузорной части зоны потенциальная энергия жидкого потока переходит в кинетическую, вызывая дробление воздушных пузырьков, их захват потоком жидкости, и создание области циркуляции воздушных пузырьков в пределах единичной зоны реактора окисления. В цилиндрической части происходит дополнительное дробление воздушных пузырьков за счет возросших из-за увеличения скорости потока сил трения. В диффузорной части зоны кинетическая энергия потока вновь переходит в потенциальную, способствуя образованию вихрей в этой части зоны. В целом в отдельной зоне реактора окисления происходит естественное образование устойчивого внутреннего циркуляционного торообразного контура системы «газ-жидкость», обеспечивающего как дробление пузырьков воздуха, так и создание достаточно однородной дисперсности реагирующей системы.Zonal execution of the oxidation reactor, with each of the zones along the fluid flow having sequentially diffuser, cylindrical and confuser configurations, which ensure the creation of circulation flows within individual zones in which the mutual conversion of the kinetic and potential energy of the stream is carried out, leading to crushing of air bubbles and an increase phase separation, which ultimately increases the integral rate constant of the oxidation of hydrocarbons by atmospheric oxygen oxidation actor, slows the rate of rise of air bubbles in the liquid phase and increases the completeness of the use of oxygen in the oxidation of hydrocarbons. In the confusional part of the zone, the potential energy of the liquid stream passes into the kinetic one, causing crushing of the air bubbles, their capture by the liquid flow, and the creation of the region of circulation of air bubbles within the unit zone of the oxidation reactor. In the cylindrical part there is an additional crushing of air bubbles due to the friction forces increased due to an increase in the flow velocity. In the diffuser part of the zone, the kinetic energy of the flow again turns into potential, contributing to the formation of vortices in this part of the zone. In general, in a separate zone of the oxidation reactor, a natural formation of a stable internal circulation toroidal contour of the gas-liquid system occurs, which ensures both the crushing of air bubbles and the creation of a fairly uniform dispersion of the reacting system.
Целесообразно на установке компрессор дополнительно соединить трубопроводом с входом змеевика трубчатой печи или теплообменника нагрева сырья в месте ввода в него нагреваемого потока сырья, что обеспечит смешение воздуха с нагреваемым сырьем и приведет к частичному предварительному окислению сырья непосредственно в змеевике трубчатой печи, что уменьшит удельную нагрузку реактора окисления и позволит увеличить производительность установки для получения битума.It is advisable to additionally connect the compressor to the inlet of the coil of a tubular furnace or a heat exchanger for heating the raw materials at the point where the heated feed stream enters it, which will ensure mixing of air with the heated raw materials and lead to partial preliminary oxidation of the raw materials directly in the coil of the tubular furnace, which will reduce the specific load of the reactor oxidation and will increase the productivity of the installation for bitumen.
Целесообразно, чтобы трубопровод сырья соединялся с теплообменником, который нагревает исходное сырье за счет теплоносителя, нагретого в печи дожига за счет утилизации отходящих газов, далее трубопровод соединялся с теплообменником, где нагрев осуществляется за счет тепла окисленного продукта, после трубопровод соединялся с теплообменником за счет тепла циркуляционных орошений реактора окисления.It is advisable that the raw material pipeline is connected to a heat exchanger, which heats the feedstock due to the heat carrier heated in the afterburner by utilizing the exhaust gases, then the pipeline is connected to a heat exchanger, where heating is due to the heat of the oxidized product, after which the pipeline is connected to the heat exchanger due to heat circulation irrigation reactor oxidation.
Целесообразно, чтобы количество реакторов окисления соответствовало количеству одновременно вырабатываемых марок одного вида битума или числу разных видов битума.It is advisable that the number of oxidation reactors corresponds to the number of simultaneously produced grades of one type of bitumen or the number of different types of bitumen.
Целесообразно также реактор окисления выполнить переменного диаметра так, что диаметр сепарационной части реактора окисления станет больше или равным диаметру реакционного пространства реактора окисления. Это позволит резко снизить пенообразование в верхней части реактора, исключить капельный унос жидкости и снизить вероятность образования твердых сталагмитов из продуктов окисления гудрона в верхней части корпуса реактора окисления и трубопроводе, соединяющего реактор с системой очистки отработанных газов, которые могут перекрыть живое сечение для прохода газов окисления.It is also advisable to perform the oxidation reactor of variable diameter so that the diameter of the separation part of the oxidation reactor becomes greater than or equal to the diameter of the reaction space of the oxidation reactor. This will drastically reduce foaming in the upper part of the reactor, eliminate dripping liquid and reduce the likelihood of solid stalagmites forming from tar oxidation products in the upper part of the oxidation reactor vessel and the pipeline connecting the reactor to the exhaust gas purification system, which can block the live section for the passage of oxidation gases .
Целесообразно выход полностью или частично окисленного потока в циркуляционный контур, предназначенный для возврата охлажденного полностью или частично окисленного потока в реактор окисления, выполнять в цилиндрической части корпуса выше или ниже сопряжения с диффузорной и конфузорной конфигураций корпуса реактора окисления.It is advisable that the fully or partially oxidized stream exit to the circulation loop, designed to return the cooled completely or partially oxidized stream to the oxidation reactor, in the cylindrical part of the vessel above or below the interface with the diffuser and confuser configurations of the oxidation reactor vessel.
Целесообразно вход циркуляционного контура соединять с реактором окисления в месте сопряжения диффузорной и конфузорной конфигураций корпуса реактора окисления по оси нормального сечения корпуса или тангенциально к корпусу. Это позволяет интенсифицировать естественное образование устойчивого внутреннего циркуляционного торообразного контура системы «газ-жидкость», обеспечивающего требуемое для реакции дробление пузырьков воздуха и создание равномерной и однородной дисперсности реагирующей системы.It is advisable to connect the input of the circulation circuit to the oxidation reactor at the interface between the diffuser and confuser configurations of the oxidation reactor vessel along the axis of the normal section of the vessel or tangentially to the vessel. This allows one to intensify the natural formation of a stable internal circulating toroidal contour of the gas-liquid system, which provides the crushing of air bubbles required for the reaction and the creation of a uniform and uniform dispersion of the reacting system.
Для реакторов окисления большого диаметра единичное нормальное или тангенциальное подключение циркуляционного контура к реактору окисления ослабляет формирование устойчивого внутреннего циркуляционного торообразного контура системы «газ-жидкость», обеспечивающего как дробление пузырьков воздуха, так и создание достаточно однородной дисперсности реагирующей системы. Целесообразно в этом случае, чтобы вход циркуляционного контура был выполнен в виде внешнего кольцевого коллектора, сопряженного с реактором окисления в месте сопряжения диффузорной и конфузорной конфигураций корпуса реактора окисления, при этом внешний кольцевой коллектор соединен тангенциальными патрубками с корпусом реактора окисления. При этом тангенциальные патрубки внешнего кольцевого коллектора расположены между собой равноудалено или сконцентрированы на одном или нескольких участках. При этом внешний кольцевой коллектор сопряжен с корпусом реактора окисления, а внутренний кольцевой коллектор размещен внутри реактора окисления, и коллекторы размещаются в месте сопряжения диффузорной и конфузорной конфигураций корпуса реактора окисления, при этом патрубки внешнего и внутреннего кольцевого коллекторов тангенциально сообщаются с внутренним пространством корпуса реактора окисления.For large diameter oxidation reactors, a single normal or tangential connection of the circulation circuit to the oxidation reactor weakens the formation of a stable internal circulation toroidal circuit of the gas-liquid system, which ensures both the fragmentation of air bubbles and the creation of a fairly uniform dispersion of the reacting system. In this case, it is advisable that the inlet of the circulation circuit be made in the form of an external annular collector interfaced with the oxidation reactor at the interface between the diffuser and confuser configurations of the oxidation reactor vessel, while the external ring collector is connected by tangential nozzles to the oxidation reactor vessel. In this case, the tangential nozzles of the outer annular collector are located equidistant or concentrated on one or more sections. In this case, the external annular collector is interfaced to the oxidation reactor vessel, and the internal annular collector is located inside the oxidation reactor, and the collectors are located at the interface between the diffuser and confuser configurations of the oxidation reactor vessel, while the pipes of the external and internal annular collectors tangentially communicate with the internal space of the oxidation reactor vessel .
