автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Совершенствование барботажных колонных реакторов в производстве нефтяных битумов

На правах рукописи

АБИШЕВ АРТЕМ АЛЬБЕРТОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ БАРБОТАЖНЫХ

КОЛОННЫХ РЕАКТОРОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ НЕФТЯНЫХ БИТУМОВ

Специальность 05.17.08 «Процессы и аппараты химических технологий»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ФёВ 1015

005558703

Пермь-2014

005558703

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты производственных процессов» ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Загидуллин Сафар Хабибуллович.

Официальные оппоненты: Голованчиков Александр Борисович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Процессы и аппараты химических производств»;

Коныгин Сергей Борисович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Машины и аппараты химических производств».

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный

нефтегазовый университет».

Защита диссертации состоится «25» марта 2015 г. в 1600 на заседании диссертационного совета Д 212.289.03 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» и на сайте www.rusoil.net.

Автореферат разослан «15» января 2015 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Абдульминев Ким Гимадиевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время в связи с активным развитием в России промышленного, гражданского и дорожного строительства, особую значимость приобретает задача увеличения производства нефтяных битумов и повышения их качества.

Одним из сдерживающих факторов в решении этой задачи является несовершенство аппаратов, применяемых для окисления исходного нефтяного сырья кислородом воздуха. Ранее для этой цели использовали малоэффективные окислительные кубы, позже - трубчатые реакторы непрерывного действия. Начиная с 1970 - 1975 гг. на их смену пришли более совершенные аппараты - полые барботажные колонные реакторы (окислительные колонны), в разработку которых большой вклад внесли отечественные ученые (Р.Б. Гун, И.Б. Грудников и др.).

Несмотря на неоспоримые достоинства, такие как большая единичная мощность, легкость управления и автоматизации технологического процесса и др., полые окислительные колонны уже не соответствуют современным требованиям. В первую очередь это относится к низкой степени использования кислорода воздуха, особенно при получении высокоокисленных марок битумов, недостаточно высокому качеству вырабатываемой продукции, образованию большого количества твердых отложений на стенках аппарата.

Известные разработки по совершенствованию окислительных колонн или достаточно сложны, или лишь частично устраняют перечисленные недостатки.

Преодоление этих трудностей, по нашему мнению, возможно за счет дальнейшего совершенствования конструкции окислительных колонн. Необходимо добиться существенного улучшения гидродинамических характеристик газо-жидкостного слоя и увеличения площади поверхности контакта фаз в реакционном пространстве, что в свою очередь положительно скажется на производительности оборудования и качестве вырабатываемой продукции.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка и экспериментальное обоснование решений, направленных на повышение эффективности функционирования реакторов получения битумов, за счет совершенствования структуры движения газо-жидкостного слоя.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- исследование состояния и свойств смеси воздуха и нефтепродуктов, соответствующих средам, находящимся в реакторах получения битумов;

- исследование структуры газожидкостных потоков и распределения времени пребывания долей жидкости на «холодных» моделях барботажных реакторов;

- изучение влияния внутренних устройств барботажных реакторов на локальные гидродинамические характеристики двухфазных потоков;

-разработка практических рекомендаций по оптимизации структуры газожидкостных потоков в реакторах окисления нефтяных остатков;

— опытно-промышленная проверка предложенных рекомендаций.

Научная новизна

1. Экспериментально обоснованы границы существования режимов барботажа в газо-жидкостных системах, моделирующих свойства сред в реакторе производства нефтяных битумов. Установлено, что турбулентному режиму соответствуют приведенные скорости газа более 0,015 м/с и газосодержание более 0,07 м3/м3.

2. Усовершенствована модель, описывающая движение пузырьков при исследовании барботажного слоя методом динамического вывода газа. Выработан алгоритм анализа экспериментальных данных модели и рассчитаны размеры пузырьков в системе «нефтепродукт-воздух», моделирующей реальную реакционную смесь в производстве окисленных битумов. Показано, что диаметр большей части пузырьков находится в пределах 10-75 мм.

3. Изучена структура газо-жидкостного слоя под перфорированной перегородкой в секционированной барботажной колонне. Определено влияние основных геометрических характеристик перегородок на газосодержание и поверхность контакта фаз в аппарате. Установлена теоретическая связь между средним поверхностно-объемным диаметром пузырьков воздуха в пространстве под перегородкой с физическими свойствами системы и газосодержанием.

