Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ аппаратурного оформления и гидродинамики процесса окисления нефтяных остатков. основные задачи исследования 9
1.1. Описание, классификация, анализ аппаратов для окисления нефтяных остатков 9
1.1.1. Аппараты периодического действия 9
1.1.2. Трубчатые реакторы непрерывного действия 11
1.1.3. Барботажные аппараты колонного типа 12
1.1.3.1. Колонны с модифицированными узлами ввода воздуха и сырья 14
1.1.3.2. Способы поперечного секционирования окислительных колонн 20
1.1.3.3. Газлифтные барботажные колонны 23
1.1.3.4. Реакторы с механическим диспергированием газа 25
1.2. Описание и анализ схем работы барботажных колонных реакторов производства битумов 27
1.3. Влияние параметров процесса окисления на эффективность работы барботажных колонн 29
1.4. Структура барботажного слоя в полых барботажных колоннах 31
1.4.1. Режимы барботажа 31
1.4.2. Газосодержание барботажного слоя 33
1.4.3. Характеристики пузырьков газа 36
1.4.4. Площадь поверхности контакта фаз 37
1.4.5. Перемешивание жидкости 38
1.4.6. Структура потоков газовой фазы 39
1.4.7. Особенности структуры газо-жидкостного слоя в барботажных реакторах производства битумов 40
1.5. Выводы и постановка задач исследования 41
1.5.1. Анализ эффективности современных реакторов производства окисленных битумов 41
1.5.2. Сопоставление современных представлений о структуре газо-жидкостного слоя в реакторах для производства битумов и в барботажных колоннах других процессов 47
1.5.3. Основные задачи исследования 49
ГЛАВА 2. Исследование режимов барботажа и структуры барботажного слоя в системах «нефтепродукт-воздух» 50
2.1. Описание экспериментальной установки 50
2.2. Методика идентификации изменения режима барботажа 52
2.3. Исследование структуры барботажного слоя методом динамического вывода газа 54
2.4. Разработка математической модели обработки данных с учетом мультимодального распределения пузырьков по размерам 56
2.5. Результаты исследования режима барботажа в системах «нефтепродукт-воздух» 59
2.6. Характеристики барботажного слоя в системах нефтепродукт-воздух 62
Выводы 65
ГЛАВА 3. Интенсификация взаимодействия жидкости и газа в барботажных колонных реакторах производства нефтяных битумов 67
3.1. Теоретические предпосылки интенсификации взаимодействия жидкости и газа в барботажных колонных реакторах 67
3.2. Вопросы гидродинамики секционированных барботажных колонн 71
3.3. Исследование работы барботажных реакторов, с секционирующими перегородками, работающими в «затопленном» режиме 74
3.3.1. Описание экспериментальной установки 74
3.3.2. Методики экспериментальных исследований и обработки результатов 75
3.3.3. Результаты изучения структуры барботажного слоя в секционированном барботажном реакторе 79
3.3.4. Локальные характеристики газо-жидкостного слоя 83
3.4. Характер изменения удельной ПКФ под секционирующей перегородкой 87
3.5. Закономерности формирования слоя газа под секционирующей перегородкой 92
Выводы 95
ГЛАВА 4. Моделирование и экспериментальное исследование структуры потоков жидкости в секционированных барботажных колонных реакторах 96
4.1. Продольное перемешивание жидкости в секционированных барботажных колонных реакторах 96
4.2. Структурная схема работы секционированного барботажного реактора производства битумов 97
4.3. Моделирование структуры потоков жидкости в секционированном барботажном реакторе производства нефтяных битумов 100
4.4. Экспериментальное исследование структуры потоков жидкости в секционированной барботажной колонне 104
4.4.1. Описание экспериментальной установки 104
4.4.2. Методика экспериментального исследования и обработки результатов 105
4.4.3. Результаты экспериментального исследования и оптимизация структуры потоков жидкости в секционированном барботажном реакторе 106
Выводы 110
ГЛАВА 5. Совершенствование барботажных реакторов в производстве нефтяных битумов 112
5.1. Конструктивные особенности секционированных барботажных реакторов 112
5.2. Модернизация окислительных колонн в производстве дорожных битумов в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» 114
5.3. Модернизация окислительных колонн в производстве строительных битумов в ООО
«ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» 117
Заключение 122
Список литературы
- Колонны с модифицированными узлами ввода воздуха и сырья
- Методика идентификации изменения режима барботажа
- Исследование работы барботажных реакторов, с секционирующими перегородками, работающими в «затопленном» режиме
- Экспериментальное исследование структуры потоков жидкости в секционированной барботажной колонне
Колонны с модифицированными узлами ввода воздуха и сырья
В 1920-1930 гг. в США для получения окисленных битумов вместо кубов периодического действия Киршбрауном были предложены непрерывно действующие трубчатые змеевики [29]. Первоначально конструкция предполагала прохождение газожидкостной смеси через ряд горизонтально расположенных труб диаметром 4 дюйма и общей длиною 600-800 футов, соединенных крутоизогнутыми отводами, и её последующее разделение в сепараторе. Такая конструкция применялась совместно с горизонтальным кубом и оснащалась камерой огневого подогрева.