Целесообразно, чтобы распределитель воздуха имел коллекторы, сопряженные с барботажными устройствами, что снизит гидравлическое сопротивление барботажного устройства и повысит равномерность начальной подачи воздуха в реактор окисления по его сечению, при этом значение диаметра отверстий в барботажном устройстве d не меньше, чем d=(Ar·µ2/ρ2·g)1/3, где µ (Па·с) и ρ (кг/м3), соответственно, вязкость и плотность окисляемого потока, g - ускорение свободного падения (9,81 м/с2), Ar - критерий Архимеда, а число отверстий в барботажном устройстве N больше, чем N=0,732·Q·ρ/(d·µ·(Ar)1/2), где Q - расход воздуха в реактор (м3/с). При этом можно обеспечить такой размер формируемых воздушных пузырьков, чтобы их всплывание в жидкости в нижней части реактора окисления выполнялось в турбулентном или, по крайней мере, в переходном режиме, обеспечивая барботажное перемешивание жидкости в этой части реактора.It is advisable that the air distributor had collectors interfaced with bubblers, which will reduce the hydraulic resistance of the bubbler device and increase the uniformity of the initial air supply to the oxidation reactor over its cross section, while the diameter of the holes in the bubbler device d is not less than d = (Ar µ 2 / ρ 2 · g) 1/3 , where µ (Pa · s) and ρ (kg / m 3 ), respectively, are the viscosity and density of the oxidized flow, g is the gravitational acceleration (9.81 m / s 2 ) , Ar is the Archimedes criterion, and the number of holes in the bubbler device N is greater than N = 0.732 · Q · ρ / (d · µ · (Ar) 1/2 ), where Q is the air flow into the reactor (m 3 / s). In this case, it is possible to ensure such a size of the formed air bubbles that they float in the liquid in the lower part of the oxidation reactor in a turbulent or at least in transition mode, providing bubbler mixing of the liquid in this part of the reactor.
Целесообразно также, чтобы при смешении окисленной и неокисленной части сырья в качестве турбулентного смесителя был использован инжектор, причем линию подачи рабочей жидкости в инжектор соединяют с байпасным трубопроводом подачи неокисленного потока при расходе окисленного потока меньшем, чем неокисленного потока, а линию всасывания жидкости в инжектор соединяют с трубопроводом подачи окисленного потока с нижней частью реактора окисления или линию подачи рабочей жидкости в инжектор, соединенного с трубопроводом окисленного потока с нижней частью реактора окисления, при расходе окисленного потока большем, чем неокисленного потока, а линию всасывания жидкости в инжектор соединяют с байпасным трубопроводом подачи неокисленного потока, что обеспечит предельно полное использование энергии смешиваемых потоков, возможно также использование в качестве турбулентного смесителя использовать диафрагмовый смеситель с диафрагмированными дисками. В инжекторе интенсивное перемешивание двух потоков обеспечивается за счет того, что больший по расходу поток поступает в аппарат по линии подачи рабочей жидкости, далее за счет увеличения скорости ее движения интенсифицирует турбулизацию рабочей жидкости и создает разрежение во всасывающей линии. Меньший по расходу поток подсасывается в турбулентный поток рабочей жидкости с обеспечением интенсивного смешения двух потоков. В диафрагмовом смесителе в корпусе смесителя устанавливается ряд дисков с круглыми отверстиями (диафрагмами), и при прохождении смешиваемых потоков от одного диска к другому, происходит последовательное локальное увеличение и уменьшение скорости потоков с последовательным преобразованием кинетической энергии потоков в потенциальную, и, наоборот, с интенсивной турбулизацией локальных струй жидкости, обеспечивающей интенсивное смешение двух потоковIt is also advisable that when mixing the oxidized and non-oxidized part of the feed, an injector should be used as a turbulent mixer, the supply line of the working fluid to the injector being connected to the bypass supply line of the non-oxidized stream at an oxidized flow rate less than the non-oxidized stream, and the liquid suction line to the injector should be connected with an oxidized flow feed line to the bottom of the oxidation reactor or a line for supplying a working fluid to the injector connected to the oxidized flow line with the lower part of the oxidation reactor, when the flow rate of the oxidized stream is greater than the unoxidized stream, and the suction line of the liquid into the injector is connected to the bypass supply pipe of the unoxidized stream, which will ensure the utmost full use of the energy of the mixed flows, it is also possible to use a diaphragm mixer with a turbulent mixer diaphragm discs. Intensive mixing of the two flows in the injector is ensured due to the fact that a higher flow rate enters the apparatus through the working fluid supply line, then, due to an increase in its speed, it intensifies the turbulization of the working fluid and creates a vacuum in the suction line. The lower flow rate is sucked into the turbulent flow of the working fluid with intensive mixing of the two flows. In a diaphragm mixer, a series of disks with round holes (diaphragms) are installed in the mixer body, and when mixed flows pass from one disk to another, a sequential local increase and decrease in the flow velocity occurs with a sequential conversion of the kinetic energy of the flows into potential, and, conversely, with intensive turbulization of local liquid jets, providing intensive mixing of two flows
В зависимости от реальных особенностей термокаталитической очистки отработанных в реакторе окисления газов от органических примесей, целесообразно, чтобы реактор каталитической очистки воздуха представлял собой корпус, в котором установлен пакет пластин, на поверхность которых нанесен слой катализаторного покрытия, при этом корпус реактора каталитической очистки в нормальном сечении может иметь квадратную, прямоугольную или круглую форму или реактор каталитической очистки представлял собой пакет пластин, на поверхность которых нанесен слой катализаторного покрытия, установленный непосредственно в трубопроводе, соединенном с верхом реактора окисления, что снижает металлоемкость реактора каталитической очистки.Depending on the real features of the thermocatalytic purification of organic impurities exhausted in the gas oxidation reactor, it is advisable that the catalytic air purification reactor be a casing in which a stack of plates is installed, on the surface of which a catalyst coating layer is applied, while the casing of the catalytic purification reactor is in normal section may have a square, rectangular or round shape, or the catalytic purification reactor was a package of plates onto the surface of which the catalyst coating layer is mounted directly in the pipeline connected to the top of the oxidation reactor, which reduces the metal consumption of the catalytic treatment reactor.
Целесообразно на трубопроводе, соединяющем верх реактора окисления с реактором каталитической очистки установить сепаратор, который позволит отделить от потока отработанных газов примеси углеводородов в форме дисперсной фазы, что снизит нагрузку реактора каталитической очистки по окисляемым до диоксида углерода и воды углеводорода и позволит уменьшить его размеры. В тех случаях, когда слой катализаторного покрытия пакета пластин реактора каталитической очистки основан на дешевых оксидных катализаторах, требующих проведения процесса термокаталитической очистки отработанных газов при температурах 250-350°C, целесообразно, перед реактором каталитической очистки установить нагреватель отходящих газов, который может представлять собой топку или теплообменник с подачей в него теплоносителя, дополнительный змеевик камеры конвекции трубчатой печи, например, предназначенной для нагрева теплоносителя на установке.It is advisable to install a separator on the pipeline connecting the top of the oxidation reactor with the catalytic treatment reactor, which will allow separating hydrocarbon impurities in the form of a dispersed phase from the exhaust gas stream, which will reduce the load of the catalytic treatment reactor for hydrocarbon oxidized to carbon dioxide and water and reduce its size. In cases where the catalyst coating layer of the plate pack of the catalytic treatment reactor is based on low-cost oxide catalysts that require the process of thermocatalytic treatment of exhaust gases at temperatures of 250-350 ° C, it is advisable to install an exhaust gas heater in front of the catalytic treatment reactor, which can be a furnace or a heat exchanger with a coolant supplied to it, an additional coil of the convection chamber of a tubular furnace, for example, designed to heat the coolant and installation.
Целесообразно также в нижней части сепарационной части реактора окисления установить якорную мешалку, которая будет удалять со стенок сепарационной части реактора налипающий на них слой смолистых отложений, не допуская образование сталагмитов, и возвращать их в реакционную зону реактора окисления.It is also advisable to install an anchor mixer in the lower part of the separation part of the oxidation reactor, which will remove a layer of resinous deposits adhering to the walls of the separation part of the reactor, preventing the formation of stalagmites, and return them to the reaction zone of the oxidation reactor.
Целесообразно также дополнительно интенсифицировать перемешивание неоднородной системы «жидкость-газ» в реакторе окисления во избежание коалесценции пузырьков воздуха за счет того, что в каждой из зон средней части реактора окисления, имеющей последовательно диффузорную, цилиндрическую и конфузорную конфигурацию, размещено перемешивающее устройство. Перемешивающее устройство может представлять собой пропеллерную мешалку, обеспечивающую в реакторе окисления образование нисходящей циркуляции системы «окисляемое сырье: воздух», что дополнительно к воздействию рецикла окисленного гудрона увеличит время пребывания пузырьков воздуха в реакторе окисления и приведет к сокращению продолжительности реакции окисления или возможности увеличения производительности реактора; для формирования устойчивой циркуляции пузырьков воздуха пропеллерная мешалка может размещаться в направляющем цилиндре. Перемешивающее устройство может также представлять собой дисковую мешалку, обеспечивающую перемешивание системы «окисляемое сырье-воздух» в радиальном направлении.It is also advisable to further intensify the mixing of the heterogeneous liquid-gas system in the oxidation reactor in order to avoid coalescence of air bubbles due to the fact that in each of the zones of the middle part of the oxidation reactor having a sequentially diffuser, cylindrical and confuser configuration, a mixing device is placed. The mixing device may be a propeller stirrer that provides a downward circulation of the oxidizable feed: air system in the oxidation reactor, which, in addition to the effect of the oxidized tar recycling, will increase the residence time of air bubbles in the oxidation reactor and lead to a reduction in the duration of the oxidation reaction or the possibility of increasing reactor productivity ; to form a stable circulation of air bubbles, the propeller stirrer can be placed in the guide cylinder. The mixing device may also be a disk mixer, providing radial mixing of the oxidizable feed-air system.
