Константин ЕфановБитумные окислительные колонны в блочном исполнении
1. Введение
В настоящее время отсутствует современная литература по проектированию битумных установок.
Основной монографией является устаревшая работа Гуна [1]. Имеются ряд публикаций, например, компании Shell [2]. Работа Гуна является обзорной по применяемым технологиям времен Советского Союза и не является монографией по проектированию.
Существует работа Капустина [3], в которой авторы подробно описали реакционный аппарат процесса Бутирокс и привели некоторые критически важные характеристики процесса, например, расход воздуха.
Данные по химизму процесса окисления приведены в общем виде [], указывается, что процесс можно описывать кинетическим уравнением первого порядка и указываются опытные данные в виде графиков. Этих данных по химизму процесса недостаточно для технологического расчета аппарата.
Данных по тепловому эффекту экзотермического процесса окисления гудрона в литературе не приводят. Однако, в работе Капустина [3] указывается об удельной энергии окисления углеводородов 200…1000кДж/кг.
Температура должна быть постоянной по высоте колонны и поддерживаться на оптимальном уровне в пределах 250°С [1].
Решение по отводу тепла с квенч-секцией, устанавливаемой в верхней части аппарата колонного типа является некорректным так как изменяет температуру по высоте колонны и вносит колебания и неравномерность в распределение температурного поля процесса. Сырье как правило должно подогреваться в трубчатой печи до рабочей температуры и поступать в аппарат с температурой 250°С.
Реакция окисления экзотермическая. Следовательно, от 250°С будет происходить разогрев до какой-то температуры, определяемой производительностью колонны и удельным тепловым эффектом реакции. Если принять 1000 кДж/кг [3] и относительно высокую суточную производительность колонны, разогрев может дойти до высоких температур, при которых сталь оболочки аппарата теряет свои механические свойства.
По результатам материального баланса определяется тепловая нагрузка на аппарата. А конечную температуру, до которой может произойти разогрев можно найти по выражению из баланса для гудрона:
Отрицательный знак в левой части указывает на экзотермическую реакцию окисления.
Тепловой эффект рассчитывается по средней теплоемкости в интервале так как применить степенную зависимость (на основе закона Нернста) нельзя за счет отсутствия справочных данных по коэффициентам в зависимости.
И тепловой эффект реакции окисления по разности энтальпий образования сырья и продуктов окисления посчитать не представляется возможным. Для этого необходимо знать точный состав гудрона и битума и считать вклад каждой фракции. Но состав гудрона различается в зависимости от условий его получения и от производителя. Существуют эмпирические брутто-формулы гудрона и битума. Однако, использовать эти брутто-формулы также некорректно.
Из выражения выше найдем конечную температуру, до которой может разогреться реакционная масса без охлаждения в зоне реакции:
Температура предположительно может возрасти и до 750°С. То есть при расчете теплообменного устройства необходимо задавать тепловую нагрузку охлаждения от этой умозрительной температуры 750°С до требуемой по процессу температуры 250°С.
Температуру необходимо отводить из зоны реакции.
Необходимо применить принцип конструирования ядерных реакторов, в которых графитовые стержни опускаются сразу в зону ядерной реакции и замедляют процесс.
В работе [4] приведен рисунок газжидкостного реактора с рубашкой. Такое конструктивное решение возможно не рационально для аппарата окисления гудрона. Более корректным выглядит расположение в зоне реакции змеевикового теплообменного утройства.
Для пустотелого аппарата колоннного типа возможно просто разместить внутри змеевик, для аппарата с внутренней коаксиальной трубой змеевик навивается на цилиндрические поверхности.
Важным критически является то, что нельзя реализовывать охлаждение через теплоообменный аппарат, установленный на трубопроводе внешней рециркуляции. Так как в этом случае по аппарату и трубопроводу потечет жидкая фаза с температурой свыше 700°С и конструкция обрушится, так как механические свойства стали критически ухудшатся.
Теплообменное устройство в зоне реакции позволит контролировать температуру в заданных пределах колебаний внутри зоны реакции и позволит контролировать процесс.
Конструктивное решение по внешней рециркуляции является некорректным и должно обосновываться только необеспечением времени пребывания за счет внутренней циркуляции в полом аппарате или аппарате с внутренней коаксиальной трубой.
Для этого выполняется расчет двух вариантов численным методом с получением диаграммы распределения скоростей потоков и распределения температур.
Упоминается [1] cпособ регулирования температуры в зоне реакции подачей струи воды и отвода тепла за счет перехода воды в пар.