Впоследствии данная система была значительно усовершенствована [30]. Аппарат состоял из нескольких пакетов наклонных труб диаметром 4-6 дюймов и длиною 20-30 футов каждая, закрепленных в трубной решетке, в каждую трубу по оси инжектировался воздух из общего коллектора. Камера огневого подогрева исключена, товарный битум выводился из горизонтального куба, расположенного над пакетами труб.
В СССР метод пенного окисления нефтяных остатков в трубчатых змеевиковых реакторах был предложен в 1950-1960 гг. [4]. Суть метода также заключалась в одновременной непрерывной подаче нагретого исходного сырья, воздуха и, в определенном соотношении, циркулирующего жидкого продукта в змеевик реактора, с дальнейшим сепарированием жидких и газообразных продуктов окисления в отдельном аппарате. Содержание кислорода в отработанных газах при соблюдении определенных условий окисления (температура 270-280 С, содержание жидкости в газожидкостном потоке не менее 6,5 – 8 % об.) для данной схемы не превышает 3%, что говорит о её эффективности [31, 32].
Обычно змеевиковый реактор представлял собою ряд вертикально расположенных труб диаметром 150-200 мм толщиною 6-7 мм, соединенных между собой «калачами», общая длина змеевика составляла 200-250 м. Все трубы монтировались в общем цилиндрическом кожухе, который для снятия тепла реакции обдувается вентилятором [33]. Выдвигались различные предложения по улучшению работы трубчатых окислителей.
Например, для дополнительного перемешивания реагирующих фаз в работе [34] было предложено монтировать внутри труб кольца, расположенные друг от друга на расстоянии 7-10 диаметров трубы. Роль колец заключалась в предотвращении расслоения газожидкостного потока в трубах. Однако сообщается об одинаковой эффективности работы реакторов с внутренними кольцами и без них [4].
В США была предложена конструкция аналогичная вышеописанной, но вместо колец для турбулизации потока в ней используются насадочные элементы. Это в сочетании с рассчитанной кратностью циркуляции должно позволить значительно сократить требуемую длину реакционных труб [35].
Основными недостатками змеевиковых реакторов являются высокая металлоемкость и малая эффективность использования второй половины змеевика по сравнению с первой [4]. Также к минусам данной конструкции можно отнести необходимость чередования восходящих и нисходящих потоков смеси газа и сырья. При этом нисходящее движение смеси нежелательно. Для окисления в трубчатом реакторе требуется воздух более высокого давления, велик расход рециркулята, такое оборудование сложнее в эксплуатации [36].
Сообщается, что в прошлом такие реакторы находили достаточно широкое применение в отечественной нефтеперерабатывающей промышленности, однако из-за перечисленных недостатков и постепенного изменения состава перерабатываемых нефтей от них вынуждены были отказаться [37].
Барботажные колонные реакторы, как уже указывалось, на данный момент наиболее распространены среди окислительных аппаратов производства битумов.