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежом, где на фигуре 1 изображена схема предложенной установки для получения битума по предложенному способу получения битума.The invention is illustrated in the drawing, where figure 1 shows a diagram of the proposed installation for producing bitumen according to the proposed method for producing bitumen.
Схема установки для получения битума содержит следующие позиции: насос 1 с всасывающим и нагнетательным патрубками; печь 4 со змеевиком 5; реактор окисления 6, состоящий из секции сепарации 7 и реакционной секции 8, которая формируется из нескольких идентичных или отличающиеся размерами реакционных зон 9, каждая из которых имеет (снизу вверх по ходу потока воздуха) конфузорную 10, цилиндрическую 11 и диффузорную 12 конфигурации; внутри цилиндрической части 11 реакционной зоны 9 размещается мешалка 13; в нижней части секции сепарации 7 размещается рамная мешалка 14; в нижней части реакционной секции 8 помещается барботажное устройство 15; компрессор 16; циркуляционный насос 17; контуры циркуляции 18 с теплообменниками 19; сепаратор 20 с холодильником 2, термокаталитический реактор 21, турбулентный смеситель 3 и систему трубопроводов 22-35.The installation diagram for producing bitumen contains the following positions: pump 1 with suction and discharge nozzles;
Основные аппараты схемы предложенной установки для получения битума обвязаны трубопроводами следующим образом: трубопровод исходного сырья присоединен к всасывающему патрубку насоса 1. Нагнетательный патрубок насоса 2 трубопроводом 24 соединяется с входом змеевика 5 печи 4 и трубопроводом байпасной линии 25. Выход змеевика 5 печи 4 соединяется трубопроводом 26 с верхней частью реакционной секции 8 реактора окисления 6. Трубопровод 27 соединяет компрессор 16 с барботажным устройством 15 реактора окисления 6. Секция сепарации 7 реактора окисления 6 в верхней части соединяется трубопроводом 28 с сепаратором 20. Нижняя часть сепаратора 20 трубопроводом 22 соединяется с холодильником 2, после которого трубопроводом 35 соединяется с верхней частью сепаратора 20, а трубопроводом 29 с резервуарами хранения черного соляра (не показан). Верхняя часть сепаратора 20 трубопроводом 30 соединяется с входом термокаталитического реактора 21, выход которого трубопроводом 31 связан с системой сброса очищенных газов в атмосферу (не показана). Нижняя часть реакционной секции 8 реактора окисления 6 связана с циркуляционным насосом 17 и системой трубопроводов формирует контуры циркуляции 18 теплообменниками 19; нижняя часть реакционной секции 8 реактора окисления 6 трубопроводом 32 соединяется с входом турбулентного смесителя 3. К входу турбулентного смесителя 3 также подключен трубопровод байпасной линии 25. Выход турбулентного смесителя 3 трубопроводом 33 соединен с резервуаром хранения приготовленного битума (не показан).The main apparatuses of the scheme of the proposed installation for producing bitumen are connected by pipelines as follows: the feedstock pipe is connected to the suction pipe of the
Предложенный способ получения битума реализуется на данной установке следующим образом: исходное сырье (гудрон после вакуумной перегонки мазута, тяжелые остатки селективной очистки масел и т.д.) по трубопроводу 23 поступает на установку получения битума и насосом 1 по трубопроводу 24 поступает на переработку, при этом часть потока сырья направляется через змеевик 5 печи 4 на стадию окисления, а вторая, неокисляемая часть потока сырья по байпасному трубопроводу 25 направляется в турбулентный смеситель 3 для смешения с окисленной частью потока сырья. Соотношение окисленной и неокислямой частей потока сырья может лежать в пределах от 9:1 до 2,3:1 и определяется двумя факторами: составом исходного сырья и требованием к качеству получаемого битума, который в зависимости от марки может иметь глубину проникания иглы при 25°C в пределах 20-220·0,1 мм. В трубчатой печи 4 окисляемая часть потока сырья нагревается до температуры 180-230°C (в зависимости от выпускаемой марки битума) и по трубопроводу 26 подается на верхнюю часть реакционной секции 8 реактора окисления 6, в низ которого компрессором 16 по трубопроводу 27 и через барботажное устройство 15 подается воздух. В реакторе окисления 6 происходит противоточный контакт окисляемого сырья и кислорода воздуха, переходящего из объема воздушных пузырей к поверхности раздела фаз. Разделение реакционной секции 8 реактора окисления 6 на несколько идентичных реакционных зон 9, каждая из которых имеет (снизу вверх) конфузорную 10, цилиндрическую 11 и диффузорную 12 конфигурации с мешалкой 13 внутри цилиндрической части 11 обеспечивает интенсивное перемешивание окисляемого сырья и диспергированного в нем воздуха, препятствует нежелательной коалесценции пузырьков воздуха и способствует дополнительному дроблению воздушных пузырей на более мелкие, что способствует увеличению поверхности раздела фаз и интегральной скорости реакции окисления, что приводит к сокращению времени реакции и возможности за счет этого увеличения производительности установки. Поскольку в процессе окисления углеводородов кислородом происходит выделение тепла, приводящее к наличию градиента температуры по высоте реактора окисления 6, результатом которого является различная степень интенсификации многочисленных простейших реакций окисления конкретных компонентов сырья по высоте реактора окисления 6, так как в соответствии с уравнением Аррениуса константы скоростей реакций с различными энергиями активации изменяются при варьировании температуры по-разному. Итогом наличия градиента температуры является локальная неоднородность окисляемого продукта по компонентному составу, что отражается в колебаниях результатов анализа такого важнейшего для битумов показателя как глубина проникания иглы. Идеальным термическим условием получения однородного битума было бы проведение процесса окисления в изотермических условиях. Предложенная схема обвязки реактора окисления 6 с циркуляционным насосом 17 и системой трубопроводов, формирующей контуры циркуляции 18 с теплообменниками 19, позволяющими охлаждать циркулирующий окисленный продукт и вводить его при необходимости в каждую из реакционных зон 9 позволяет уменьшить температурный градиент в реакторе окисления 6 с 30-40°C до 1-2°C. Отработанные газы после отделения от вспененной жидкой фазы в секции сепарации 7 реактора окисления 6 с температурой около 200°C по трубопроводу 28 поступают в сепаратор, в котором унесенная воздухом дисперсная фаза отделяется, часть ее через холодильник 2 подается в сепаратор в качестве холодного орошения, а балансовое количество отводится по трубопроводу 29 в резервуары хранения черного соляра, а отработанные газы, содержащие пары углеводородов, поступают по трубопроводу 30 в термокаталитический реактор 31 пластинчатого типа с катализаторным покрытием на поверхности пластин на основе алюмосиликатного носителя с содержанием платины 0,4-0,5%, обеспечивающим полное окисление паров углеводородов, содержащихся в отработанном газе до диоксида углерода и воды. Окисленная часть сырья смешивается с неокисленной частью сырья в турбулентном смесителе 3. Для интенсификации процесса окисления предусмотрено подавать компрессором 16 часть воздуха по трубопроводу 34 на смешение с потоком сырья, нагреваемым в печи 4, что создает эффект предокисления этого продукта.The proposed method for producing bitumen is implemented in this installation as follows: the feedstock (tar after vacuum distillation of heavy fuel oil, heavy residues of selective oil refining, etc.) is supplied through
На фигуре 2 представлена установка получения битума, отличающая от фигуры 1 тем, что исходное сырье, поступающее на окисление, нагревается в системе теплообменников 36, 37 и 19, соответственно, за счет тепла теплоносителя, окисленного продукта, подаваемого по трубопроводу 32 и частично окисленным потоком, используемым в качестве контура циркуляции 18. Кроме того, используется печь дожига 4, в которой при сжигании отработанных газов тепло расходуется на нагрев теплоносителя. Работа реактора осуществляется без применения перемешивающего устройства, выход циркуляционных орошений, частично окисленного сырья, производится из различных зон реактора.Figure 2 presents the installation for producing bitumen, which differs from figure 1 in that the feedstock fed to the oxidation is heated in the
На фигурах 3-5 представлены варианты исполнения реакторов окисления. На фигуре 3 предусмотрена двухпоточная циркуляция окисленного потока. Данный реактор окисления не предусматривает перемешивающее устройство. Целесообразно использовать данный реактор при наличии сырья, позволяющего вырабатывать различные марки битума при мягких условиях.Figures 3-5 show embodiments of oxidation reactors. The figure 3 provides a dual-stream circulation of the oxidized stream. This oxidation reactor does not provide a mixing device. It is advisable to use this reactor in the presence of raw materials, allowing to produce various grades of bitumen under mild conditions.
Для поддержания требуемого значения по показателю порозности битума конструкция реактора окисления выполнена так, что диаметр верхней части реактора больше, чем в нижней части (фиг. 4). Зона сепарации 7 реактора окисления предусматривает использование мешалки 14, позволяющей сгребать со стенок реактора унесенные частицы окисленного продукта и возвращать обратно в зону реакции 8.To maintain the desired value in terms of bitumen porosity, the design of the oxidation reactor is such that the diameter of the upper part of the reactor is larger than in the lower part (Fig. 4). The
Возможно, также в реакторе окисления использовать барботер, который выполнен по форме фигуры, повторяющей форму дна корпуса реактора окисления, причем все отверстия в них равноудалены друг от друга и от стенок корпуса реактора окисления (фиг. 5).It is also possible to use a bubbler in the oxidation reactor, which is made in the shape of a figure repeating the shape of the bottom of the oxidation reactor vessel, with all openings in them equally spaced from each other and from the walls of the oxidation reactor vessel (Fig. 5).
