Материал: Проект битумной установки широкого профиля мощностью 190 тысяч тонн в год с расчётом реактора

Кубы-окислители связаны между собой переточными трубами. По ним газообразные продукты окисления поступают в конденсатор смешения, где они частично конденсируются и затем направляются в ловушку. Несконденсированные продукты через вытяжную трубу отводятся в атмосферу либо в печь для дожига. Каждый куб-окислитель заполняется сырьем в течение 3-4 часов. В зависимости от природы сырья, температуры и требуемой марки битума продолжительность окисления сырья составляет 4-90 ч. Когда цикл окисления завершен, битум из кубов откачивают в раздаточники или в железнодорожные цистерны и бункеры.

Непрерывность работы битумной установки обеспечивается совмещением графика работы каждого куба, предусматривающим непрерывный прием сырья - горячего гудрона. Для каждого куба устанавливают график получения битума одной или нескольких марок и график чистки куба после определенного числа оборотов, зависящего от вырабатываемых марок битума.

Основные недостатки описанной установки: неполное использование технологического оборудования (кубов-окислителей), которые простаивают, когда проводят полные анализы битума; непроизводительно затрачиваемое время на заполнение и опорожнение кубов, что снижает мощность установки; громоздкое оборудование установки и, следовательно, большие энергетические затраты на обогрев коммуникаций [7].

Аппараты: 1-8 - кубы-окислители; 9 - конденсатор смешения; 10 - вытяжная труба; 11, 13, 15 - холодильники; 12, 14 - насосы; 16-23 - раздаточники; 24 - гребенка для разлива; 25 - маточник.

Потоки: I - сырье; ЙЙ - воздух; ЙЙЙ - вода; IV - газообразные продукты окисления; V - сконденсированные продукты; VI - битум.

Рисунок 1.2 - Схема битумной установки непрерывного действия с кубами окислителями

Существуют непрерывные процессы получения окисленных битумов при подаче воздуха за один проход сырья (через горизонтальный либо вертикальный цилиндрический реактор, разделенный на секции, ряд кубов, трубчатый реактор с разбрызгиванием в камере в смеси с катализатором) и окисления с рециркуляцией. Для улучшения окисления нефтяные остатки подают непосредственно из ректификационной колонны, температура в реакторе стабилизируется охлаждающем устройством и продукт выдерживается в атмосфере инертного газа.

На рисунке 1.2 приведена схема непрерывно-действующей битумной установки без циркуляции продукта.

Вертикальные кубы 1-8 расположены так, что сырье и частично окисленный продукт самотеком за счет разностей уровней перетекает из одного в другой. Кубы снабжены маточниками 25 для подачи сжатого воздуха. Процесс окисления идет во всех кубах одновременно. Гудрон с установки АВТ, пройдя через теплообменники и охладившись до 210-220 єC, поступает в окислительный куб 1. Из куба 1 гудрон по переточной линии направляется в куб 2 и так далее до куба 8. Температура окисления поддерживается на уровне 240-280 єC. Для понижения температуры в кубах 6-8 битумы, полученные в кубе 5 забираются насосом 12 и прокачиваются через холодильник 13, где они охлаждаются до 200 єC. Основная часть охлажденного битума направляется в раздаточники 16-20. Из раздаточников готовый битум самотеком поступает в коллектор эстакады и сливается в бункеры или железнодорожные цистерны. Газообразные продукты окисления через коллектор поступают в конденсатор-холодильник 9, имеющий пятнадцать отбойных тарелок и орошаемый водой для конденсации паров дистиллята и воды. Сконденсировавшиеся углеводородные продукты направляются в ловушку, где после отстоя собираются и используются в качестве топлива. Несконденсировавшиеся газообразные продукты выводятся в атмосферу через трубу 10 либо направляются в печь дожига. Диаметр каждого куба 3 м, высота 10,65 м. Производительность такой установки, состоящей из 8 кубов при выработке дорожного битума, составляет 720 т/сут.