В США и Западной Европе для окисления нефтяных остатков этот тип аппаратов использовался уже в 1950-1960 гг. [38-40]. В СССР внедрение окислительных колонн началось в 1970-х годах после отработки данной технологии под руководством Р.Б. Гуна на опытно-промышленной установке Московского НПЗ [41]. Первоначально предлагалось использовать их лишь с целью предварительного окисления сырья для дорожных марок [42]. Позднее выяснилось, что колонны могут применяться как самостоятельные аппараты [43], в том числе для производства строительных [44, 45] и кровельных [46-48] битумов. Типичная окислительная колонна представляет собою вертикальный цилиндрический сосуд (рисунок 1.3) диаметром от 2,2 до 3,8 м, высотою от 10 до 30 м, снабженный штуцерами для ввода сырья и оксиданта, вывода продукта и газов окисления, подачи водяного пара и размещения контрольно-измерительных приборов [4, 49-51]. Для диспергирования воздуха внутри монтируется маточник или другое устройство. Аппарат может работать заполненным жидкостью частично либо полностью. В последнем случае для разделения жидких и газообразных продуктов окисления служит выносной сепаратор. Производительность колонн, как правило, составляет 10-40 м3/ч, температура в зоне реакции - 220-290 С, удельная нагрузка по воздуху - 4-6 м3/(м2-мин) [4].
Главными достоинствами окислительных реакторов колонного типа являются высокая производительность, легкость автоматизации, малая удельная металлоемкость, высокое качество продуктов. Кроме того, данные аппараты могут быть легко технологически скомпонованы с окислителями другого типа.
Среди недостатков колонн стоит отметить повышенное содержание кислорода в отходящих газах [52] и необходимость использования высоких температур окисления при производстве строительных и тугоплавких марок битумов [53], а так же высокую вероятность отложения кокса в устройствах диспергирования воздуха и на внутренней поверхности корпуса [54]. Исходя из отмеченных недостатков, можно выделить основные направления в совершенствовании работы окислительных колонн: - уменьшение температуры процесса, за счет чего улучшится качество вырабатываемой продукции (соотношение пенетрации и температуры размягчения, термическая и термоокислительная устойчивость) [55-57] и снизится отложение твердых частиц на внутренних поверхностях аппарата; - увеличение потребления кислорода в реакциях окисления, что позволит одновременно снизить расход сжатого воздуха и уменьшить пожарную опасность производства.
Интенсификация работы окислительных колонн осуществляется за счет применения комплекса мер, направленных на организацию внутренних газожидкостных потоков. Это достигается внедрением более рациональных схем ввода исходных реагентов и вывода продуктов, применением внутренних устройств, интенсифицирующих контакт газа и жидкости, иногда использованием внешней циркуляции жидкости насосом [58- 60].
Методика идентификации изменения режима барботажа
Интенсифицировать контакт газа и жидкости в основном реакционном объеме позволит установка перфорированных перегородок в средней части колонны. Как показывают некоторые исследования, это приводит к росту газосодержания и ПКФ по сравнению с полым аппаратом [261, 262].
Секционирующие перегородки достаточно просты по конструкции, не требуют больших затрат при изготовлении и монтаже. По сравнению с насадкой они менее склонны к формированию на них твердых отложений, что подтверждает, например, опыт их длительной эксплуатации в кристаллизующихся средах производства кальцинированной соды [263]. Кроме того, разработаны секционирующие перегородки, способные эффективно функционировать в довольно широких пределах изменения нагрузок по газу или жидкости [159]. Это позволяет их использовать в производстве как строительных, так и дорожных марок битумов в одном и том же аппарате.
Вместе с тем, в ранней практике окисления нефтяных остатков в колонных аппаратах имелся отрицательный опыт секционирования реакционного объема [5]. Какие-либо исследовательские работы, посвященные детальному изучению гидродинамики работы секционированных колонн, предшествующие этим промышленным испытаниям, нами не обнаружены. Это, вероятно, и затормозило в дальнейшем использование данного приема.
Таким образом, перспективным способом совершенствования контакта жидкости и газа при производстве нефтяных битумов можно принять секционирование реакционного объема перфорированными перегородками. Однако для практической реализации потенциальных преимуществ данного направления требуются дальнейшие углубленные исследования и анализ функционирования этих устройств в барботажных колоннах с целью выявления закономерностей их работы в условиях производства нефтяных битумов и преодоления трудностей, возникших при ранних попытках их внедрения.
Секционирование зоны стабилизированного течения газо-жидкостной смеси как эффективный прием улучшения работы барботажных колонн находит применение в различных промышленных процессах, где требуются интенсификация массообмена и уменьшение обратного перемешивания жидкости.