На фигуре 6 представлена принципиальная схема установки для получения трех марок битума на одной установке одновременно. На схеме: 2 - холодильник; 3 - турбулентные смесители; 6 - реакторы окисления; 16 - компрессор; 17, 41, 53-55, 64-66 - насосы; 19 - теплообменники; 20 - сепаратор; 21 - термокаталитический реактор; 40, 68-70 - емкости; 43 - воздушный сепаратор; 44-46 - поточные смесители; 47-49 - сокинг-секция; 56 - товарный парк или эстакада налива; 61-63 - теплообменники; 39 - трубопровод подачи сырья; 42 - трубопровод подачи воздуха; 58-60 - трубопроводы подачи различных добавок; 67 - трубопровод очищенного газа; 57 - черный соляр; 50-52 - трубопроводы различных марок битума; сплошные линии - трубопроводы перекачки жидкой и газовой фаз.The figure 6 presents a schematic diagram of the installation for obtaining three grades of bitumen in one installation at the same time. On the diagram: 2 - refrigerator; 3 - turbulent mixers; 6 - oxidation reactors; 16 - compressor; 17, 41, 53-55, 64-66 - pumps; 19 - heat exchangers; 20 - separator; 21 - thermocatalytic reactor; 40, 68-70 - containers; 43 - air separator; 44-46 - in-line mixers; 47-49 - socking section; 56 - freight fleet or loading rack; 61-63 - heat exchangers; 39 - pipeline supply of raw materials; 42 - air supply pipe; 58-60 - pipelines for the supply of various additives; 67 - purified gas pipeline; 57 - black solarium; 50-52 - pipelines of various grades of bitumen; solid lines - pipelines for pumping liquid and gas phases.
Установка работает следующим образом: исходное сырье делится на два потока - поток окисляемого сырья и поток неокисляемого сырья. Окисляемое сырье поступает по трубопроводу 39 в емкость 40, откуда насосом 41 прокачивается и распределяется по трем реакторам окисления 6, в каждом из которых поддерживается необходимый температурный режим, расход воздуха и продолжительность окисления в соответствии с технологией получения конкретной марки битума. Воздух, подаваемый на установку по трубопроводу 42, предварительно компримируется в компрессоре 16, далее проходит через воздушный сепаратор 43 и распределяется по трем реакторам окисления 6. При необходимости для достижения заданных свойств требуемой марки битума возможно использовать добавки, которые подаются по трубопроводам 58-60, далее смешиваются с исходным сырьем в поточных смесителях 44-46, далее смесь направляется для подогрева в теплообменники 61-63 через емкости 68-70 и насосы 64-66 и поступает в реакторы окисления 6. Реакторы окисления 6 снабжены циркуляционным насосом 17 и теплообменником 19, позволяющим охлаждать циркулирующий окисленный продукт. После реактора окисления 6 окисленная часть сырья подается в смесители 3, в которых проводится смешение с необходимым количеством неокисленной части сырья, обеспечивая показатели стандарта вырабатываемых марок битума. После прохождения смесителей 3 смесь направляется в сокинг-секции 47-49, откуда с низа битумы различных: марок по трубопроводам 50-52 прокачиваются насосами 53-55 и направляются в товарный парк 56. Отработанные газы с реакторов окисления вместе с газами с сокинг-секций направляются в сепаратор 20, с верха которого очищаются в термокаталитическом реакторе 21 и выводятся с установки по трубопроводу 67, с низа сепаратора отводится черный соляр по трубопроводу 57 либо в мазутопровод, либо в резервуарный парк (не показан).The installation works as follows: the feedstock is divided into two streams - a stream of oxidizable raw materials and a stream of non-oxidizable raw materials. The oxidized raw material enters through the
Предлагаемые способ и установка получения битума иллюстрируется следующими примерами.The proposed method and installation for producing bitumen is illustrated by the following examples.
Пример 1. На колонном стенде на системе «вода-воздух» были смоделированы гидродинамические особенности работы реактора окисления по прототипу. Колонна состояла из емкости (куба колонны) и трех прозрачных секций диаметром 0,4 м и высотой 0,6 м каждая. Полная высота пустотелой колонны составляла 1,8 м. Таким образом, стендовый аппарат в масштабе 1:5 имитировал один из промышленных реакторов окисления. В нижней части колонны установлен барботер в виде крестовины с центральным отверстием диаметром 0,01 м, полностью соответствующий параметрам промышленного барботера. Колонна была снабжена компрессором, обеспечивающим подачу воздуха в барботер в количестве 15,6 м3/ч, и насосом, обеспечивающим циркуляционную подачу воды из куба в колонну от 1 до 40 м3/ч. Гидродинамические особенности системы «вода-воздух» в колонне фиксировалось видеосъемкой, что позволяло фиксировать не только общее гидродинамическое состояние системы, но и анализировать локальную структуру потоков в характерных частях конструкции.Example 1. At the column stand on the system "water-air" were simulated hydrodynamic features of the oxidation reactor according to the prototype. The column consisted of a tank (column cube) and three transparent sections with a diameter of 0.4 m and a height of 0.6 m each. The total height of the hollow column was 1.8 m. Thus, the bench apparatus at a scale of 1: 5 imitated one of the industrial oxidation reactors. At the bottom of the column there is a bubbler in the form of a cross with a central hole with a diameter of 0.01 m, which fully corresponds to the parameters of an industrial bubbler. The column was equipped with a compressor providing air supply to the bubbler in the amount of 15.6 m 3 / h, and a pump providing circulating water supply from the cube to the column from 1 to 40 m 3 / h. The hydrodynamic features of the water-air system in the column were recorded by video, which allowed us to record not only the general hydrodynamic state of the system, but also to analyze the local flow structure in characteristic parts of the structure.
Анализ состояния гидродинамики системы показал, что в целом в верхней части колонны поддерживается достаточно однородный режим всплывания пузырьков воздуха, в отдельных местах потока жидкости заметны небольшие (диаметром 0,08-0,10 м) спорадические вихри, хаотически перемещающиеся в объеме жидкости (для наглядности они выделены графически, см. фиг. 7). В нижней части колонны (фиг. 8) формируются неустойчивые воздушные каналы переменного сечения диаметром от 0,05 до 0,15 м и длиной до 0,3 м, которые на высоте от барботажного отверстия около 0,5 м начинают диспергироваться на отдельные пузырьки с широким диапазоном диаметров пузырьков от 0,005 до 0,020 м.An analysis of the hydrodynamic state of the system showed that, in general, in the upper part of the column, a fairly uniform mode of bubbling of air bubbles is maintained; in some places of the fluid flow, small (0.08-0.10 m in diameter) sporadic vortices are randomly moving in the fluid volume (for clarity) they are highlighted graphically, see Fig. 7). In the lower part of the column (Fig. 8), unstable air channels of variable cross section with a diameter of 0.05 to 0.15 m and a length of up to 0.3 m are formed, which begin to disperse into individual bubbles with a height of about 0.5 m from the bubble hole a wide range of bubble diameters from 0.005 to 0.020 m.
В целом структуру потоков в колонне по прототипу можно характеризовать как достаточно установившийся режим свободного всплывания пузырьков воздуха в жидкой среде с незначительными циркуляционными зонами и с неудовлетворительным формированием однородной дисперсной системы, особенно в нижней части колонны, что соответствует режиму практического отсутствия окисления в нижней части реактора окисления применительно к процессу окисления углеводородного сырья из-за наличия воздушного каналообразования в жидкой среде, то есть около 1/6 части колонны не работает. В целом гидродинамическая обстановка в колонне соответствует режиму идеального вытеснения по водной и воздушной фазам с незначительными неустойчивыми зонами циркуляционных вихрей.In General, the structure of the flows in the column according to the prototype can be characterized as a fairly established mode of free floating of air bubbles in a liquid medium with insignificant circulation zones and with unsatisfactory formation of a homogeneous dispersed system, especially in the lower part of the column, which corresponds to the mode of practically no oxidation in the lower part of the oxidation reactor in relation to the process of oxidation of hydrocarbons due to the presence of air channel formation in a liquid medium, that is, about 1/6 h The column does not work. In general, the hydrodynamic situation in the column corresponds to the regime of ideal displacement in the water and air phases with insignificant unstable zones of circulating vortices.
