автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка реакционного аппарата и метода его использования для переработки нефтесодержащих отходов предприятий сервиса с получением синтез-газа и тепловой энергии

ВВЕДЕНИЕ

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Термические методы утилизации жидких горючих отходов промышленных предприятий.

1.2. Получение синтез-газа из нефтяных остатков, отходов и другого органического сырья.

1.2.1. Получение синтез-газа из углеводородного сырья.

1.2.2. Получение синтез-газа разложением органических продуктов и отходов в токе перегретых газообразных теплоносителей.

1.3. Обоснование использования эффекта погружного горения для генерирования тепловой энергии в коммунально-бытовых и технологических системах.------------------------------------------------3 О

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

2.1. Описание лабораторной установки.

2.2. Физико-химические показатели и состав исходного сырья.

2.3. Анализ продуктов горения метана и превращения органического сырья в синтез-газ.

2.4. Методы планирования экспериментов и обработки полученных экспериментальных результатов.

3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ РЕАКЦИОННОГО АППАРАТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ПОГРУЖНЫМ ГОРЕНИЕМ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ВОДЕ.

3.1. Выбор конструкции горелочного устройства.

3.2. Изучение процесса получения синтез-газа погружным горением природного газа.

3.3. Разработка малоинерционных устройств для получения тепловой энергии на базе аппаратов погружного горения.

В настоящее время проблема утилизации органических отходов, в том числе отходов нефтепереработки, нефтеотходов очистных сооружений, нефтешламов, нефтесодержащих дистилляционных остатков является весьма актуальной. На предприятиях сервиса (фабриках химической чистки одежды, работающих на нефтяных растворителях, автомойках, мастерских по ремонту технологического оборудования и сложной бытовой техники), в котельных предприятий сервиса при промывке оборудования и емкостей мазутного хозяйства образуется значительное количество концентрированных нефтеотходов. Общепринятая практика сжигания отходов приводит к вторичному загрязнению атмосферы токсичными продуктами сгорания нефтепродуктов. Кроме того, существует проблема быстрого получения дешевой тепловой энергии в условиях предприятий сервиса, в том числе и для не являющихся непосредственно источником нефтеотходов (бани, прачечные и т.п.).

Поэтому весьма актуальной является задача разработки оборудования и методов утилизации нефтесодержащих отходов предприятий сервиса, использование которых не приводит к загрязнению окружающей природной среды. Особое значение приобретает получение на основе отходов товарных целевых продуктов (смесь окиси углерода и водорода), что позволяет существенно снизить издержки на переработку отходов.

Одним из возможных и перспективных вариантов утилизации нефтесодержащих отходов является их переработка в процессе погружного горения природного газа в кислороде с получением синтез-газа (или смесей его с этиленом и ацетиленом). Синтез-газ является 4 ценным и дорогостоящим исходным сырьем для производства жидких и твердых парафинов, используемых в свою очередь при получении поверхностно-активных веществ и искусственного жидкого топлива. Существо предложенного метода состоит в том, что природный газ при горении в кислороде либо непосредственно превращается в синтез-газ, либо продукты его полного сгорания СО2 и Н2О превращаются при высокой температуре в жидкой органической среде в смесь оксида углерода, водорода, этилена и ацетилена. При этом, в случае неполного сгорания природного газа возможно проведение процесса в водной среде, а при полном сжигании — в среде органических углеводородов (нефтеотходов).

Основными преимуществами разрабатываемого реакционного аппарата и метода утилизации нефтеотходов являются возможность проведения непрерывного цикла конверсии нефтеотходов при сжигании природного газа без коксоотложения на поверхности реакционных устройств, компактность оборудования и простота аппаратурного оформления.