Газо-жидкостная смесь в секционированных колоннах обычно заполняет весь объем аппарата. Перемещение жидкости через секционирующую перегородку происходит естественным образом: вместе с восходящим потоком газа и нисходящим потоком жидкости на периферии аппарата [128]. Таким образом, секционирующие перегородки работают в «затопленном» режиме, когда по обе их стороны находится газо-жидкостная смесь.
В промышленности секционированные барботажные реакторы используются в качестве ферментаторов и аэраторов [258], для озонирования воды [264], при окислении [265-267] и хлорировании [268] различного сырья, для производства карбамида [269], кальцинированной соды [263] и др. Перспективно их применение при производстве биодизеля [270], в процессах синтеза Фишера-Тропша [271, 272] и висбрекинга [273]. Несмотря на распространенность данного вида аппаратов особенности их работы изучены недостаточно и количество опубликованных работ по сравнению с полыми барботажными колоннами относительно невелико.
Как одно из преимуществ секционированных барботажных колонн обычно отмечают повышенное газосодержание. Основное влияние на него оказывает приведенная скорость газа. При турбулентном барботаже происходит его рост в следующей пропорции [274]:
Доля свободного сечения секционирующих перегородок и их количество также влияют на газосодержание. Чем меньше свободное сечение и чем больше перегородок, тем величина газосодержания выше. При относительно высоких свободных сечениях секционирующих перегородок (более 0,15) эффект от их использования ослабевает [227, 275, 276]. В противоположном случае, когда величина свободного сечения мала, под секционирующей перегородкой образуется слой газа (газовая «подушка»), содержащий незначительное количество жидкости [261, 277]. Это явление весьма нежелательно, так как уменьшает долю полезно используемого реакционного пространства.
Величина ПКФ в секционированных колонных реакторах превышает таковую для полых колонн за счет дробления пузырьков при прохождении через перегородку и увеличения рассеиваемой в слое энергии [258]. Она увеличивается по мере роста скорости газа и с уменьшением скорости жидкости [261].
По аналогии с полыми барботажными колонными реакторами по высоте каждой секции, очевидно, также должны существовать три зоны. В работе [261] установлено, что с увеличением высоты секции HS до некоторых пределов (в описанных условиях отношение HS/D изменяли от одного до семи) величина ПКФ сначала непрерывно уменьшается, после чего остается практически постоянной. Это свидетельствует о существовании в средней части секции зоны постоянного газосодержания и уменьшении влияния концевых эффектов с ростом высоты секции. Однако в большинстве случаев в секционированных барботажных реакторах величина H/D не превышает 3-4, следовательно, концевыми эффектами пренебрегать нельзя.
В целом, увеличение газосодержания и ПКФ в секционированных барботажных реакторах происходит благодаря увеличению количества так называемых «концевых» зон, характеризующихся нестабилизированным режимом движения потоков на входе в секцию и на выходе из нее. Для полой колонны, которую можно рассматривать как односекционный аппарат, их две, а именно, зона влияния диспергатора и зона вывода газа из барботажного слоя. При установке одной перфорированной перегородки в средней части колонны их количество увеличивается до четырех и т.д. Сообщается, что увеличение протяженности в контактных устройствах таких зон также приводит к существенному увеличению локальных коэффициентов массоотдачи [278, 279].
Структуру потоков жидкой фазы в секционированных колонных реакторах обычно описывают при помощи ячеечной модели с рециркуляцией между смежными ячейками [280]. На практике, если высота отдельной секции не слишком мала, в ней возникает тороидальный циркуляционный контур как в полой колонне, и перемешивание считается близким к идеальному.
Движение жидкости через перегородку вверх в вышерасположенную секцию происходит с потоком газа, движущимся в этом же направлении. Движение в обратном направлении создается за счет «провала» жидкости на периферии секционирующей перегородки. Он происходит из-за высокого динамического напора нисходящей у стенок аппарата жидкости, превышающего гидравлическое сопротивление отверстий перегородки и напор газо-жидкостной смеси под ней [281].
Такая структура жидкостных потоков является нежелательной для производства нефтяных битумов. Во-первых, из-за ограниченности перемешивания через перегородку состав жидкости в каждой секции будет различаться. Это значительно затрудняет управление технологическим режимом и качеством готовой продукции. Во-вторых, структура потоков жидкости приблизится к идеальному вытеснению, что уменьшит выход продукции. Для устранения этих недостатков необходимо предусмотреть специальные меры для выравнивания состава жидкой фазы во всех секциях аппарата.