Пример 2. На колонном стенде на системе «вода-воздух» были смоделированы гидродинамические особенности работы реактора окисления по заявляемому изобретению. Колонна состояла из емкости и трех прозрачных секций диаметром 0,4 м и высотой 0,6 каждая. Полная высота пустотелой колонны составляла 1,8 м. Таким образом, стендовый аппарат в масштабе 1:5 имитировал промышленный реактор окисления. В нижней части колонны установлен барботер в виде крестовины с центральным отверстием диаметром 0,01 м, соответствующий параметрам промышленных барботеров. Колонна была снабжена компрессором, обеспечивающим подачу воздуха в барботер в количестве 15,6 м3/ч, и насосом, обеспечивающим подачу воды в колонну от 1 до 40 м3/ч. В нижней секции колонны был смонтирован макет реакционной зоны, имеющий (снизу вверх) диффузорную, цилиндрическую и конфузорную конфигурации.Example 2. At the column stand on the system "water-air" were simulated hydrodynamic features of the oxidation reactor according to the claimed invention. The column consisted of a tank and three transparent sections with a diameter of 0.4 m and a height of 0.6 each. The total height of the hollow column was 1.8 m. Thus, the bench apparatus at a scale of 1: 5 imitated an industrial oxidation reactor. At the bottom of the column there is a bubbler in the form of a cross with a central hole with a diameter of 0.01 m, corresponding to the parameters of industrial bubblers. The column was equipped with a compressor providing air supply to the bubbler in the amount of 15.6 m 3 / h, and a pump providing water supply to the column from 1 to 40 m 3 / h. In the lower section of the column was mounted a model of the reaction zone, having (bottom to top) diffuser, cylindrical and confuser configuration.
На фигуре 9,а показана работа нижней секции колонны с макетом реакционной зоны при подаче 7,8 м3/ч воздуха, на фигуре 9,б повторена фигура 9,а, на которой пунктиром подчеркнут контур конструктивных элементов реакционной зоны, выполненных из прозрачного оргстекла и недостаточно четко просматривающихся на фигуре 9,а, а также графически выделены наблюдаемые характерные зоны устойчивой циркуляции. Анализ состояния гидродинамики системы показал, что в целом в верхней части колонны поддерживается достаточно однородный режим всплывания пузырьков воздуха, в отдельных местах потока жидкости заметны небольшие (диаметром 0,08-0,1 м) спорадические вихри, хаотически перемещающиеся в объеме жидкости аналогично прототипу. В нижней части колонны (фигуры 9,а, б) исчезли неустойчивые воздушные каналы, которые ранее наблюдались в прототипе (фигура 8) и сформировалась достаточно однородная дисперсная система газ-жидкость практически сразу на выходе воздуха из отверстия барботера. Размеры воздушных пузырьков составляли в основном 0,005 мм. Из-за специфической конфигурации конструкции реакционной зоны наблюдалось образование устойчивых зон циркуляции системы газ-жидкость, имеющих тороидальную форму, причем в нижней конфузорной части закручивание в циркуляционной зоне происходило по часовой стрелке в горизонтальной плоскости, в верхней диффузорной части закручивание в циркуляционной зоне происходило против часовой стрелки также в горизонтальной плоскости, а в цилиндрической части закручивание наблюдалось в вертикальной плоскости с забросом системы газ-жидкость из диффузорной части в конфузорную. Таким образом, конструктивное выполнение реакционной зоны в форме сопряжения конфузорного, цилиндрического и диффузорного элементов по сравнению с традиционным противотоком прототипа обеспечивает более интенсивное дробление воздушных пузырей и более равномерное диспергирование воздуха в жидкой фазе, что при прочих равных условиях приводит к увеличению поверхности раздела фаз и интегральной константы скорости реакции, что уменьшит продолжительность реакции и позволит увеличить производительность установки. Кроме того, возникновение тороидальных вихревых циркуляционных потоков в аппарате приводит к задержке воздушных пузырьков в зоне реакции и, соответственно, к увеличению времени контакта воздушных пузырьков с жидкостью, более полного использования кислорода воздуха на процесс окисления углеводородов и, как следствие - позволяет уменьшить расход воздуха и затраты на компримирование.Figure 9a shows the operation of the lower section of the column with a mock-up of the reaction zone when 7.8 m 3 / h of air is supplied; Figure 9b repeats Figure 9a, in which the outline of the structural elements of the reaction zone made of transparent plexiglass is underlined with a dashed line and not clearly visible in figure 9, a, as well as graphically highlighted observed characteristic zones of stable circulation. An analysis of the hydrodynamic state of the system showed that, on the whole, a fairly homogeneous mode of bubbling of air bubbles is maintained in the upper part of the column, small sporadic vortices moving randomly in the volume of the liquid similar to the prototype are noticeable in some places of the fluid flow. In the lower part of the column (figures 9, a, b), the unstable air channels that were previously observed in the prototype (figure 8) disappeared and a fairly uniform dispersed gas-liquid system was formed almost immediately at the air outlet from the bubbler hole. The dimensions of the air bubbles were mainly 0.005 mm. Due to the specific configuration of the reaction zone design, the formation of stable gas-liquid system circulation zones having a toroidal shape was observed, moreover, in the lower confusor part, the circulation in the circulation zone was clockwise in the horizontal plane, in the upper diffuser part, the circulation in the circulation zone was counterclockwise arrows are also in the horizontal plane, and in the cylindrical part, twisting was observed in the vertical plane with a throw of the gas-liquid system from di fuzornoy part in confused. Thus, the constructive implementation of the reaction zone in the form of a pair of confuser, cylindrical and diffuser elements in comparison with the traditional countercurrent of the prototype provides more intensive crushing of air bubbles and more uniform dispersion of air in the liquid phase, which, all other things being equal, leads to an increase in the interface and integral reaction rate constants, which will reduce the reaction time and will increase the productivity of the installation. In addition, the occurrence of toroidal vortex circulation flows in the apparatus leads to a delay in air bubbles in the reaction zone and, consequently, to an increase in the contact time of air bubbles with a liquid, a more complete use of atmospheric oxygen for the oxidation of hydrocarbons and, as a result, reduces air consumption and compression costs.
Пример 3. В условиях работы колонны по примеру 2 между нижней и средней секциями колонны циркуляционным насосом осуществлен ввод воды по горизонтальной оси колонны в количестве от 1 до 10 м3/ч, забираемой из куба колонны, моделируя, таким образом, работу циркуляционного контура. Как следует из фигуры 10, на которой пунктиром подчеркнут контур конструктивных элементов реакционной зоны, а также графически выделены наблюдаемые характерные зоны устойчивой циркуляции, гидродинамическая обстановка в секции остается близкой ранее наблюдавшейся в примере 2 картине, но при сохранении размеров большинства пузырьков воздуха на уровне 0,005 м визуально отмечается заметное снижение порозности системы газ-жидкость за счет уменьшения расстояния между пузырьками воздуха и скорости всплывания пузырьков. Это явление объясняется тем, что нисходящий поток циркулирующей жидкости вызывает увеличение сил трения на поверхности раздела фаз воздушных пузырьков и воды, направленных вниз, интенсифицирующих локальную турбулизацию в тонких слоях воды, соприкасающихся непосредственно с воздушным пузырьком, и уменьшающих в итоге скорость всплывания пузырьков воздуха. Применительно к процессу окисления битума это означает увеличение времени контакта воздуха и окисляемого продукта с одновременным ускорением переноса кислорода от поверхности раздела фаз к окисляемым углеводородам и увеличение концентрации окисляемых углеводородов у поверхности раздела фаз, что должно существенно интенсифицировать процесс окисления углеводородов. Кроме того, возникли две дополнительные зоны циркуляции в верхней части секции в горизонтальной плоскости с вращением вихрей по часовой стрелке в правом вихре и против часовой стрелки в левом вихре.Example 3. Under the conditions of operation of the column of Example 2, between the lower and middle sections of the column by the circulation pump, water was introduced along the horizontal axis of the column in an amount of 1 to 10 m 3 / h taken from the column cube, thus simulating the operation of the circulation circuit. As follows from figure 10, in which the outline of the structural elements of the reaction zone is underlined with a dotted line, and the observed characteristic zones of stable circulation are graphically highlighted, the hydrodynamic situation in the section remains close to the picture previously observed in example 2, but while maintaining the size of most air bubbles at the level of 0.005 m a noticeable decrease in the porosity of the gas-liquid system is visually observed due to a decrease in the distance between air bubbles and the rate of bubble rise. This phenomenon is explained by the fact that the downward flow of the circulating fluid causes an increase in the friction forces at the interface between the air bubbles and the water directed downward, intensifying local turbulence in thin layers of water in contact with the air bubble, and ultimately reducing the speed of the rise of air bubbles. In relation to the process of bitumen oxidation, this means an increase in the contact time of air and the product being oxidized, while accelerating the transfer of oxygen from the interface to oxidizable hydrocarbons and an increase in the concentration of oxidizable hydrocarbons at the interface, which should substantially intensify the process of oxidation of hydrocarbons. In addition, two additional circulation zones arose in the upper part of the section in the horizontal plane with the rotation of the vortices clockwise in the right vortex and counterclockwise in the left vortex.
