Реактор для окисления нефтепродуктов
Предлагаемое устройство относится к газожидкостным реакторам непрерывного действия с противоточным движением фаз. Предлагаемое устройство может также использоваться в качестве тепло - и массообменного аппарата при непосредственном контакте жидкой и газовой (или паровой) фазами. Особенно эффективно его применение в процессе окисления нефтепродуктов кислородом воздуха при получении окисленных битумов из гудронов, экстрактов селективной очистки масел, асфальтов процесса деасфальтизации гудронов и их смесей.
Реактор состоит из вертикального цилиндрического корпуса, в котором трубопровод ввода сырья соединен с инжектором, расположенным соосно корпусу над уровнем сырья в реакторе, а диффузор этого инжектора погружен в сырье. Трубопровод подачи воздуха соединен с инжектором, расположенным в нижней части реактора соосно корпусу. Диффузоры инжекторов подачи сырья и воздуха снабжены отражателями. В центральной части реактора установлено пульсационное перемешивающее устройство, соединенное с генератором пневматических импульсов, расположенным вне реактора.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков этого устройства, является получение битумов заданного качества при снижении удельного расхода подаваемого на окисление воздуха и повышении эффективности его использования (сокращении содержания кислорода в газах окисления) наряду с повышением диапазона стабильной работы реактора при изменении его загрузки по сырью.
Заявленное техническое решение относится к газожидкостным реакторам непрерывного действия с противоточным движением фаз. Предлагаемое устройство может также использоваться в качестве тепло- и массообменного аппарата при непосредственном контакте жидкой и газовой (или паровой) фазами. Особенно эффективно его применение в процессе окисления нефтепродуктов кислородом воздуха при получении окисленных битумов из гудронов, экстрактов селективной очистки масел, асфальтов процесса деасфальтизации гудронов и их смесей.
Из существующего уровня техники известен реактор для окисления нефтепродуктов (Пат.2203132 РФ, 2003 г.), в котором повышение эффективности процесса достигается за счет усиления межфазного взаимодействия и увеличения времени контакта фаз путем применения инжекторов с отражателями, через которые производится подача сырья и воздуха.
Недостатком этого реактора является то, что внедрение предлагаемого устройства решает вопрос развития поверхности контакта фаз и интенсификации их перемешивания только в нижней и верхней зоне реакторного объема. Отсутствие гидромеханического воздействия в центральной зоне реактора приводит к коалесценции пузырьков газовой фазы, образованию струйного движения встречных потоков (газового и жидкого). Возникающие вертикальные циркуляционные контуры в центральной части аппарата, переносят не прореагировавшие массы по высоте колонны. Следствием этого является снижение эффективности работы реактора, выражающееся в повышении удельного расхода воздуха для получения битума требуемой марки и увеличении содержания кислорода в газах окисления.
Диапазон наиболее эффективной работы инжекторов ограничен. Поэтому при снижении загрузки реактора по сырью, которое сопровождается сокращением количества требуемого воздуха, сырьевой и воздушный инжекторы могут прейти в режим работы, при котором происходит недостаточное диспергирование и перемешивание фаз. Это ухудшает работу центральной части реактора в связи с усилением струйного движения фаз и образованием циркуляционных контуров. Режим работы реактора в целом становится не стабильным, в частности возникают трудности с поддержанием устойчивого температурного профиля по высоте аппарата.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в получении битумов заданного качества при снижении удельного расхода подаваемого на окисление воздуха и повышении эффективности его использования (сокращении содержания кислорода в газах окисления) наряду с повышением диапазона стабильной работы реактора при изменении его загрузки по сырью.
Данная задача решается за счет того, реактор состоит из вертикального цилиндрического корпуса, в котором трубопровод ввода сырья соединен с инжектором, расположенным соосно корпусу над уровнем сырья в реакторе, а диффузор этого инжектора погружен в сырье, трубопровод подачи воздуха соединен с инжектором, расположенным в нижней части реактора соосно корпусу, диффузоры инжекторов подачи сырья и воздуха снабжены отражателями, причем в центральной части реактора установлено пульсационное перемешивающее устройство, соединенное с генератором пневматических импульсов, расположенным вне реактора.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является получение битумов заданного качества при снижении удельного расхода подаваемого на окисление воздуха и повышении эффективности его использования (сокращении содержания кислорода в газах окисления) наряду с повышением диапазона стабильной работы реактора при изменении его загрузки по сырью.