С учетом известных особенностей процесса окисления нефтяных остатков и описанных закономерностей функционирования секционированных барботажных колонн, можно сформулировать основные задачи исследований, направленные на разработку конструкции секционированных колонных реакторов производства нефтяных битумов: 1. Определение влияния геометрических характеристик секционирующих перегородок («свободного» сечения и диаметра перфорации) на газосодержание и ПКФ при условиях работы, максимально приближенных к промышленным.
Исследование работы барботажных реакторов, с секционирующими перегородками, работающими в «затопленном» режиме
Экспериментальные кривые отклика системы на импульсное возмущение по жидкой фазе, а также соответствующие дисперсии, осредненные для всех скоростей газа, приведены на рисунке 4.6. Из анализа этого рисунка следует, что основные тенденции, свидетельствующие о приближения аппарата к моделям ИП или ИВ в зависимости от места ввода жидкости, в целом подтверждаются.
Вместе с тем, необходимо отметить, что структура потоков в реальном аппарате заметно отличается от расчетных моделей. Между вариантом вводом жидкости под секционирующей перегородкой и параллельным вводом разница практически отсутствует. Оба они достаточно далеки от ИП.
По нашему мнению это может быть связано с отклонением структуры потоков жидкости в физической модели колонны от идеальной из-за байпассирования части входящего потока с нисходящим током жидкости вдоль стенок аппарата к выходу, расположенному в его нижнем днище.
При производстве нефтяных окисленных битумов такое расположение штуцера для выхода готового продукта обеспечивает стабильность работы продуктового насоса, легкость опорожнения колонны, а также препятствует накоплению в ней коксовых отложений.
Интересно, что для других отраслей промышленности такое расположение штуцера вывода жидкости не является типичным [185,311]. В случае работы барботажной колонны с протоком жидкости её вывод обычно производится в верхней части аппарата, что обеспечивает как минимум дополнительное однократное прохождение всех долей поступающей в аппарат жидкости по нисходящей и восходящей частям внутреннего жидкостного циркуляционного контура. Движение вверх в турбулентной области течения газо-жидкостной смеси обеспечивает хорошее перемешивание поступающего сырья с находящейся в аппарате жидкостью.
В случае с реакторами окисления нефтяных остатков расположение штуцера вывода продукта в нижней части, по нашему мнению, может явиться причиной неконтролируемого попадания части недоокисленного сырья на выход из аппарата, что снижает стабильность качества производимого битума. Особенно велик такой риск при получении высокоокисленных строительных марок продукта.
Для устранения этого недостатка нами предложено производить загрузку исходного сырья через специально разработанное смесительное устройство газлифтного типа, устанавливаемое непосредственно в реакторе под секционирующей перегородкой (рисунок 4.7) [312].
Далее полученная смесь распределяется в пространстве под секционирующей перегородкой, и направляется в вышерасположенную секцию. Такой характер движения сред подтвержден экспериментами, когда в аппарат вводилась вода, подкрашенная чернилами. При этом наблюдали, как
Указанное решение должно улучшить распределение исходного потока в аппарате и предотвратить неконтролируемое байпассирование. Конструкция смесителя чрезвычайно проста и его работа не требует дополнительных затрат энергии.
Как видно из этого рисунка, за счет использования смесителя достигнут значительный положительный эффект, благодаря чему структура потоков по жидкости довольно сильно приблизилась к ИП.
1. Перемешивание жидкости в барботажном реакторе окисления нефтяных остатков, снабженном одной секционирующей перегородкой, может быть описано при помощи ячеечной модели с циркуляционными потоками между ячейками.
2. В зависимости от места ввода свежей жидкости структура потоков в аппарате приближается к ИП или ИВ. Для реакторов производства нефтяных битумов предпочтительным является режим ИП.
3. Экспериментально установлено, что в исследованном диапазоне скоростей газа дисперсия остается практически постоянной и зависит лишь от места ввода исходного потока, что свидетельствует о высокой интенсивности перемешивания.