Особое значение имеет высокая теплотехническая эффективность процесса и оборудования для погружного горения в среде нефтепродуктов и под слоем воды. В первом случае, возникают предпосылки для создания энерготехнологических процессов, энергетическая и экономическая эффективность которых значительно выше, чем при использовании традиционных технологий. Во втором случае, возникают предпосылки для создания на базе реакционных аппаратов погружного горения компактных автономных теплогенераторов для быстрого и экономичного получения тепловой энергии, например в условиях банно-прачечных комбинатов, передвижных прачечных и т.п. Поэтому являются актуальными 5 исследования, связанные с направленной переработкой (утилизацией) нефтесодержащих отходов предприятий сервиса в сочетании с получением ценных углеводородных продуктов и тепловой энергии.

Целью работы является определение оптимальных конструктивно-технологических параметров реакционного аппарата для реализации процесса конверсии нефтеотходов с получением синтез-газа и тепловой энергии на основании изучения основных закономерностей процесса погружного горения природного газа в среде нефтеотходов предприятий сервиса,.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ состояния проблемы переработки нефтесодержащих отходов предприятий сервиса и обоснование конверсии нефтеотходов методом погружного горения природного газа с получением синтез-газа и тепловой энергии.

2. Теоретическое обоснование и экспериментальное изучение возможности применения реакционного аппарата для генерирования тепловой энергии и получения синтез-газа в условиях погружного горения в водной среде.

3. Разработка лабораторной установки по изучению процесса конверсии нефтеотходов методом погружного горения и отработки конструктивных параметров реакционного аппарата.

4. Разработка методики проведения экспериментов по определению оптимальных параметров процесса и оборудования для конверсии нефтеотходов.

5. Экспериментальные исследования условий конверсии нефтеотходов с получением синтез-газа и тепловой энергии.

6. Разработка и испытание горелочного устройства для реализации процесса погружного горения. 6

7. Определение оптимальных теплотехнических показателей реакционного аппарата (скорость движения газовой фазы, глубина погружения горелки).

8. Разработка принципиальных схем технологических процессов конверсии нефтеотходов и получения тепловой энергии для предприятий сервиса с применением аппарата погружного горения.

9. Разработка методики, алгоритма и программы расчета основных теплотехнических параметров автономных теплогенераторов на базе аппаратов погружного горения для теплоснабжения банно-прачечных комбинатов.

Возможность реализации процесса конверсии нефтеотходов предприятий сервиса с получением синтез-газа и тепловой энергии с применением аппарата погружного горения исследуется впервые.

Для этого необходимо получить математические модели, описывающие изменения основных показателей процесса в зависимости от ряда важнейших факторов, что позволит давать рекомендации по проектированию реакционного оборудования и осуществлять режим конверсии природного газа с целью получения синтез-газа с заданным соотношением ССШ2.

Необходимо располагать также динамическими характеристиками реакционного аппарата, оптимальными (предельные) значениями скорости подачи газовой фазы (глубины погружения горелочного устройства) для определения удельной поверхности теплопередачи и объема реакционного аппарата.

Практическая значимость заключается в том, что должны быть получены доказательства практической осуществимости и определены оптимальные параметры для аппаратурного оформления технологического процесса конверсии нефтеотходов предприятий 7 сервиса с получением синтез-газа и тепловой энергии с применением аппарата погружного горения; разработаны и апробированы конструкции газогорелочного устройства для конверсии нефтеотходов с получением синтез-газа и тепловой энергии. Необходимо также разработать принципиальные технологические схемы для станций централизованной переработки нефтеотходов предприятий сервиса в синтез-газ и тепловую энергию и теплоснабжения банно-прачечного комбината с использованием автономного теплогенератора на базе аппарата погружного горения. Для определения основных теплотехнических параметров типоразмерного ряда автономных теплогенераторов на базе аппаратов погружного горения для теплоснабжения предприятий сервиса (на примере банно-прачечных комбинатов) необходимо располагать зависимостями, алгоритмами и программами расчета основных теплотехнических параметров автономных теплогенераторов. 8

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

ВЫВОДЫ.

1. Выполнен анализ состояния проблемы переработки нефтесодержахцих отходов предприятий сервиса и обоснование конверсии нефтеотходов методом погружного горения природного газа с получением синтез-газа и тепловой энергии.