Подобные установки требуют однородного сырья и постоянства технологического режима. Если эти условия не выполняются, с установки выходит некондиционная продукция. Довести эту продукцию до нормы можно рециркуляцией ее в смеси со свежим сырьем. Чтобы обеспечить заданные качества битума, применяют комбинированный метод: первые несколько кубов работают непрерывно, а последние периодически. В них битум доводят до требуемых качеств, но производительность установки при этом несколько снижается [7].

Битумная установка с циркуляцией продукта может быть оснащена реактором колонного типа, змеевиковым реактором с окислением сырья в пенной системе и горизонтальным реактором бескомпрессорного способа окисления.

Аппараты: 1, 2 - поршневые насосы; 3 - теплообменник; 4, 8 - газосепараторы; 5 - трубчатая печь; 6 - окислительная колонна; 7 - конденсатор-холодильник; 9 - скруббер.

Потоки: I - сырье; ЙЙ - битум; ЙЙЙ - воздух; IV - водяной пар; V - вода; VI - жидкий отгон; VЙЙ - газообразные продукты окисления.

Рисунок 1.3 - Схема битумной установки непрерывного действия с одной окислительной колонной

Перспективным способом окисления гудронов считается применение реакторов колонного типа.

Принципиальная схема установки получения битума с применением окислительной колонны показана ниже на рисунке 1.3.

Исходное сырье (гудрон) насосом прокачивают последовательно через теплообменники и трубчатую печь и нагретое до 250 єC подают в верхнюю половину окислительной колонны через маточник. В колонне сырье контактирует с восходящим потоком воздуха и в окисленном виде через нижнюю часть колонны выводится в сепаратор, затем насосом прокачивается через теплообменники и также выводится с установки в виде готового продукта. В схеме предусмотрена рециркуляция части битума, позволяющая регулировать температуру размягчения и другие показатели качества.

Газы окисления выводят из колонны сверху, охлаждают и выделяют из них сконденсировавшиеся смолы - жидкий отгон. В дальнейшем газы окисления сжигают в топках печей.

На производительность установки влияют природа исходного сырья и свойства получаемого битума, температура процесса, расход воздуха на окисление и продолжительность - время пребывания сырья в зоне реакции.

С.К. Лалабеков, а затем М.В. Провинтеев предложили окислять сырье до битумов кислородом воздуха в пенной системе трубчатого реактора путем одновременной и непрерывной подачи воздуха, исходного сырья и (в зависимости от требуемого битума) в определенном соотношении - рециркулирующего жидкого продукта, а также сепарирования жидких и газообразных продуктов окисления в отдельном аппарате. В результате исследований БашНИИНП этот процесс был рекомендован для внедрения в нефтеперерабатывающей промышленности, и в 60-х годах на Краснодарском НПЗ метод проверялся на опытно-промышленной непрерывной установке. За последние годы подобные типовые битумные установки построены на многих отечественных заводах. На них получают более 13 % всего выпуска в России окисленных битумов, кроме того, в сочетании с реакторами колонного типа получают еще около 11 % битумов [7].

Основными аппаратами установок являются: смеситель, трубчатый реактор, испаритель, сепаратор, печь; вспомогательное оборудование - насосы, компрессоры и др. Установка состоит из нескольких однотипных секций.

Ниже на рисунке 1.4 приведена схема битумной установки с реактором змеевикового типа:

Аппараты: 1,4,9,12,15 - насосы; 2 - печь; 3 - сборник; 5 - смеситель; 6 - реактор; 7 - воздушный ресивер; 8 - компрессор; 10 - испаритель; 11, 13 -аппараты воздушного охлаждения; 14 - сепаратор; 16 - топка.

Рисунок 1.4 - Технологическая схема битумной установки с реактором змеевикового типа

На ряде заводов трубчатые реакторы используют как предокислитель с последующим доокислением в реакторе колонного типа (Ангарский НХК) либо доокислитель недоокисленного сырья в реакторе колонного типа (Ново-Ярославский НПЗ). Возможен вариант получения переокисленного дорожного битума с последующим разбавлением гудроном либо другим разжижителем до получения смеси, соответствующей техническим требованиям ГОСТа на товарный битум конкретной марки. Расход сжатого воздуха зависит от природы сырья, температуры процесса и качества получаемого битума. Высокая степень контактирования воздуха при малом времени пребывания смеси в реакционной зоне (15-25 мин) и температуре 25-285 єC изменяет динамику окислительного процесса. Наряду с интенсификацией процесса улучшается качество битума [9].