4. Установлено, что малоактивный слой газа под перегородкой в секционированной барботажной колонне в определенных условиях может превращаться в пену с высокой удельной поверхностью контакта фаз. Одновременно с этим устраняется нежелательный «провал» жидкости через перегородку. Данные эффекты предложено использовать при модернизации окислительных колонн производства нефтебитумов.

Практическая значимость

На основе проведенных исследований разработаны проекты модернизации окислительных колонн, учитывающие основные закономерности работы перфорированных перегородок в «затопленном» прямоточном режиме. Колонны внедрены в битумном производстве ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез».

Результаты длительной эксплуатации подтвердили улучшение большинства технологических показателей работы модернизированных аппаратов и качественных показателей вырабатываемой продукции. При выработке дорожного битума марки БНД 90/130 производительность окислительной колонны диаметром 3,5 м увеличилась на 10 - 15 м3/ч, удельный расход воздуха уменьшился от 100 - 120 до 90 - 105 м3/м3, расширился и температурный интервал пластичности битума. При производстве

строительного битума марки БН 90/10 производительность колонны диаметром 3 м увеличилась на 2-4 м3/ч, удельный расход воздуха уменьшился от 185 - 190 до 160- 180 м3/м3.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс и используются при чтении лекций, выполнении курсовых проектов и ВКР для студентов специальности 24.08.01 - «Машины и аппараты химических производств» и профиля подготовки 151000.62 «Оборудование нефтегазопереработки».

Апробация работы

Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы доложены на международных конференциях (Тамбов 2007 г., 2009 г., Уфа, 2013 г., Салават, 2013 г.), всероссийской конференции (Самара, 2011 г.), региональной конференции (Пермь, 2013г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 5 статей в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ, из них 2 статьи, входящие в МИНЦ (Scopus), тезисы докладов 5 конференций, получен 1 патент РФ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 184 страницах, содержит 56 рисунков, 11 таблиц, библиографию из 315 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования. Показана научная новизна и практическая значимость решения поставленных проблем.

В первой главе приведена классификация аппаратов - реакторов для окисления нефтяных остатков, рассмотрены технологические схемы и параметры их работы, выполнено сравнение основных эксплуатационных показателей. Показано, что современные колонны, снабженные устройствами для улучшения контакта сырья и окислителя, не всегда и не в полной мере превосходят показатели полых аппаратов.

Проанализированы литературные данные о структуре газо-жидкостного слоя в барботажных колоннах, применяемых как для окисления нефтяных остатков, так и в других целях. Установлено, что имеющаяся в открытых источниках информация не дает полного представления о гидродинамике газожидкостных смесей в колоннах окисления нефтяных остатков и часто имеет отрывочный и разноречивый характер. Показана необходимость более

детального изучения режимов барботажа и характеристик газо-жидкостного слоя, в том числе с привлечением современных методов исследования.

Во второй главе представлены результаты экспериментальных исследований гидродинамики барботажного слоя в различных системах

В колонных аппаратах в зависимости от приведенной скорости газа различают два режима барботажа: ламинарный и турбулентный. Момент, когда

устанавливается турбулентный режим, характеризуется критическими значениями газосодержания и скорости газа .

Для определения критических газосодержаний и скоростей газа проведены эксперименты, с использованием различных компаундов из светлых дистиллятов нефти, близких по своим физическим свойствам к нефтяным битумам при температуре окисления, а также воды (таблица 1). Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1.

Газосодержание определяли по

Рисунок 1-Схема экспериментальной ВЫСОте газо-жидкостного слоя и по

установки для исследования структуры перепаду давления на стабилизированном

барботажного слоя в системе участке барботажа. Расхождение между

нефтепродукт-воздух. 1 - корпус методами не превышало 5%. Критические

колонны; 2 - барботер; 3 - компрессор; газосодержание и приведенную скорость

4 - дифференциальный манометр газа 0Пределяли по методу Зубера-Финдлея.

Таблица 1 - Свойства исследуемых компаундов нефтепродуктов

Жидкость Плотность, кг/м3 Вязкость, мПа-с Поверхностное натяжение, мН/м

Компаунд 1 830,0 2,91 27,26

Компаунд 2 845,0 7,27 26,85

Компаунд 3 849,6 10,15 27,37

Компаунд 4 853,3 13,76 28,13

Компаунд 5 860,2 25,75 28,80

Компаунд 6 867,4 61,20 30,80

Установлено, что с увеличением вязкости жидкости общее газосодержание слоя уменьшается (рисунок 2). Это может быть связано с преимущественным образованием в таких жидкостях больших пузырей, которые поднимаются с высокой скоростью. Критические газосодержание и приведенная скорость газа (скорость газа в свободном сечении колонны) с увеличением вязкости сначала довольно резко падают, затем остаются практически постоянными (рисунки 3 и 4).