2. Теоретически обоснована и экспериментально изучена возможность применения реакционного аппарата для получения синтез-газа в условиях погружного горения в водной среде и генерирования тепловой энергии, что позволяет обеспечивать автономное горячее водоснабжение прачечных при отсутствии централизованного теплоснабжения.

3. Разработаны конструкции погружных горелок для проведения процесса получения синтез-газа или его смесей с этиленом и ацетиленом, работоспособных в водной или жидкой органической средах. Конструкции представляли собой два варианта горения природного газа и были выполнены в виде беспламенного горелочного устройства или горелки с факелом пламени.

4. Определены оптимальные теплотехнические конструкивно-технологические показатели реакционного аппарата (скорость движения газовой фазы, глубина погружения горелки). Разработаны методики, алгоритмы и программы расчета основных теплотехнических параметров автономных теплогенераторов на базе аппаратов погружного горения для теплоснабжения банно-прачечных комбинатов.

5. Изучен процесс получения синтез-газа погружным горением природного газа в воде и показана принципиальная возможность получения синтез-газа этим способом. Установлено, что при соотношении кислород: природный газ в пределах 0,4—1,6 (об.) может быть получен синтез-газ в соотношении СО:Н2=1:1,5—2,1 (об.).

151

1. Родионов А. И., Клушин В. Н., Торочешников Н. С., «Технология защиты окружающей среды» М., Химия, 1989.

2. Ромашов П. Г., Фролов В. Ф. Теплообменные процессы химической технологии. JL: Химия, 1982. 288 с.

3. Ясиновский А. А. Оборудование термического обезвреживания промышленных стоков. М. Машиностроение, 1972, 136с.

4. Шурыгин А. П., Бернадинер M. М. Огневое обезвреживание промышленных сточных вод. Киев. Техника. 1976, 200с.

5. Яковлев С. Карелин Я. А., Ласков Ю. М., Воронов Ю. Н. Водоотводящие системы промышленных предприятий. М. Стройиздат, 1990, 85с.

6. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник /Бакластов А. М. и др. под ред. Григорьева В. А. и Зорина В. M. М. Энергоатомиздат, 1983, 552с.

7. Захарова 3. Л., Рачинский А. В., Кузьмин П. А. Газовые контактные водонагреватели и их применение в народном хозяйстве. Л. Недра, 1966, 143с.

8. Коган В. Б. Теоретические основы типовых процессов химической технологии. Л.: Химия, 1977. 592 с.

9. Алабовский А. Н. Выпарные аппараты погружного горения. КиевВища школа, 1980, 120с.

10. Таубман Е. И. Выпаривание. М.: Химия, 1982. 328 с.

11. Пономарев Ю. Л. Аппараты погружного горения в химической промышленности (Обзорная информация). М.: НИИТЭХИМ, 1975. 48 с.

12. Пути совершенствования и внедрения аппаратов погружного горения, обеспечивающих значительную экономию топлива: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. /УкрНИИХиммаш.М .ЦИНТИХИМНЕФТЕ-МАШ, 1986. 31 с.152

13. Волков Г. И., Кухарев Е. Д.//Химическое и нефтяное машиностроение, 1970, № 10, с. 25-26.

14. Лосиевский К. Д., Волков Г. И., Гришко И. Д., Вирич В. С. //Химическое и нефтяное машиностроение. 1968. № 5 с 2-3.

15. Кутателадзе С. С., Стыринович М. А. Гидродинамика газожидкостных систем. М. Энергия 1976, 296с.

16. Машины и аппараты химических производств/И. И. Чернобыльский, А. Г. Бондарев, Б. А. Гаевский и др. Киев: ГНТИ машиностроительной лит-ры, 1961. 493с.

17. Пути совершенствования и внедрения аппаратов погружного горения, обеспечивающих значительную экономию топлива: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф./УкрНИИХиммаш. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕ-МАШ, 1986. 31 с.

18. Удыма П. Г. Аппараты с погружными горелками. М.: Машиностроение 1973. 271с.

19. Майсоценко В. С. Аппарат контактного охлаждения газов. А. с. №1043462. Бюлл. изобр. №35, 1983.