Пример 4. В условиях работы колонны по примеру 3 между нижней и средней секциями колонны циркуляционным насосом осуществлен тангенциальный ввод воды по горизонтальной оси колонны в количестве от 1 до 10 м3/ч, забираемой из куба колонны, моделируя таким образом другой вариант работы циркуляционного контура. Расход воздуха составил 15,6 м3/ч. Как следует из фигуры 11, на которой пунктиром подчеркнут контур конструктивных элементов реакционной зоны, а также графически выделены наблюдаемые характерные зоны устойчивой циркуляции, гидродинамическая обстановка в секции остается близкой ранее наблюдавшейся картине в примере 3, размеры большинства пузырьков воздуха сохранялись на уровне 0,005 м. Увеличение расхода воздуха привело к уменьшению доли объема аппарат, занимаемой жидкостью, что вызвало дополнительное увеличение сил трения на поверхности раздела фаз воздушных пузырьков и воды, интенсифицирующих локальную турбулизацию в тонких слоях воды, соприкасающихся непосредственно с воздушным пузырьком, и уменьшающих в итоге скорость всплывания пузырьков воздуха. Применительно к процессу окисления битума увеличение расхода жидкости по контуру циркуляции приведет к дополнительному увеличению времени контакта воздуха и окисляемого продукта, ускорению переноса кислорода от поверхности раздела фаз к окисляемым углеводородам и увеличению концентрации окисляемых углеводородов у поверхности раздела фаз, интенсифицируя процесс окисления углеводородов. Кроме того, в отличие от примера 3, в верхней части секции возникла одна дополнительная зона циркуляции системы «газ-жидкость» в горизонтальной плоскости с вращением вихря по часовой стрелке, за счет тангенциального ввода циркулирующей жидкости в колонну.Example 4. Under the conditions of operation of the column according to example 3, between the lower and middle sections of the column with a circulation pump, tangential water was introduced along the horizontal axis of the column in an amount of 1 to 10 m 3 / h, taken from the cube of the column, thus simulating another version of the circulation circuit . Air consumption was 15.6 m 3 / h. As follows from figure 11, in which the outline of the structural elements of the reaction zone is dotted and the observed characteristic zones of stable circulation are graphically highlighted, the hydrodynamic situation in the section remains close to the previously observed pattern in Example 3, the size of most air bubbles remained at the level of 0.005 m. air flow led to a decrease in the volume fraction of the apparatus occupied by the liquid, which caused an additional increase in the friction forces at the interface of the air bubbles and water, intensifying local turbulization in thin layers of water in direct contact with the air bubble, and ultimately reducing the speed of floating of air bubbles. In relation to the process of bitumen oxidation, an increase in the liquid flow rate along the circulation circuit will lead to an additional increase in the contact time of air and the oxidized product, acceleration of oxygen transfer from the interface to oxidizable hydrocarbons, and an increase in the concentration of oxidizable hydrocarbons at the interface, intensifying the hydrocarbon oxidation process. In addition, unlike example 3, in the upper part of the section there was one additional circulation zone of the gas-liquid system in the horizontal plane with the rotation of the vortex clockwise due to the tangential introduction of the circulating liquid into the column.
В целом результаты опытов, приведенные в примерах 2-4, позволяют считать с позиции гидродинамики секцию колонны (условную реакционную зону) состоящую из элементов диффузорной, цилиндрической и конфузорной конфигурации ячейкой идеального смешения.On the whole, the results of the experiments given in Examples 2–4 allow us to consider from the standpoint of hydrodynamics a section of the column (conditional reaction zone) consisting of elements of a diffuser, cylindrical, and confuser configuration as an ideal mixing cell.
Пример 5. На колонном стенде, подробно описанном в примере 2, были смоделированы гидродинамические особенности работы реактора окисления по заявляемому изобретению на системе «водный раствор глицерина - воздух». По своим физико-химическим свойствам используемый раствор, состоящий из 60% об глицерина и 40% об воды, близок по вязкости к гудрону (сырью установки для получения битума) при в условиях окисления в реакторе при 220°C, в частности его вязкость 0,03 Па·с. В нижней секции колонны был смонтирован макет реакционной зоны, имеющий (снизу вверх) диффузорную, цилиндрическую и конфузорную конфигурации. Колонна была испытана на ряде режимов формирования циркуляционного контура с тангенциальным вводом водного раствора глицерина. Отмечены многочисленные тороидальные вихри и резкое уменьшение размеров части пузырьков воздуха в среднем до 0,002 м при очень высокой однородности системы «жидкость-газ», которая потеряла прозрачность, приобрела молочно белую окраску из-за дисперсности системы, что не позволило получить информационно-насыщенные фотографии работы колонны.Example 5. On the column stand, described in detail in example 2, were simulated hydrodynamic features of the oxidation reactor according to the claimed invention on the system of "an aqueous solution of glycerol - air". According to its physical and chemical properties, the solution used, consisting of 60% by volume of glycerol and 40% by volume of water, is close in viscosity to the tar (raw material of the plant for producing bitumen) under oxidation conditions in the reactor at 220 ° C, in particular, its viscosity is 0, 03 Pa s In the lower section of the column was mounted a model of the reaction zone, having (bottom to top) diffuser, cylindrical and confuser configuration. The column was tested in a number of modes of formation of the circulation circuit with the tangential introduction of an aqueous solution of glycerol. Numerous toroidal vortices and a sharp decrease in the size of part of air bubbles on average to 0.002 m were noted with a very high uniformity of the liquid-gas system, which lost transparency, acquired a milky white color due to the dispersion of the system, which did not allow obtaining information-rich photographs of the work the columns.
В нижеследующих примерах приведен ряд расчетов, иллюстрирующих работу установки для получения битума.The following examples provide a series of calculations illustrating the operation of the plant for producing bitumen.
Пример 6. Были рассчитаны гидродинамические параметры работы реактора окисления по прототипу и заявляемому изобретению при получении битума из гудрона при 200°C и давлении 0,3 МПа. В обоих расчетах была принята одинаковая производительность установки по гудрону 6 т/ч и расход воздуха 100 м3 на одну тонну гудрона. Плотность гудрона принята 1000 кг/м3, вязкость при 220°C составляет 0,03 Па·с. За основу расчетов по прототипу был принят реактор окисления гудрона диаметром 2,5 м, высотой барботажной зоны 10,6 м и рабочим объемом 52 м3. При расчете реактора по заявляемому изобретению в реакторе окисления были сформированы 3 реакционные зоны высотой 3,5 м, каждая из которых состояла из элементов диффузорной, цилиндрической и конфузорной конфигурации, что привело к уменьшению реакционного объема реактора с 52 до 36,7 м3. На основании ранее выполненных экспериментов (примеры 1-5) было принято, что в колонне по прототипу диаметр пузырьков воздуха составлял 0,01 м, а в колонне по заявляемому изобретению - 0,005 м. При расчете гидродинамики аппаратов последовательно рассчитывались гидродинамические критерии подобия Архимеда и Рейнольдса, скорость всплывания пузырьков воздуха в гудроне, продолжительность всплывания пузырьков воздуха в колонне от барботера до сепарационной зоны, объем, занимаемый, соответственно, сплошной жидкой фазой (гудроном) и дисперсной газовой фазой (воздухом) в объеме колонне, порозность системы жидкость-газ и время пребывания жидкой фазы в колонне. Дисперсность системы жидкость-газ в реакторе окисления по заявляемому изобретению возросла и приближается к предельно допустимой (порозность реакционной смеси составляет 0,53), поскольку при дальнейшем уменьшение порозности ограничено вспениванием среды. Результаты расчетов приведены в таблице 1, из которой следует, что в заявляемом изобретении за счет лучшего диспергирования воздуха увеличивается в 2,64 раза продолжительность контакта воздуха с гудроном с одновременным аналогичным увеличением количества контактирующего воздуха, что должно привести к интенсификации процесса окисления гудрона и потребления при этом кислорода воздуха.Example 6. Were calculated hydrodynamic parameters of the oxidation reactor according to the prototype and the claimed invention upon receipt of bitumen from tar at 200 ° C and a pressure of 0.3 MPa. In both calculations, the same unit capacity was adopted for tar 6 t / h and air consumption of 100 m 3 per ton of tar. The density of the tar accepted 1000 kg / m 3 the viscosity at 220 ° C is 0.03 Pa · s. The basis for the calculations based on the prototype was a tar oxidation reactor with a diameter of 2.5 m, a bubble zone height of 10.6 m and a working volume of 52 m 3 . When calculating the reactor according to the claimed invention, 3 reaction zones with a height of 3.5 m were formed in the oxidation reactor, each of which consisted of elements of a diffuser, cylindrical and confuser configuration, which led to a decrease in the reaction volume of the reactor from 52 to 36.7 m 3 . Based on previously performed experiments (examples 1-5), it was assumed that the diameter of the air bubbles in the column according to the prototype was 0.01 m, and in the column according to the claimed invention - 0.005 m. When calculating the hydrodynamics of the devices, the hydrodynamic criteria of similarity between Archimedes and Reynolds were calculated , the rate of rise of air bubbles in the tar, the duration of the rise of air bubbles in the column from the bubbler to the separation zone, the volume occupied, respectively, of the continuous liquid phase (tar) and dispersed gas second phase (air) in a volume of the column, the porosity of the gas-liquid system and the residence time of the liquid phase in the column. The dispersion of the liquid-gas system in the oxidation reactor according to the claimed invention has increased and is approaching the maximum permissible (porosity of the reaction mixture is 0.53), since with a further decrease in porosity it is limited by foaming of the medium. The calculation results are shown in table 1, from which it follows that in the claimed invention, due to better dispersion of air, the contact time of air with tar increases by a factor of 2.64, with a simultaneous similar increase in the amount of contacting air, which should lead to an intensification of the process of tar oxidation and consumption when this is air oxygen.