Структура потоков жидкости, полученная на экспериментальном аппарате, отличается от структуры, определенной решением модельных уравнений. Одной из причин этому может явиться недостаточное качество перемешивания жидкости. Устранение этого негативного эффекта возможно за счет использования газлифтного смесителя сырья предложенной конструкции. В результате его применения дисперсия экспериментальной кривой отклика приближается к значению для аппарата ИП.
Результаты проведенных экспериментальных и теоретических исследований явились исходными данными для проекта модернизации полых окислительных колонн в производстве нефтяных окисленных битумов в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез».
Внутренний объем колонн для улучшения дробления пузырьков газа и увеличения межфазной поверхности было решено секционировать их при помощи перфорированных перегородок в количестве одной-двух штук. Расстояние от нижнего днища до перегородок составляет 1/2...2/3 высоты аппарата. Свободное сечение перегородок выбрано равным 0,05. С учетом возможности блокирования маленьких отверстий отложениями кокса диаметр перфорации был выбран равным 40 мм.
Ввод свежего сырья в реактор может осуществляться в нескольких вариантах, а именно, под перегородку, над перегородкой и в две секции одновременно или с использованием смесительного устройства. Последний вариант наиболее предпочтителен при производстве высокоокисленных строительных битумов, когда попадание недоокисленного сырья на выход из реактора не желательно.
Для обеспечения циркуляции жидкости между верхней и нижней секциями предусмотрена циркуляционная труба, которая должна обеспечивать приведенную скорость восходящего потока жидкости в реакционном пространстве колонны не менее UL = 0,008 м/с.
Движущей силой естественной циркуляции является разность плотностей жидкости в циркуляционной трубе и газо-жидкостной смеси в реакторе. По аналогии с газлифтными реакторами напор, располагаемый в системе для приведения жидкости в движение АрР, будет расходоваться на преодоление гидравлического сопротивления в циркуляционной трубе АрЦ и в реакционной части аппарата АрБ [159]:
Экспериментальное исследование структуры потоков жидкости в секционированной барботажной колонне
В ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» дорожные нефтяные битумы получают путем частичного окисления различных нефтяных остатков кислородом воздуха с использованием полых барботажных колонн. Две колонны (К-6 и С-2) работают в частично заполненном режиме со встроенной зоной сепарации, две другие (К-2 и К-5) - в полнозаполненном режиме с выносными сепараторами (рисунок 1.18).
Опыт эксплуатации выявил существенные недостатки полых барботажных колонн. В первую очередь это относится к недостаточно развитой межфазной поверхности окисления сырья и неравномерному распределению пузырьков воздуха по поперечному сечению аппарата [36, 54, 219]. На практике перечисленные недостатки компенсируются путем увеличения удельного расхода воздуха и повышением температуры окисления сырья. Но это влечет ускорение побочных процессов коксообразования и ухудшение качества получаемой продукции. После опорожнения колонн коксовые отложения необходимо удалять с использованием тяжелого ручного труда и утилизировать.
Для устранения перечисленных недостатков кафедрой МАПП ПНИПУ были разработаны исходные данные для проекта модернизации промышленной окислительной колонны К-2, имеющей внутренний диаметр 3500 мм и высоту 19 м. Схематично модернизированная колонна изображена на рисунке 5.1.
Она включает в себя горизонтальную перфорированную перегородку, размещенную в средней части колонны в зоне ввода сырья и разделяющую ее на верхнюю и нижнюю секции. Для исключения вибрации перегородка снабжена специальными ребрами жесткости.
Перемешивание реакционной массы между верхней и нижней секциями колонны обеспечивается внешней циркуляционной трубой с гидрозатвором. Высота циркуляционного контура составляет 11 м. Располагаемый напор циркуляции в таком случае, вычисленный по результатам экспериментов и данным таблицы 2.2, составит Аp Р= 12,9 кПа. Гидравлическое сопротивление циркуляционной трубы может быть определено по формуле [243]:
С учетом диаметра аппарата, исходя из требуемого значения приведенной скорости жидкости в реакционном объеме uL = 0,008 м/с, найдем требуемую скорость жидкости в циркуляционной трубе: uLЦ = 1,09 м/с.
По ней определим коэффициент трения lT = 0,454 [313]. Местные сопротивления представлены входом жидкости в трубу, выходом из неё, тремя отводами и задвижкой. По данным [313] найдем z= 2,19 . Исходя из этого, потери напора на движение жидкости в циркуляционной трубе со скоростью uLЦ составят DpЦ = 8,7 кПа.