Для сравнения технико-экономических показателей работы периодических, полунепрерывных и непрерывных установок и выбора наиболее рационального способа для строительства новых и реконструкции существующих нефтеперерабатывающих заводов рассмотрим их достоинства и недостатки.

Периодический способ имеет следующие недостатки. В кубе-окислителе периодического действия сырье длительное время (до 70 ч) находится в зоне реакции при высоких температурах, в результате чего возникают более глубокие изменения в составе битума и ухудшение его свойств. Возможны местные перегревы, приводящие к образованию карбенов и карбоидов и ухудшающие реологические свойства битума. Периодическим процессом окисления сырья в битумы управлять трудно. В зависимости от природы сырья существует оптимальный режим повышения температуры размягчения (понижения пенетрации либо повышения вязкости) во времени. Для каждого сырья существуют также оптимальные температура процесса окисления и расход воздуха. Причем не всегда требуется стабилизация подачи воздуха. Так, вначале необходимо постепенное повышение, затем в каком-то интервале температуры размягчения битума - стабилизация расхода воздуха, а при приближении процесса к завершению - некоторое понижение.

Характер изменения скорости подачи воздуха зависит от природы сырья. Температура процесса меняется в зависимости от подачи воздуха и теплового эффекта реакции; последний, в свою очередь, является функцией природы сырья и температуры процесса. Следовательно, съем тепла реакции необходим по определенной программе, различной для разных видов сырья и глубины окисления, меняющейся во времени с углублением процесса. Степень использования кислорода воздуха при периодическом окислении недостаточна.

На установках непрерывного действия за счет схем и средств автоматизации легко поддаются стабилизации основные параметры процесса - температура окисления, расход сырья, расход воздуха и др. В результате лучшего контакта воздуха с сырьем улучшается степень использования кислорода воздуха и может быть достигнуто почти полное отсутствие кислорода в газообразных продуктах окисления. Стабилизация основных параметров процесса на оптимальных значениях для каждого сырья устраняет местные перегревы и улучшает основные свойства битумов.

При небольшой мощности установки и необходимости выработки большого ассортимента битумов (вязких и тугоплавких), особенно с температурой размягчения больше 135 °С, в отдельных случаях целесообразно применять периодические кубы-окислители.

Степень использования кислорода воздуха при окислении сырья наихудшая в кубах периодического действия, а из непрерывных процессов - при бескомпрессорном способе. Содержание кислорода в газообразных продуктах окисления в кубе периодического действия 6-16 % (об.), в аппарате колонного тина 0,5-2,0 % (масс.), в змеевиковом реакторе 0,5-3,0 % (масс.), при бескомпрессорном способе 8,8-14 % (масс.).

Выбор способа окисления должен определяться в результате сравнения технико-экономических показателей работы установок. Стоимость эксплуатации установки, кроме природы исходного сырья, количества и ассортимента битумов и побочных продуктов, зависит от капитальных вложений на ее строительство (процента амортизации), продолжительности работы установки и ремонта в году, энергетических затрат, числа обслуживающего персонала и ряда других факторов.

Используя опыт действующих битумных установок передовых предприятий, целесообразно на новых битумных установках устанавливать воздушные маточники в окислительных колоннах с отверстиями диаметром 18 мм (вместо 8 мм по проекту на существующих битумных установках) с учетом уменьшения свободного сечения вследствие отложений кокса при эксплуатации. В местах конденсации паров применяют коррозионностойкие покрытия. Тепло отходящих дымоувых газов из топки печи дожига используют для получения водяного пара, расходуемого на обогрев трубопроводов, аппаратов и оборудования [2].

Данная технологическая схема битумной установки с реактором змеевикового типа была выбрана мной в качестве исследования в этом проекте т.к. с помощью неё получают битум строительный БН высокого качества, а так же дорожный битум БНД, которые широко используются в Краснодарском крае.