Пример 7. Моделирование работы реактора окисления по заявляемому изобретению на базе примера 6. Поскольку гидродинамика реактора окисления по прототипу близка к модели идеального вытеснения, то, принимая по промышленным данным снижение концентрации кислорода в воздухе, контактирующем в реакторе прототипа с гудроном с 21 до 5% об. и расчетное время контакта пузырьков воздуха с гудроном 117,8 сек (табл. 1) была рассчитана, по математической модели реактора идеального вытеснения для стационарных условий его работы, константа скорости реакции взаимодействия кислорода с гудроном, составившая для прототипа 0,028 с-1. Поскольку в реакторе окисления по заявляемому изобретению, как показали эксперименты (примеры 1-4), происходит более интенсивное диспергирование пузырьков воздуха, диаметр которых составляет 0,005 м против 0,01 м в прототипе, то, как показали расчеты, в заявляемом изобретении поверхность раздела фаз, пропорциональная числу и диаметру пузырьков воздуха, также вдвое больше, чем в прототипе. Увеличение поверхности раздела фаз приводит к соответствующему пропорциональному увеличению скорости реакции потребления кислорода в процессе окисления гудрона. Это позволило принять константу скорости реакции реакции взаимодействия кислорода с гудроном в реакторе окисления по заявляемому изобретению равной 0,056 с-1. Поскольку каждая реакционная зона реактора окисления, содержащая элементы диффузорной, цилиндрической и конфузорной конфигурации, близка к модели идеального смешения, то гидродинамика реактора окисления по заявляемому изобретению, имеющего три такие реакционные зоны, может рассматриваться как ячеечная модель для каскада из трех реакторов идеального смешения. По математической модели каскада из трех реакторов идеального смешения с учетом кинетики реакции потребления кислорода в процессе окисления гудрона для стационарных условий работы реактора окисления было рассчитано методом итераций время пребывания реакционной системы в каждой секции реактора, составившее 103,74 с и определено общее время пребывания пузырьков воздуха в реакторе 311,22 с, что хорошо согласуется с данными гидродинамического расчета реактора - 311,7 с (табл.1). При этом конечная концентрация кислорода в потоке отработанного газа на выходе из реактора окисления составляет всего 0,0665% об. против 5% об. в прототипе, что свидетельствует о большей эффективности заявляемого способа получения битума по сравнению с прототипом; дополнительным преимуществом является возможность повышения глубины окисления гудрона без подвода в процесс дополнительного количества воздуха или сокращения расхода воздуха на 19,2% при сохранении глубины окисления гудрона.Example 7. Modeling the operation of the oxidation reactor according to the claimed invention on the basis of example 6. Since the hydrodynamics of the oxidation reactor according to the prototype is close to the ideal displacement model, taking, according to industrial data, the decrease in oxygen concentration in the air in contact with the tar from the reactor from 21 to 5% about. and the estimated contact time of air bubbles with tar 117.8 sec (Table 1) was calculated, according to the mathematical model of the ideal displacement reactor for stationary conditions of its operation, the reaction rate constant for the interaction of oxygen with tar, which amounted to 0.028 s -1 for the prototype. Since in the oxidation reactor according to the claimed invention, as shown by experiments (examples 1-4), there is a more intense dispersion of air bubbles with a diameter of 0.005 m versus 0.01 m in the prototype, then, as the calculations showed, in the claimed invention, the interface proportional to the number and diameter of air bubbles, also twice as much as in the prototype. The increase in the interface leads to a corresponding proportional increase in the rate of reaction of oxygen consumption during the oxidation of the tar. This allowed us to take the reaction rate constant of the reaction of interaction of oxygen with tar in the oxidation reactor according to the invention equal to 0.056 s -1 . Since each reaction zone of the oxidation reactor containing elements of a diffuser, cylindrical, and confuser configuration is close to the ideal mixing model, the hydrodynamics of the oxidation reactor according to the claimed invention having three such reaction zones can be considered as a cell model for a cascade of three ideal mixing reactors. Using the mathematical model of a cascade of three ideal mixing reactors, taking into account the kinetics of the oxygen consumption reaction during the oxidation of the tar for stationary conditions of the oxidation reactor, the residence time of the reaction system in each section of the reactor was calculated by iteration, which amounted to 103.74 s and the total residence time of air bubbles was determined in the reactor 311.22 s, which is in good agreement with the data of the hydrodynamic calculation of the reactor - 311.7 s (Table 1). In this case, the final oxygen concentration in the exhaust gas stream at the outlet of the oxidation reactor is only 0.0665% vol. against 5% vol. in the prototype, which indicates a greater efficiency of the proposed method for producing bitumen compared with the prototype; an additional advantage is the ability to increase the depth of oxidation of the tar without introducing additional air into the process or reduce air consumption by 19.2% while maintaining the depth of oxidation of the tar.
Пример 8. Каталитическая очистка от органических примесей выходящего из реактора окисления отработанного воздуха в термокаталитическом реакторе пластинчатого типа с нанесенным на поверхность пластин катализаторного покрытия позволяет улучшить технико-экономические показатели установки для получения битума, поскольку практически исключаются затраты на природоохранные мероприятия, связанные с зашитой окружающей среды. Катализаторные покрытия, содержащие в небольших количествах платину, нанесенную на инертный носитель, обеспечивают полное глубокое окисление паров углеводородов, которые находятся в отработанном газе, до диоксида углерода и воды уже при 200°C, то есть не требуется дополнительный нагрев отработанного газа от 200°C до 1500°C для его термического обезвреживания в печи дожига при 1500°C, что приводит к существенной экономии топлива. Так, для рассматриваемой в примере 6 установки для получения битума с расходом воздуха на окисление 600 м3/ч при эксплуатации установки в течение 350 суток в году для термического обезвреживания отработанного газа потребуется потратить более 204 тонн топлива с теплотворной способностью 8000 ккал/кг. При использовании в термокаталитическом реакторе дешевых оксидных катализаторов потребуется дополнительный подогрев отработанного газа после реактора окисления от 200°C до 330°C в топке, на что израсходуется только 20 тонн топлива в течение года.Example 8. Catalytic purification of organic impurities from the exhaust air from the oxidation reactor in a plate-type thermocatalytic reactor with a catalyst coating deposited on the surface of the plates allows to improve the technical and economic performance of the installation for producing bitumen, since the costs of environmental measures related to the protected environment are practically eliminated . Catalyst coatings containing small amounts of platinum deposited on an inert support provide complete deep oxidation of hydrocarbon vapors that are in the exhaust gas to carbon dioxide and water already at 200 ° C, that is, additional heating of the exhaust gas from 200 ° C is not required up to 1500 ° C for its thermal neutralization in the afterburner at 1500 ° C, which leads to significant fuel savings. So, for the installation for producing bitumen with an air flow rate of oxidation of 600 m 3 / h, considered in Example 6, when the plant is operated for 350 days a year, more than 204 tons of fuel with a calorific value of 8000 kcal / kg will be required for thermal neutralization of the exhaust gas. When using cheap oxide catalysts in a thermocatalytic reactor, additional heating of the exhaust gas after the oxidation reactor from 200 ° C to 330 ° C in the furnace will be required, which will consume only 20 tons of fuel during the year.
Пример 9. Основной особенностью заявляемого изобретения является большое число степеней свободы ее функционирования, позволяющих за счет сочетания варьируемых технологических параметров получать битум одной из необходимых современных марок (таблица 2) при наличии в составе установки для получения битума одного реактора или несколько марок битума при наличии нескольких реакторов окисления. Качество каждой из получаемых марок битума (например, дорожного или кровельного битума) на установке с несколькими реакторами окисления обеспечивается при условии постоянства характеристик исходного сырья, по крайней мере, не менее 8-ю степенями свободы:Example 9. The main feature of the claimed invention is a large number of degrees of freedom of its functioning, which allows, due to a combination of variable technological parameters, to obtain bitumen of one of the necessary modern grades (table 2) if there is one reactor or several grades of bitumen in the installation for producing bitumen oxidation reactors. The quality of each of the obtained grades of bitumen (for example, road or roofing bitumen) in an installation with several oxidation reactors is ensured provided that the characteristics of the feedstock are constant, at least at least 8 degrees of freedom:
- варьированием производительности реактора окисления по углеводородному сырью;- varying the performance of the oxidation reactor for hydrocarbons;
- варьированием расхода воздуха, поступающего в реактор окисления;- varying the flow rate of air entering the oxidation reactor;
- варьированием временем окисления сырья в реакторе;- varying the oxidation time of the feed in the reactor;
- температурой процесса окисления углеводородов в реакторе окисления;- the temperature of the process of oxidation of hydrocarbons in the oxidation reactor;
- давлением в реакторе окисления;- pressure in the oxidation reactor;
- регулированием расходов циркулирующих потоков битума по высоте реактора окисления;- regulation of the flow of circulating bitumen flows along the height of the oxidation reactor;
- регулированием температуры циркулирующих потоков битума по высоте реактора окисления;- controlling the temperature of the circulating bitumen flows along the height of the oxidation reactor;
- варьированием соотношения окисляемой и неокисляемой частей сырья процесса получения битума;- varying the ratio of oxidizable and non-oxidizable parts of the raw materials of the process for producing bitumen;
- регулированием подачи воздуха совместно с сырьем на входе в змеевик печи для осуществления предокисления;- regulation of the air supply together with the raw material at the inlet to the furnace coil for preoxidation;
- проведением процесса окисления окисляемой части сырья последовательно в двух или трех реакторах окисления.- carrying out the oxidation process of the oxidizable part of the feed in series in two or three oxidation reactors.