Таким образом, сумма потерь напора на преодоление сопротивления циркуляционной трубы и секционирующей перегородки (DpЦ + DpБ =12,5кПа), оказалась несколько меньше располагаемого значения (DpР =12,9 кПа), что подтверждает возможность движения жидкости в секционированном барботажном колонном реакторе с заданной приведенной скоростью.
Для предотвращения попадания газа в циркуляционную трубу служит встроенный сепаратор (рисунок 5.2), снабженный успокоительной решеткой в виде пакета вертикальных пластин. Использование такой решетки значительно повысило эффективность сепарации жидкости от пузырьков газа, и увеличило жесткость конструкции сепаратора.
Длительные опытно-промышленные испытания (опытные «пробеги») подтвердили улучшение основных показателей работы модернизированной колонны [227, 314]. Особенно это заметно при максимальных нагрузках по сырью и воздуху. Полученные за трехлетний период эксплуатации аппарата результаты приведены в таблице 5.1.
Предельная производительность колонны при выработке наиболее многотоннажной марки битума БНД 90/130 из смеси остатков западносибирских нефтей возросла от 30 – 35 до 40 – 45 м3/ч, удельный расход воздуха уменьшился от 100 – 120 до 90 – 105 м3/м3, требуемая температура окисления понизилась от 240 – 250 С до 225 – 230 С. Благодаря снижению концентрации кислорода в отработанных газах от 2,5 – 4,0 до 1,5 – 2,0 % снизилась пожарная опасность производства.
Одновременно улучшилось качество вырабатываемого битума. Увеличилась его пластичность, о чем свидетельствует показатель пенетрации при 25 С, возросший от 95 – 125 до 105 – 125 мм. Также повысилась температура размягчения от 43 – 44 до 46 – 48 С и снизилась температура хрупкости от –19… – 21 до –23…–26 С. Соответственно расширился и температурный интервал пластичности битума.
Высокоокисленные строительные битумы марок БН 70/30 и БН 90/10 в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» получают с использованием полой окислительной колонны К-5 внутренним диаметром 3000 мм и высотой 25 м, работающей также в полнозаполненном режиме. При необходимости в данной колонне производят дорожный битум марки БНД 60/90. Как показала практика, общие недостатки, присущие полым окислительным колоннам, в случае производства высокоокисленных марок битумов дополнительно усиливаются. В связи с этим кафедре МАПП ПНИПУ была поставлена задача модернизации данной колонны.
Особенностью эксплуатации колонны К-5 является частая смена нагрузок по воздуху, изменение состава сырья и режимов его окисления при переходе от выпуска одной марки битума к другой. Это обстоятельство затрудняет эксплуатацию секционирующей перегородки в «затопленном» режиме из-за вероятности накопления под ней чрезмерно большого количества газовой фазы, увеличения её гидравлического сопротивления. Для расширения диапазона допустимых нагрузок на секционирующую перегородку было предложено дооборудовать ее гидравлическими затворами специальной конструкции (рисунок 5.3).
Они представляют собою вертикальные патрубки различной длины, максимальную величину которых выбирают, исходя из допустимой высоты накапливаемого под перегородкой газового слоя. Каждый из этих патрубков погружен в концентрично расположенные стаканы. На дне каждого стакана имеется барботажное отверстие диаметром, равным диаметру барботажных отверстий в перфорированной секционирующей перегородке.
Усовершенствованная перегородка функционирует следующим образом. До момента достижения максимальной расчетной нагрузки по воздуху под ней образуется равномерно распределенный по сечению слой пены. Газ и жидкость проходят через все барботажные отверстия в перегородке. В этих условиях все гидравлические затворы остаются «закрытыми» для воздуха.
Под перегородкой при превышении этой нагрузки образуется воздушная прослойка, и её высота сравнивается с высотой самых коротких гидравлических затворов. После этого они начинают пропускать воздух всем своим сечением. При дальнейшем возрастании нагрузки в работу последовательно включаются гидравлические затворы с более длинными патрубками. Таким образом, за счет использования гидравлических затворов предлагаемой конструкции диапазон эффективной работы воздухораспределительной перегородки значительно расширяется без опасений чрезмерного накопления газовой фазы в нижней