Сущность технического решения поясняется фиг.1, 2, 3 на которых схематично изображен реактор и показаны узлы ввода сырья и воздуха через соответствующие инжекторы, а также основные потоки газа и жидкости в зоне их установки.
На фиг.4, 5 представлена схема пульсационной камеры (пульскамеры) пульсационного перемешивающего устройства, расположенной в центральной части реактора, и направления потоков газо-жидкой смеси во время импульса и выхлопа воздуха, создаваемых генератором пневматических импульсов - пульсатором, установленным вне реактора.
В верхней части цилиндрического корпуса 1 реактора (фиг.1, 2) соосно установлен инжектор ввода сырья, состоящий из приемной камеры 2, камеры смешения 3, диффузора 4 и рабочего сопла 5, соединенного с внешней линией подачи сырья трубопроводом 6. К приемной камере 2 присоединен патрубок 7 с отверстиями, выходящий в пространство над уровнем сырья в реакторе. Диффузор 4, к которому крепится отбойник 8, погружен в газожидкую среду, заполняющую реактор.
Инжектор ввода воздуха находится в нижней части реактора (фиг.1, 3) и также установлен соосно с корпусом 1. Инжектор состоит из приемной камеры 9, камеры смешения 10, диффузора 11 и рабочего сопла 12, соединенного с внешней линией подачи воздуха трубопроводом 13. К диффузору 11 крепится отбойник 14.
Сырье 15 и воздух 16 подаются через штуцеры, расположенные в цилиндрической части реактора. Окисленный битум 17 и газы окисления 18 отводятся через штуцеры в нижнем и верхнем днище, соответственно.
В центральной части реактора (фиг.1) соосно расположена пульсационная камера (пульскамера) 19, которая в сочетании с генератором пневматических импульсов (пульсатором) 20 представляет собой пульсационное перемешивающее устройство. Пульскамера состоит из трубы 21, заглушенной в верхней части крышкой, с которой соединен трубопровод подачи пневматических импульсов 22.
Труба 21 помещается в кожух 23, оснащенный патрубками-соплами 24, расположенными по периметру и высоте кожуха. Патрубок-сопло 25 расположен в нижней крышке кожуха 23.
Принцип работы реактора, основой которого является применение инжекторов подачи сырья и воздуха, и оснащенного пульсационным перемешивающим устройством, заключается в следующем.
Непрерывно подаваемые в реактор сырье 15 и воздух 16 (фиг.2, 3) попадают через соответствующие инжекторы в верхнюю и нижнюю части корпуса 1. Между зонами установки инжекторов сырье и диспергированный воздух совершают противоточное движение. Образовавшиеся в процессе реакции газы окисления 18 после достижения уровня сырья в реакторе покидают реакционное пространство и отводятся из аппарата. Битум 17, полученный в процессе окисления сырья кислородом воздуха, откачивают из нижней части реактора.
Сырье 15 (фиг.2), поступающее с высокой скоростью через сопло 5 в сужающуюся часть приемной камеры 2 инжектора ввода сырья, создает в полости этой камеры разряжение. В результате по патрубку 7, соединяющему инжектор с частью реактора, не заполняемой сырьем, инжектируются газы окисления, содержащие не прореагировавший кислород.
Образующаяся в сырьевом инжекторе газожидкая смесь в виде высокоскоростного потока из диффузора 4 поступает на отражатель 8.
Инжектирование части газов окисления струей входящего в реактор сырья приводит к тому, что этот газовый поток, содержащий не прореагировавший кислород, снова попадает в реакционное пространство аппарата, повышая эффективность использования применяемого воздуха, о чем можно судить по снижению концентрации кислорода в газах окисления 18.
Кроме того, интенсифицируется перемешивание в верхней части реактора. Объем инжектируемых газов окисления значительно превосходит объем поступающего сырья и образующийся суммарный газожидкостной поток, выходящий из диффузора 4 с большой скоростью, отражателем 8 направляется к периферии поперечного сечения корпуса реактора, смешиваясь с восходящим газовоздушным потоком из нижней части аппарата. Часть сырья, увлекаемого вверх потоком инжектируемых газов окисления, образует циркулирующий поток среды в верхней зоне реактора. В сочетании с интенсификацией перемешивания это способствует более полному окислению сырьевого потока в этой зоне.