«нефтепродукт-воздух».

1 Воздух

<»270

ПК

{44 1

И. X

X

ж

1300

1

2

□ Скорость газа - 0,008 м/с

О Скорость газа - 0,017 м/с

А Скорость газа - 0,031 м/с

О Скорость газа - 0,042 м/с

Полученные данные о зависимости критических значений газосодержания (ее) и приведенной скорости газа (иве) от вязкости (ц) с точностью ±10% могут быть обобщены следующими эмпирическими регрессионными зависимостями:

ес = 0,011 (1)

ивс = 0,0071-ц"«\ (2)

Для определения структуры газо-жидкостного слоя и объяснения характера полученных зависимостей были проведены исследования процесса барботажа методом динамического вывода газа. Суть данного метода состоит в измерении скорости «оседания» газожидкостной смеси после резкой остановки подачи газа.

Результаты получают в виде зависимости перепада давления между двумя точками или относительной высоты газожидкостного слоя (Щ1)/Но), от времени (/).

0,20

Г 0,15-

я 0,10-

к

! 0,05-

о

Л

О

Од00 оАл

О Л

о

о

□ □

0,00 0,01

0,02 0,03 0,04 0,05 Вязкость (Па ■ с)

0,06 0,07

Рисунок 2 - Зависимость газосодержания от вязкости жидкости

>0,15

|

а § 0,10

S 0.05

■ 0.00

0,00 0.01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 Вязкость (Па • с)

Рисунок 3- Зависимость критического газосодержания от вязкости жидкости

2 0,03

¡0,02

0,01

оо

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 Вязкость (Па ■ с)

Рисунок 4 - Зависимость критической приведенной скорости газа от вязкости жидкости

Для повышения точности обработки и интерпретации результатов нами предложена модифицированная модель обработки экспериментальных зависимостей. В соответствии с ней, опытные кривые вывода газа аппроксимируются отрезками количеством п, характеризуемыми уравнениями Я(У/Яо=6,+5,?. Угол наклона соседних отрезков к оси абсцисс должен отличаться более чем на 5 %, в противном случае они объединяются в один.

Каждый отрезок описывает уменьшение относительной высоты газожидкостного слоя в процессе выхода из него определенной группы пузырьков близких по размерам. Тогда доля (еу, у'=2...л) некоторой группы пузырьков может быть найдена следующим образом:

«^-Ц^-Е*.. О)

ЪJ

где 8о - общее газосодержание в аппарате.

Доля первой группы (/=1) определится по уравнению:

£1=Ео-ЁЕ<- (4)

(=2

Средняя скорость коллективного всплытия пузырьков для каждой группы рассчитывается в соответствии с выражением:

„ _ -но "('-Г,

и»¡.1--:-• (5)

Скорость всплытия пузырьков других групп во время вывода у'-ой группы (ив у) в выражении (5) находят из условия неизменности их скоростей скольжения (uвsi) относительно жидкости:

ивя="ви+иц- (6)

Скорости жидкости (иц) и скорости скольжения пузырьков определяются непосредственно из полученных графиков зависимостей относительной высоты газо-жидкостного слоя от времени. По найденным скоростям всплытия рассчитывают средний диаметр пузырька для каждой группы и находят средний поверхностно-объемный диаметр, характеризующий весь барботажный слой.

С использованием этой модели получено распределение пузырьков по группам диаметров, количество которых в зависимости от приведенной скорости газа и свойств жидкости, составило от двух до пяти. Установлено, что диаметр большей части пузырьков находится в пределах 10...75 мм. С ростом вязкости компаундов доля таких пузырьков возрастает. Их малым временем пребывания в барботажном слое можно объяснить снижение величины газосодержания (рисунок 5).

Рост газосодержания в таких системах при увеличении подачи газа в аппарат происходит, в основном, за счет доли пузырьков наибольшего размера, а доля меньших пузырьков при этом практически не изменяется (рисунок б). Установлено также существование микросферических пузырьков, объемная доля которых достигала 2 %. Они, вероятно, состоят из продуктов окисления и, тем самым, могут уменьшать полезное реакционное пространство.

Доля наиболее крупных пузырьков в общем объеме газа возрастает с увеличением его приведенной скорости (иа) и вязкости жидкости в пределах 7-^-25 мПа-с по следующей эмпирической зависимости:

е^ = 1,652 • ц0,104 • Но'072. (7)

Необходимо отметить, что для изученных компаундов, обладающих наименьшей и наибольшей вязкостью, закономерности не сохраняются. Это может быть вызвано другими значениями сил, действующих на поднимающиеся пузырьки газа в данных жидкостях.