20. Аронов И. 3. Контактный нагрев воды продуктами сгорания природного газа. Л.: Недра, 1978. 279 с.

21. Вакк Э.Г., Семенов В.П. Каталитическая конверсия углеводородов в трубчатых печах. М. : Химия. 1973. 193с.

22. Темкин М.И. и др./ Научные основы каталитической конверсии углеводородов. Киев. Наукова думка. 1977. Зс.

23. Волынский A.B., Целевич A.A./ Научные основы каталитической конверсии углеводородов. Киев, наукова думка. 1977. 242с.

24. Атрощенко В.И. и др. / Научные основы каталитической конверсии углеводородов. Киев. Наукова думка. 1977. 233с.

25. Гориславед С. П. и др. / Пиролиз углеводородного сырья. Киев. Наукова думка. 1977. 309с.153

26. Гришко С.П., Карапетьянц М.Х. / Хим. пром. 1966 Т42. №11. 827с.

27. Woebcke H.N. е.a. Economics of gas oil pyrolysis / Chem. Progr. Symp. Ser. 1970. V 66. №103. P 34.

28. Яи Ю. Б. , Нефедов Б.К. Синтезы на основе оксидов углерода. М. : Химия. 1987. 157с.

29. Лейбуш А.Г. и др. Производство технологического газа для синтеза аммиака и метанола из углеводородных газов. М. : Химия. 1971. 26с.

30. Бодров Н.М. , Апельбаум Л.О. , Темкин М.И. // Кинетика и катализ. 1968. Вып. 9. с1065.

31. Справочник азотчика. М. : Химия. Т. 1. 88с.

32. Лебедев H.H. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза.

33. Фрид Е.Б., Фрид М.Н. Особенности пиролиза легких углеводородов в промышленных печах / Химия и технология топлив и масел. 1966. №12. с5.

34. Sato Т., Ktada Т. , Mitsubishi thermal cracking furnace / IEER. 1972. V.4. № 7. P.14.

35. Барабанов А.Л. Высокотемпературный пиролиз углеводородов // Серия "Нефтехимия и сланцепереработке". М.ЦНИИТЭнефтехим. 1971. с71.

36. Hydrocarbon Process. 1971. V. 50. № 12. Р.113.

37. Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. 1979. № 4. с130.

38. Масальский К.Е. , Годик В.Н. Пиролизные установки. М. : химия. 1968.143с.

39. Агаев С.Г. Экономическая эффективность комплексного использования пиролизного сырья// Изв. ВУЗов. "Нефть и газ". 1976. №8. С 96.

40. Печуро Н.С. и др. Способ пиролиза углеводородов в расплавленном теплоносителе. A.C. СССР№ 458249. 1974.154

41. Thorpe Т.Е. Youngd/Proc. Soc. L. 1873 V21. P 184.

42. Bone H.A., Coward H.F. /1. Chem. Soc. 1908. V 93. P 1197.

43. Hague E.N., Weeler A.V. /1. Chem. Soc. 1929. V 51. P378.

44. Райе Ф.О. Свободные алифатические радикалы JI. : Химтеорет. 1937. 201с.

45. Тилигес М.Д. Химия крекинга. М. : Гостопиздат. 1946. 266с.

46. Калечиц И. В. и др. Влияние состава сырья на выход основных продуктов пиролиза. // Серия "Нефтехимия и сланцепереработка" М. ЦНИИТЭ нефтехим. 1971. с21.

47. Мухина Т.Н. и др. // Сб. Производство низших олефинов. М. ЦНИИТЭ нефтехим. 1971. Вып. 5. с13.

48. Меркурьева С.Н. Кандидатская диссертация. МИТХТ им. М.В. Ломоносова. М. 1975.

49. Parker О. // Ind. Chem. 1958. V 10. № 35. Р 416.

50. Krause J. // Chem. Technik. 1959. Bd. 55. № 1. S 68.

51. Ind. Eng. Chem. 1955. V. 47 № 15. P 1522.

52. Антонов B.H. Лапидус Л.С. Производство ацетилена. M. : Химия. 1970. 83с.

