ающегося воздуха.
По-видимому необходимо принять турбулентный режим движения воздуха.
Режим движения воздуха должен обеспечивать внутреннюю циркуляцию реакционной массы. Необходимо стремиться обеспечить режим движения воздуха с минимальным расходом. При этом процесс должен быть максимально интенсифицирован за счет подачи необходимого количества кислорода и воздуха. Этого можно добиться уточняя расход воздуха по химизму процесса (например, используя графики из работы Гуна [1]) или использовать перспективную технологию с подачей обогащенной кислородом кислорода-воздушной смеси.
В последнем случае облегчается оптимизация подачи расхода кислородсодержащей газовой фазы по критерию химизма процесса и критерию внутренней циркуляции.
Использование абсорбционных колонн с затопленной насадкой в работе Гуна [1] указывается нерациональным, уступающим аппаратам колонного типа пустотелым или с внутренней коаксиальной трубой (стаканом). В полом сосуде согласно пояснению Гуна в центральную зону поступает большее количество кислорода, и для повышения равномерности его использования применяют внутренний стакан. Стаканы в мешалках ставят для создания как правило осевого течения жидкости. Такие решения приведены в работах [4], [5], [6].
Для эффективного перемешивания может быть применено устройство, описанное в публикации [7]. Устройство использует принцип из гребных винтов и отличается от существующих перемешивающих устройств EKATO.
Приведенное устройство имеет максимальную энергетическую эффективность так как имеет наименьшие механические потери и гидродинамические потери за счет отсутствия закручивания потока. Более подробно принцип работы описан в работе [4]. Ноу-хау в области соосных перемешивающих устройств за счет использования нового физического принципа, ранее применявшегося только на гребных и воздушных винтах, там где требуются минимальные потери энергии и оптимизация по критерию энергоэффективности.
4. Прочностной расчет
Расчет на прочность аппарата выполняют методом конечных элементов в программе ANSYS Mechanical или в программах автоматизации расчета по нормативной методике, например, «ПАССАТ» [8].
При наличии в колонне нестандартных узлов, расчет выполняется методом конечных элементов.
Нормативная методика основана на без моментной теории оболочек и поэтому для расчета узлов врезок штуцеров применяют отдельную программу Штуцер-МКЭ.
Однако, применение универсального пакета ANSYS позволит получить более достоверные результаты и рассчитать весь аппарата, то есть изучить поведение конструкции аппарата по его цифровому двойнику.
Более подробно о расчете методом конечных элементов аппаратов указано в работе [8], теории расчета оболочек аппаратов в работе [9], о новом поколении нефтяных аппаратов 2020 в работе [10], расчет валов на резонанс и прочность в работе [4].
5. Расчет технологической схемы установки
Вопросы проектирования аппаратов в блочном исполнении приведены в монографии [11].
Вопросы проектирования и расчета технологических схем рассмотрены в работе [12].
Теория технологического расчета процессов в нефтяных аппаратах приведена в работе [13].
Отметим, что теплоносителем для охлаждения в зоне реакции окисления может быть динил. Динил является эвтектическим веществом и выдерживает температуру до 450°С. К недостаткам динила относятся его токсичность.
Кроме динила можно использовать силиконовое масло до 300°С.
Змеевиковые теплообменные устройства окислительных колонн подсоединяются к масляному контуру, циркуляция в котором обеспечивается центробежными насосами. К лучшим производителям центробежных насосов можно отнести завод нефтяного машиностроения «Волгограднефтемаш» (г. Волгоград).
Для перекачки гудрона и битума с вязкостью 380сСт могут быть использованы шестеренчатые насосы или специальные насосы, принцип работы которых основан на силах Кориолиса. Последние насосы выпускает партнер электронасосного завода «ЭНА» (г. Щелково в Московской обл.).
Кроме того, на линии отработанных газов необходимо устанавливать воздуходувки.
В отдельные блоки могут быть объединены все насосы и воздуходувки, арматурные узлы, теплообменное оборудование.
Котлы применять некорректно. Котлы характеризуются разностью перепада температур на входе и выходе. Для расширения диапазона применяют так называемую стрелку. Однако такое решение технически некорректное. Подогрев теплоносителей должен осуществляться в трубчатых печах, а охлаждение в теплообменном оборудование. Возможна установка рекуперативного теплообменника, в котором тепло битума на выходе передается гудрону на входе.
Отходящие газы содержат серу. Поэтому необходимо после колонны окисления устанавливать промывной скруббер. Недостаток состоит в том, что в этом случае понижается температура отработанных газов перед подачей в инсенератор для утилизации. Из производителей инсенераторов в блочном исполнении можно отметить «Безопасные технологии» (г. Санкт-Петербург). Из производителей печей «Алитер-Акси» (г. Санкт-Петербург).