Воздух 16 (фиг.3), поступающий с высокой скоростью через сопло 12 в сужающуюся часть приемной камеры 9 инжектора подачи воздуха, создает в полости этой камеры разрежение. В результате часть сырьевого потока с газовоздушной смесью, находящейся в этой зоне, инжектируются в приемную камеру 9. Образующаяся газожидкостная смесь через смеситель 10 и диффузор 11 в виде высокоскоростного потока подается на отражатель 14, распределяющий ее по поперечному сечению реактора. Высокая степень диспергирования подаваемого воздуха, перемешивание струями отраженного потока и восходящим газовоздушным потоком, многократная циркуляция воздуха, увлекаемого в эжектор в составе газожидкостной смеси, обеспечивают интенсификацию процесса окисления в зоне подачи в реактор воздуха.
Использование энергии входящих в реактор потоков за счет применения струйной техники - инжекторов позволяет повысить степень диспергирования фаз в реакционном объеме, интенсифицировать процесс перемешивания в зонах подачи сырья и воздуха, а также создать циркуляционные потоки в этих зонах, обеспечивая многократное контактирование реагирующих фаз. При этом в основном объеме аппарата сохранено противоточное движение сырья и воздуха.
Пульсатор 20 (фиг.1.), соединенный с трубопроводом подачи в него сжатого воздуха 26, преобразует поступающий в пульсатор непрерывный поток воздуха в пневматические импульсы - пульсацию.
Пульсатор 20 в первой части цикла создает импульс давления в пульскамере за счет соединения трубопровода 26 с трубопроводом 22 (и далее с полостью трубы 21 пульскамеры 19). Поступление воздуха из трубопровода 26 в трубопровод 27 в это время отключено пульсатором 20.
Во второй части цикла производится сброс избыточного давления (выхлоп) из пульскамеры путем соединения пульсатором 20 трубопровода 22 с трубопроводом 27. Вход сжатого воздуха из трубопровода 26 в трубопровод 22 в это время отключен пульсатором 20.
Выхлоп воздуха по трубопроводу 27 производится в зону выхода газожидкого потока из диффузора сырьевого инжектора.
При создании импульса давления в трубе 21 пульсационной камеры уровень газо-жидкой среды в ней резко опускается (фиг.4). При этом происходит высокоскоростное истечение вытесняемой среды через горизонтальные сопла 24 и вертикальное сопло 25.
При выхлопе воздуха из полости трубы 21 (фиг.5) происходит наполнение кожуха 23 и, соответственно, трубы 21 средой из реактора через сопла 24 и 25. Обратное движение среды в пульскамеру обусловлено разностью уровня установки пульскамеры и линии выхлопа воздуха в реактор.
Циклически повторяющееся движение в пульскамеру и из нее через сопла обеспечивают перемешивание в центральной части реактора. Расход воздуха на пульсацию составляет 120-140 нм3/ч, что, как правило, составляет 5-7% от общего расхода воздуха, требуемого для окисления сырья.
Создание гидромеханического воздействия в центральной зоне реактора приводит к дополнительному диспергированию пузырьков газовой фазы, предотвращению струйного движения встречных потоков (газового и жидкого). Отсутствие циркуляционных контуров в центральной части аппарата, предотвращает перенос не прореагировавших масс по высоте колонны. Следствием этого является повышение эффективности работы реактора, выражающееся в снижении удельного расхода воздуха для получения битума требуемой марки и уменьшение содержания кислорода в газах окисления.
При получении дорожных битумов заданного качества повышается производительность аппарата по сырью на 20-25% наряду со снижением удельного расхода воздуха (в расчете на одну тонну сырья) на 15-20% и повышением эффективности его использования - сокращением содержания кислорода в газах окисления по сравнению с реактором, соответствующим существующему уровню техники. Диапазон эффективной работы реактора при изменении его загрузки по сырью повышается на 30-35%.
Улучшение гидродинамического и температурного режимов в аппарате, а также более равномерное распределение газо-воздушного потока в реакционном объеме приводит к предотвращению получения переокисленных компонентов - возможности получения битума повышенного качества с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Реактор для окисления нефтепродуктов, характеризующийся тем, что он состоит из вертикального цилиндрического корпуса, в котором трубопровод ввода сырья соединен с инжектором, расположенным соосно корпусу над уровнем сырья в реакторе, а диффузор этого инжектора погружен в сырье, трубопровод подачи воздуха соединен с инжектором, расположенным в нижней части реактора соосно корпусу, диффузоры инжекторов подачи сырья и воздуха снабжены отражателями, причем в центральной части реактора установлено пульсационное перемешивающее устройство, соединенное с генератором пневматических импульсов, расположенным вне реактора.