53. Rummert J. Verfahren Zur Durchfuhrung endothermer chemischer Reaktionen. / Патент ФРГ № 967973. 1956.

54. Hoechst. Process and divice for carring out chemical reactions at high temperatures. / Патент США № 2985698. 1960.

55. Мухина Т.Н. и др. Пиролиз нефтяных фракций главный источник сырья для нефтехимимческой промышленности. / ЖВХО им. Д.И. Менделеева. 1977. Т 22. № 1. с8.

56. Майоров В.И. , Мухина Т.Н. Реактор для пиролиза углеводородов. / A.C. СССР. № 117201. 1958.

57. Майоров И.М., Мухина Т.Н. //Газовая пром. 1966. № 12. с42.155

58. Романюк И.М. , Андрушко А.Н. Способ получения ацетилена и олефиновых углеводородов. / A.C. СССР № 432169. 1972.

59. Wett Ted. Kureha crakc crude oil for olefins. / Oil and Gas J. 1972. V 70. № 6. P 76.

60. Pleatz R., Verfahren zur Spaltung flussiger Kohlenwasserstoffe. / Патент ФРГ№ 106359s, 11. 01. 1957.65. "BASF" Improvment in the cracring of hydrocarbons. / Патент Великобритании. № 827438. 1958.

61. Kroper H. Platz R. Das Tauchflammen-Cracken von Roholen für die Erzengung von Acetylen. Erdöl und Kohle, 1963. B16, № 6, S 537.

62. Cociasu C., Dumitrescu A. Procedul de obtinere a acetilenei si etenci cuflacara imersata., Revista de chemie, 1971. V 22, № 12. P 715.

63. Крепар Г. Платц Р. Получение ацетилена крекингом нефти в погружной горелке. /"Нефтехимия за рубежом". М. ЦНИИТЭ нефтехим, 1965. вып. 5. с69.

64. Кордыш Е. и др. , Исследования новых способов получения ацетилена из углеводородов. Отчет Северодонецкого ф-ла ГИАП №71029989, Северодонецк, 1971, с95.

65. Кордыш Е.И. и др. Получение ацетилена и этилена методом погружного горения. /Хим. пром. 1973. № 5. с10.156

66. Романюк И.М., Андрушко Л.Н. Получение ацетилена и этилена методом погружного горения. Хим. пром. 1976. № 10. с13.

67. Печуро Н.С. и др. Пиролиз сырой нефти в среде расплавленного свинца// Труды МИТХТ им. М.В. Ломоносова. М. 1972. Вып. 2. с91.

68. Печуро Н.С. и др. Способ получения низших олефинов. A.C. СССР №413864. 1973.

69. Печуро Н.С. и др. Способ пиролиза углеводородов в расплавленном теплоносителе. A.C. СССР №458249. 1974.

70. Печуро Н.С. и др. Термическое разложение углеводородного сырья в среде циркулируемого расплавленного свинца //Нефтепереработка и нефтехимия. 1972. № 8. с24.

71. Печуро Н.С. и др. Способ получения ацетилена и олефиновых углеводородов. A.C. СССР№ 707302. 1973.

72. Печуро Н.С. и др. Способ получения смеси ароматических углеводородов./ A.C.СССР № 863584.1981.

73. Печуро Н.С. и др. Способ получения низш олефинов. /A.C. СССР № 941000. 1982.

74. Печуро Н.С. и др. Погружная горелка. /А.С, СССР№ 1080571. 1983.

75. Печуро Н.С. Пиролиз жидких олефиносодержщих отходов в токе перегретого теплоносителя. // Труды МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 1974. т 2. Вып. 2. с142.

76. Печуро Н.С. и др. Термическое разложение додекана в токе высокотемпературного газообразного теплоносителя. // Труды МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 1975. т v. Вып. 2. с215.

77. Андреев Е. И. Расчет тепло- и массообмена в контактных аппаратах. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 192 с.

78. Соснин Ю. П. Контактные водонагреватели. М.: Стройиздат, 1974. 359 с.157

79. Соснин Ю. П., Сухарин Е. Н. Высокоэффективные газовые контактные водонагреватели. М. Стойиздат. 1988. 92с.