0,8

□ ▲ ▼ Компаунд №1 ♦ Компаунд №2 Компаунд №3 # Компаунд №4 Компаунд №5 <] Компаунд №6 - Кривые из уравнения (7)

- : : ▼ t

D Ь--""-----♦ □ <L- <J

□

0,10

В.0,05-

"Крулные" пузырьки

Пузырьки меньших размеров

g 0.010 0,015 0,020 0.025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 г=г Приведенная скорость газа (м/с)

Рисунок 5 - Зависимость доли крупных пузырьков в объеме газа от его приведенной скорости

0,020

0,025 0,030 0,03 5 0,040 0,045 Приведенная скорость газа (м/с) Рисунок 6 - Сравнение долей пузырьков различного размера в системе компаунд № 4 - воздух

В жидкостях с вязкостью в пределах 7^-25 мПа с за счет роста доли «крупных» пузырьков увеличивается также и средний поверхностно-объемный диаметр, характеризующий весь газо-жидкостный слой (рисунок 7). В более вязких жидкостях эта тенденция выражена сильнее.

Полученные результаты

2 0,0028

е-

а 0.0026

4 0,0024

)К

| 0,0022

о

о 0,0020 ô

Ь 0,0018

0

g. 0,0016

1 0,0014

5

5 0,015

□ Компаунд №2 о

О Компаунд №3

Л Компаунд №4

О Компаунд №5 О Л д о

О Л о Л

2 о О □ о о о □ □

□

0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 ^ Приведенная скорость газа (м/с)

Рисунок 7 - Зависимость среднего поверхностно-объемного диаметра пузырьков от приведенной скорости газа

позволили сделать практически важные выводы, касающиеся совершенствования конструкции окислительных колонн.

Во-первых, из

сопоставления промышленных нагрузок по газу с полученными критическими скоростями

следует, что в окислительных колоннах из-за турбулентного режима барботажа размер пузырьков почти не зависит от способа его первоначального диспергирования.

Следовательно, ввод газа в колонну без заметного ухудшения качества диспергирования можно производить распределителями со сравнительно крупными отверстиями.

Во-вторых, так как большей частью газ движется в виде крупных пузырьков, то следует предусмотреть мероприятия для увеличения площади

ЗйЗщХ к

7

■О-

6 5

:0'

X

ТТ

7.2

/ 10

. / 0§

1

Ф200

х

3

II

поверхности его контакта с жидкостью, например путем повторного диспергирования.

В третьей главе анализируются возможные способы улучшения работы колонн производства нефтяных битумов.

С учетом возможности закоксовывания в качестве прототипа было выбрано наиболее простое устройство, используемое в химической промышленности в сильно кристаллизующихся средах при производстве соды. Оно представляет собою горизонтальную перфорированную перегородку с относительно крупными отверстиями, работающую в «затопленном» режиме и разделяющую барботажный слой на секции. Приведен обзор работ, в которых изучались особенности работы секционированных барботажных колонн.

Из-за малой изученности

функционирования перфорированных

перегородок в «затопленном» режиме при прямотоке жидкости и газа нами проведены специальные исследования.

Опыты производили на непрерывно действующей укрупненной стендовой установке (рисунок 8), включавшей стеклянную колонну диаметром 0,2 м, высотой 2,3 м (1,8 м), разделенную на две секции. Между ними устанавливали съемные перфорированные перегородки, основные геометрические параметры которых представлены в таблице 2.

В качестве модельных веществ служили вода и воздух. Приведенная скорость газа была близкой к значениям для промышленных барботажных колонн и изменялась в диапазоне от 5-Ю"2 до 9-Ю"2 м/с, приведенную скорость жидкости варьировали от 0 до 3-Ю"2 м/с.

Общее газосодержание в колонне определяли, исходя из газосодержания каждой секции, по перепаду статического давления в ней. Также определяли перепад давления, создаваемый самой перегородкой. Структуру барботажного слоя в пространстве под перегородкой исследовали, анализируя его локальные характеристики, полученные электроконтактным стереометрическим методом.