В итоге блочная установка состоит из нескольких частей, собираемых механической сборкой на монтаже:
– блок подготовки сырья,
– блок колонн с обвязкой,
– блок насосной станции,
– блок компрессорной станции (цеолитной),
– блок узла утилизации отработанного газа,
– блок сбора промывной жидкости,
– блок теплообменного оборудования,
– блок системы АСУТП.
Компоновка видов оборудования внутри проектируемого блока выполняется индивидуально по проекту. Затем блоки сопрягаются в одну общую установку, состоящую из ряда блоков.
В случае, если битумная установка в блочном исполнении является временным сооружением и не требуется полного объема мероприятий по 87 Постановлению.
В целом, проектирование установок описано в работе Капустина [14].
6. Проектирование котла-утилизатора
Котел-утилизатор в общем виде состоит из печи (топочного устройства), испарительной поверхности, пароперегревателя, воздухоподогревателя и экономайзера [16]. Конструкция может отличаться.
Может использоваться печь с катализатором. Однако решение каталитического окисления до настоящего времени не нашло широкого распространения.
По газовой линии турбокомпрессором или турбовоздуходувкой отработанные газы подаются на сжигание из колонн в котел-утилизатор.
Отработанные газы содержат горючие компоненты, но к ним как правило добавляют природный газ или аналогичные углеводороды.
Серосодержащие компоненты нельзя выбрасывать в атмосферу. Их улавливают перед подачей в котел в скруббере или другом устройстве.
Расчет и проектирование котла-утилизатора приведены в работе [16].
7. Применение трубчатых реакторов с рециркуляцией
Трубчатые реактора могут быть использованы в установках, для которых необоснованно технологически использовать окислительные колонны.
Конструктивно трубчатый реактор состоит из трубного змеевика, внутри которого установлен статический смеситель для выравнивания структуры потока. Смеситель направлен на образование модели реактора идеального вытеснения с поршневым потоком. Режим движения жидкости турбулентный.
За счет рециркуляции увеличивается время пребывания продукта в аппарате, и обеспечиваются минимальные габариты аппарата. Об увеличении времени пребывания подробно указывается в работе [15].
8. Заключение
В монографии представлены новые результаты для конструирования битумной установки в блочном исполнении окислением гудрона.
Внесен для рассмотрения способ окисления гудрона обогащенной кислородом воздушной смесью.
Показано, что технологическое проектирование аппарат окисления необходимо выполнять методом конечных объемов в пакете ANSYS Fluent, прочностной расчет методом конечных элементов в ANSYS Mechanical.
Битумная установка проектируется в блочном исполнении и может встраиваться в производственную систему нефтеперерабатывающих заводов или устанавливаться на нефтебазах для выработки битумов используя гудрон из резервуаров нефтебазы.
8. Литература
1. Гун Р. Б., Нефтяные битумы. – М.:Химия, 1973. – 432с.
2. Read J., Whiteoak D. The SHELL Bitumen Handbook.
3 Капустин В.М., Гуреев А.А., Технология переработки нефти. В 4-ч частях. Часть вторая. Физико-химические процессы. – М.: Химия, 2015. – 400 с.
4. Ефанов К.В., Нефтяные и химические аппараты с мешалками. – М.: Литрес, 2019. – 320 с.
5. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М., Перемешивание в жидких средах. Л.: Химия, 1984. – 336 с.
6 Кафаров В.В., Процессы перемешивания в жидких средах. Москва: Госхимиздат, 1949. – 88 с.
7. Ефанов К.В., Перемешивающее устройство с соосными пропеллерными мешалками противоположного вращения // Химическая техника. – №6. – 2018.
8. Ефанов К.В., Расчет нефтяных аппаратов методом конечных элементов. – М.: Литрес, 2020. – 70 с.
9. Ефанов К.В., Теория расчета оболочек сосудов и аппаратов. – М.: Наука: Самиздат, 2019. – 49 с.
10. Ефанов К.В., Новое поколение нефтяных аппаратов 2020. – М.: Литрес, 2020. – 29 с.
11. Ефанов К.В., Блоки нефтяных аппаратов. – М.: Литрес: Самиздат, 2020. – 27 с.
12. Ефанов К.В., Разработка технологических схем установок нефтепереработки. – М.: Литрес: Самиздат, 2020. – 11 с.
13. Ефанов К.В., Технологический расчет нефтяных процессов и аппаратов методом конечных элементов. – М.: Литрес: Самиздат, 2020. – 21 с.
14. Капустин В.М., Рудин М.Г., Кудинов А.М., Основы проектирования нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий. – М.: Химия, 2012. – 440 с.
15. Рейхсфельд В.О., Шеин В.С., Ермаков В.И. Реакционная аппаратура и машины заводов основного органического синтеза и синтетического каучука. – 2-е изд., перераб. – Л.: Химия, 1985. – 264 с.
16. Буров А.А., Ожогин В.А., ред. Злотин Г.Н. Тепловой расчет котла-утилизатора: Учеб. пособие. – Волгоград.: ВолгГТУ, 1999. – 59 с.