При подаче воды происходит прямой конвективный теплообмен. Вода имеет наибольшую теплоту испарения. За счет подачи воды и ее испарения отводится теплота экзотермической реакции и тем самым выполняется охлаждение реакционной массы.
Теплообмен с движением сред слишком усложняет гидродинамическую картину внутри колонны по мнению автора. К тому же теплота отводится только из верхней части колонны. Вода подается под контролем оператора, по-видимому автоматизации и слаженной работы при таком способе охлаждения не достигнуто.
Однако, необходимо оформление процесса теплообмена «в металле», а также обеспечение постоянства температуры по все высоте колонны или постоянство заданных значений температуры по высоте. Для этой цели необходимо поверхностное теплообменное устройство.
Пар или что более лучше азот (инертный газ) подается в верхнюю часть колонны для контроля не превышения значений концентрации кислорода, соответствующих взрыву над пожароопасной реакционной массой.
Посвящение
Монография посвящается Богородице
Благодарность
Моей маме, работавшей в нефтяном машиностроении
2. Перспективная технология окисления
Компрессорные станции существуют трех типов:
– криогенные,
– цеолитные,
– мембранные.
Для расходов, соответствующих, установке по производству битума можно выбрать цеолитные компрессорные станции.
В цеолитных станциях можно поставить более мощный компрессор, который будет одновременно подавать в колонну воздух и азот вверх колонны для уноса непрореагировавшего кислорода.
Для интенсификации процесса окисление корректно проводить на первом этапе смесью кислородно-воздушной, то есть в воздух добавляется кислород с определенным расходом.
Реакционная масса пожароопасная, реакция окисления происходит интенсивно. Поэтому необходимо отработка состава кислородновоздушной смеси и процесса окисления в лабораторных условиях, затем имитационном моделировании процесса на цифровом двойнике аппарата или на пилотной установке.
На втором этапе окисление с осторожностью возможно проводить смесью с максимальным содержанием кислорода.
Такой реализации технологии еще не выполнялось по результатам литературного обзора технологий окисления гудрона. Это будет новым способом.
Интенсификация за счет повышения содержания кислорода эффективнее, чем за счет увеличения расхода обычного воздуха с известным содержанием кислорода.
__
Состав можно установить методом ядерного магнитного резонанса и сопоставления спектров с расчетными спектрами в программе АСD.
Механизм реакции окисления и выделяющуюся энергию можно определить, выполнив квантово-механический расчет реакции в программе HyperChem.
Основные достоверные данные получаются только по результатам эксперимента.
Моделирование процесса окисления в аппарате выполняют в программном пакете ANSYS.
Такое моделирование является изучением поведения цифрового двойника аппарата при различных параметрах процесса.
__
По данным Капустина `[3,с.140] перспективной технологией получения битумов является комбинированный процесс окисления-компаундирования (смешения).
3. Технологический расчет
Окислительную колонну пустотелую рассчитывают как обычный аппарат смешения, в котором перемешивание осуществляется за счет прохода воздуха через слой гудрона.
При применении внутренней коаксиально трубы, реакцию рассчитывают внутри трубы, которая выполняет функцию газожидкостного реактора и рассчитывают внутреннюю рециркуляцию между корпусом колонны и внутренней трубой.
Гидродинамический и тепловой процесс с химическими превращениями рассчитывают в программном пакете ANSYS Fluent. Расчет выполняется методом конечных объемов, теория такого расчета приведена в работе [].
Порядок расчета в программе ANSYS Fluent приведен в работе [].
По данным Капустина [3,с.141] в процессе «Бутирокс» температура окисления 250-270°С, расход воздуха 4 куб.м/(кв.м.·мин).
По данным Гуна оптимальным является подача воздуха 1,4 куб.м/мин.
Сопоставляя значения, можно сделать вывод о том, что оптимальный расход воздуха находится выполнением технологического расчета и уточняется по критериям оптимизации, например, скорости процесса окисления.
Режим барботирования делится на несколько режимов в зависимости от скорости подачи воздуха. Через количество и размер отверстий в барботере (маточнике) и подаче воздуха можно рассчитать скорость и режим движения воздуха в слое реакционной массы.
При скорости около 10 м/с наступает стержневой режим, когда воздух поднимается не в виде отдельных пузырей, а в виде столба. В процессе бутирокс по-видимому (необходимо подтверждение расчетом) происходит стержневой режим. И этим можно объяснить наличие механических перемешивающих устройств с мешалками турбинного типа для разбиения столбов подним