80. Заставнюк В. К.//Теплообменные и теплофизические свойства морских в солоноватых вод при их использовании в парогенераторах и опреснителях. Баку, 1973. С. 77-82.

81. Верников Я. Н., Андросов В.Ф. Обработка текстильных изделий в водных растворах С.М.С. М. Легпромбытиздат. 1986. 87с.

82. Таубман Е. И., Пастушенко Б. Л. //Изв. вузов. Энергетика, 1980. № 8. С. 122-126.

83. Галкин В.И., Куликов В. Е. Эксплуатация и ремонт котельных установок. М. Энергоатомиздат. 1983. 35с.

84. Солодов А. П.//Теплоэнергетика, 1971. № 4. С. 50-53.

85. Мальцев М. Л., Таубман Е. И., Медзеновский В. Б.//Динамика тепловых процессов в энергетике и технологии. Киев, 1971. С. 86-95.

86. Ефремцев В. С.//Исследование тепло- и массообмена в технологических процессах и аппаратах. Минск: Наука и техника. 1966, С. 68-72.

87. Фраас А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников: Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1971. 358 с.

88. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов, /под ред. М.Д. Тилигеева. М. : ГНТИ нефтяной и горено-топливной литературы. 1951. с538.

89. Мак-Нейер Г., Бонелли Э. Введение в газовую хроматографию. М. : Мир.1970.с275.

90. Кафаров В.В., Ахназарова С.Л. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М. : Химия. 1978. с318.

91. Кафаров В.В., Бояринов А.И. Методы оптимизации в химической технологии. М. : Химия. 1975. с573.

92. Долгов Б.Н. Катализ в органической химии. ГНТИ. 1959. с807.158

93. Розовский А.Я. Проблемы переработки природного газа и утилизации. //Тез. докл. 3 Между, конф. "Наукоемкие химические технологии" Тверь : 1995. с72.

94. Shrader R.I. Process for pyrolysis of hydrocarbons. Патент США № 2790838. 1957.

95. Миллер С.А. Ацетилен, его свойства, получение и применение. JI. : Химия. 1969. т1. с878.

96. Kroper Н., Platz R. Crack crude directly to acetylene. // Hydrocarbon Process and Petrol. Ref. 1963. V42. №7. P1953.

97. Сторч Г., Голамбик Н. , Андерсон Р. Синтез углеводородов из окиси углерода и водорода. М. : ил. 1954. 269с.

98. Хитрин JI.T. Физика горения и взрыва. М. : Наука, 1957. с318.

99. Кондратьев JI.T., Хадиуззаман Мд. Процесс получения синтез-газа погружным горением природного газа в кислороде. //Академические вести. Научно-методический бюллетин ГАСБУ, М.: 1998. Вып. 49. сЗ.

100. Бокаластов А. М., Горбенко В. А. Удыма П.Г. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплообменных установок. М. Энергоиздат. 1981. 336с.

101. Таубман Е. Н., Горнев В. А., Мальцев М. Л., Пастушенко Б. Л., Савинкин В.И. Контактные теплообменники. М. Химия 1988. 282с.

102. Бэр Г. Д. Техническая термодинамика. М. Мир. 1977. 254с.

103. Рузинов Л.П. Статические методы в химии и химической технологии. М. : Химия. 1972. с 198.

104. Хадиуззаман Мд., Котов Л.В., Кондратьев Л.Т. Получение синтез-газа конверсией углеводородного сырья при горении природного газа в кислороде. Депон. в ВИНИТИ № 3191-в 97. 1997.

105. Хадиуззаман Мд., Котов Л.В., Кондратьев Л.Т. Беспламенное погружное горение природного газа в кислороде. // Газовая промышленность. 1998. № 3. с58.159

106. Хадиуззаман Мд., Кондратьев JI.T. Получение синтез-газа погружным горением природного газа. //Тез. докл. III. Межд. Научно-техн. конф. "Наука сервису". М. : 1998. с 147.