Кроме того, имеется дополнительная девятая степень свободы, обусловленная варьированием состава сырья за счет компаундированием его из различных фракций и/или применения различных добавок.In addition, there is an additional ninth degree of freedom, due to the variation in the composition of the raw material due to compounding it from various fractions and / or the use of various additives.
Таким образом, благодаря совершенствованию способа и установки для получения битума снижается концентрация кислорода в потоке отработанного газа на выходе из реактора окисления, интенсифицируется работа реактора окисления, возрастает технологическая гибкость установки, позволяющая повышать глубину окисления гудрона без подвода в процесс дополнительного количества воздуха, или сокращать расход воздуха при сохранении глубины окисления гудрона, или производить на установке одновременно ряд различных марок битумов, повышаются гарантии надежной выработки заданных свойств требуемой марки битума, в том числе имеющей самые высокие требования по ее качеству, улучшаются технико-экономические показатели установки за счет прекращения расходования топлива для обезвреживания отработанного газа.Thus, by improving the method and installation for producing bitumen, the oxygen concentration in the exhaust gas stream at the outlet of the oxidation reactor decreases, the operation of the oxidation reactor is intensified, the technological flexibility of the installation increases, which allows increasing the oxidation depth of the tar without introducing additional air into the process, or reducing consumption air while maintaining the depth of oxidation of the tar, or to produce at the same time a number of different grades of bitumen at the installation, the guarantor increases and reliable development of the desired properties of the required grade of bitumen, including one having the highest requirements for its quality, the technical and economic indicators of the installation are improved due to the cessation of fuel consumption for neutralization of exhaust gas.
Claims (67)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013133586/05A RU2562483C9 (en) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | Method and device for bitumen production |
PCT/RU2014/000591 WO2015009208A1 (en) | 2013-07-18 | 2014-08-07 | Method and apparatus for producing bitumen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013133586/05A RU2562483C9 (en) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | Method and device for bitumen production |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013133586A RU2013133586A (en) | 2015-01-27 |
RU2562483C2 RU2562483C2 (en) | 2015-09-10 |
RU2562483C9 true RU2562483C9 (en) | 2015-10-20 |
Family
ID=52346538
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013133586/05A RU2562483C9 (en) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | Method and device for bitumen production |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2562483C9 (en) |
WO (1) | WO2015009208A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2705337C1 (en) * | 2018-12-03 | 2019-11-06 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" | Road bitumen synthesis method |
RU2752591C1 (en) * | 2020-02-26 | 2021-07-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" | Method for producing road bitumen |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111218295B (en) * | 2020-03-06 | 2024-01-30 | 中冶焦耐(大连)工程技术有限公司 | Gas forward circulation falling film cooling method and device |
CN113046122A (en) * | 2021-03-24 | 2021-06-29 | 淄博科泉新材料科技有限公司 | Process for producing high-grade road asphalt by adopting catalytic cracking slurry oil |
CN114405433A (en) * | 2022-02-18 | 2022-04-29 | 宝武碳业科技股份有限公司 | Multi-stage reaction device and preparation method of mesophase pitch for high-purity spinning |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2187752A (en) * | 1986-03-14 | 1987-09-16 | British Petroleum Co Plc | Process for the production of bitumen |
WO1994006887A1 (en) * | 1992-09-23 | 1994-03-31 | Neste Oy | Process of oxidation of bitumen or the like |
RU2258730C1 (en) * | 2004-04-29 | 2005-08-20 | Государственное унитарное предприятие "Институт нефтехимпереработки" Республики Башкортостан | Bitumen manufacture process |
RU2276181C1 (en) * | 2004-10-12 | 2006-05-10 | ОАО "Средневолжский научно-исследовательский институт по нефтепереработке" | Bitumen production process |
RU101709U1 (en) * | 2010-09-06 | 2011-01-27 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инженерно-Технологический Центр Оникс" | BITUMEN INSTALLATION |
RU2476580C2 (en) * | 2010-02-08 | 2013-02-27 | ОАО "Средневолжский научно-исследовательский институт по нефтепереработке" | Bitumen obtaining method |
-
2013
- 2013-07-18 RU RU2013133586/05A patent/RU2562483C9/en active
-
2014
- 2014-08-07 WO PCT/RU2014/000591 patent/WO2015009208A1/en active Application Filing
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2187752A (en) * | 1986-03-14 | 1987-09-16 | British Petroleum Co Plc | Process for the production of bitumen |
WO1994006887A1 (en) * | 1992-09-23 | 1994-03-31 | Neste Oy | Process of oxidation of bitumen or the like |
RU2258730C1 (en) * | 2004-04-29 | 2005-08-20 | Государственное унитарное предприятие "Институт нефтехимпереработки" Республики Башкортостан | Bitumen manufacture process |
RU2276181C1 (en) * | 2004-10-12 | 2006-05-10 | ОАО "Средневолжский научно-исследовательский институт по нефтепереработке" | Bitumen production process |
RU2476580C2 (en) * | 2010-02-08 | 2013-02-27 | ОАО "Средневолжский научно-исследовательский институт по нефтепереработке" | Bitumen obtaining method |
RU101709U1 (en) * | 2010-09-06 | 2011-01-27 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инженерно-Технологический Центр Оникс" | BITUMEN INSTALLATION |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Г.Я.ХАИМОВ, "Применение и транспортирование нефтяных битумов", "Химия", М., 1968, стр. 13-27. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2705337C1 (en) * | 2018-12-03 | 2019-11-06 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" | Road bitumen synthesis method |
RU2752591C1 (en) * | 2020-02-26 | 2021-07-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" | Method for producing road bitumen |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2562483C2 (en) | 2015-09-10 |
RU2013133586A (en) | 2015-01-27 |
WO2015009208A1 (en) | 2015-01-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2562483C9 (en) | Method and device for bitumen production | |
US8981135B2 (en) | Process for producing biodiesel through lower molecular weight alcohol-targeted cavitation | |
Krishna | A scale-up strategy for a commercial scale bubble column slurry reactor for Fischer-Tropsch synthesis | |
CN102170963A (en) | Process and apparatus for mixing a fluid within a vessel | |
CS217968B2 (en) | Reactor for oxydation of the alkylaromate in the liquid phase under utilization of tha gs containing the oxygen | |
Zhang et al. | Advances in airlift reactors: modified design and optimization of operation conditions | |
WO2018111149A1 (en) | Method of activating a catalyst, reactor, and method of obtaining hydrocarbons in the fischer-tropsch process | |
CN104151119A (en) | Method for preparing isooctane by deep processing of n-butane | |
RU2738849C1 (en) | Apparatus for growing microorganisms | |
Papari et al. | DME direct synthesis from syngas in a large-scale three-phase slurry bubble column reactor: transient modeling | |
Kuzmin | Confined multiphase swirled flows in chemical engineering | |
RU2010132854A (en) | METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING MIDDLE DISTILLATE FROM HYDROCARBON-CONTAINING ENERGY CARRIERS | |
US9187325B2 (en) | Molten salt rolling bubble column, reactors utilizing same and related methods | |
Li et al. | Review on the effect of gas distributor on flow behavior and reaction performance of the bubble/slurry reactors | |
WO2014168889A1 (en) | Molecular reorganization of fuel through hydrodynamic cavitation | |
CN109679684A (en) | A kind of liquid-phase hydrogenatin reaction system and method | |
US8486233B2 (en) | Apparatus, process and system for delivering fluid to a distillation column or reactor | |
CN102806061B (en) | Butane oxidation reactor | |
Liu et al. | Region-dependent mass transfer behavior in a forced circulation airlift loop reactor | |
CN209024464U (en) | A kind of system of catalytic cracking | |
RU156117U1 (en) | DEVICE FOR PREPARING A COMPOSITE MINERAL ORGANIC BIOFUEL OF THE THIRD GENERATION | |
RU2762549C1 (en) | Method for processing liquid hydrocarbonic paraffinic raw materials | |
CN105542842A (en) | Liquid phase hydrogenation reaction apparatus, system thereof, and continuous liquid phase hydrogenation method | |
RU2782934C1 (en) | Plant for the treatment of liquid hydrocarbon waxy raw materials | |
RU2785511C2 (en) | Oxidizing column and method for production of petroleum bitumen |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TH4A | Reissue of patent specification | ||
TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 25-2015 FOR TAG: (72) |
|
HE4A | Notice of change of address of a patent owner |
Effective date: 20190702 |