Рисунок 8 - Схема экспериментальной установки для

изучения работы секционированной барботажной колонны. 1 - корпус колонны;

2 - перфорированная перегородка;

3 - диспергатор; 4,6- ротаметры;

5 - компрессор; 7 - насос;

8 - напорный бак; 9 — измерительный зонд; 10- персональный компьютер с аналого-цифровым преобразователем; p1.p2.p3 - точки отбора давления

Таблица 2 - Параметры перфорированных перегородок

Эскиз © 1 ■Y/j

W /•'к

Обозначение П1 П2 пз П4

Доля свободного сечения 0,03 0,03 0,05 0,12

Диаметр отверстий, м 0,005 0,01 0,005 0,005

Количество отверстий 48 12 81 192

Схема расположения отверстий вершины треугольников концентрические окружности вершины квадратов вершины квадратов

Из полученных данных следует, что секционирование позволяет существенно увеличить газосодержание барботажного слоя. Восходящий проток жидкости через колонну несколько снижает эффект секционирования, однако при этом он значительно уменьшает нежелательный обратный ток через перегородку.

Обратный ток с увеличением приведенной скорости жидкости уменьшается и при критическом значении (uLc) полностью исчезает. Критическая скорость зависит от свободного сечения перегородки (5), диаметра отверстий (dh) и приведенной скорости газа:

uIC =0,148 (В)

В качестве предпочтительных значений свободных сечений перегородок предлагается использовать S = 0,05 ... 0,07. Это позволит целенаправленно предотвратить обратное перемешивание жидкости через перегородку без существенных затрат на её подачу с высокой скоростью.

Из анализа профилей локальных свойств газо-жидкостного слоя следует, что с увеличением расхода газа локальное газосодержание под секционирующей перегородкой возрастает. По сравнению с полой колонной профили газосодержаний становятся более пологими.

Установлено, что удельная поверхность контакта фаз (УПКФ) в пространстве под перегородкой в отсутствии подачи жидкости с увеличением скорости газа сначала возрастает, затем резко падает. Вероятно, это связано с укрупнением пузырьков и последующей инверсией фаз под перегородкой с образованием своеобразной газовой «подушки». В пользу этого говорит анализ величин газосодержаний, осредненных по сечению аппарата. Они всегда превышают пороговое значение (50-55%), указанное в литературе (Van Baten, Krishna), в том случае, если УПКФ снижается.

Кроме того, характер профилей УПКФ указывает на накопление вблизи оси аппарата крупных пузырьков газа, а более мелких - на периферии в пространстве под секционирующей перегородкой.

Установлено, что нежелательное образование газовой «подушки» под секционирующей перегородкой можно существенно сократить путем подачи в аппарат прямотоком с газом даже небольшого количества жидкости.

Одновременно с этим наблюдается рост УПКФ, что свидетельствует о превращении газовой «подушки» в слой динамической пены. Однако чрезмерное увеличение расхода жидкости приводит к уменьшению как газосодержания, так и УПКФ.

По мере удаления от перегородки вниз величины газосодержания и УПКФ приближаются к значениям для полой колонны и на расстоянии 200 мм различия и вовсе исчезают. Это объясняется тем, что максимальная пространственная протяженность явлений, возникающих при диссипации энергии газо-жидкостного потока, не может превышать максимальный масштаб турбулентности. В барботажных колонных реакторах он примерно равен диаметру аппарата.

В отсутствии подачи жидкости в колонну негативные эффекты, связанные с укрупнением пузырьков и инверсией фаз, по мере приближения к секционирующей перегородке усиливаются. Например, средний диаметр пузырьков при приближении от 30 до 10 мм возрастает на 20-100 %. Одновременное резкое снижение частоты следования пузырьков свидетельствует об образовании газовой «подушки».

Геометрические характеристики перегородки также влияют на свойства газожидкостного слоя в близлежащей области. Увеличение доли свободного сечения и диаметра перфорации отверстий влечет снижение газосодержания под перегородкой. Благодаря этому удается избежать нежелательной инверсии фаз и обеспечить образование под перегородкой слоя пены с высокой УПКФ.

В ходе экспериментов было показано, что по мере приближения к секционирующей перегородке количество газа, удерживаемое барботажным слоем, возрастает. При этом до определенного предела газосодержания возрастает и величина УПКФ, после чего наблюдается её снижение, которое заканчивается инверсией фаз. Средний диаметр пузырьков во время роста УПКФ остается практически постоянным, а при её снижении - увеличивается.

Модальный характер изменения УПКФ предложено рассматривать, исходя из теории локально-изотропной турбулентности. Показано, что критическое значение газосодержания, после достижения которого диаметр пузырьков начинает увеличиваться, а УПКФ падать, определится как:

ес2 =sDP+eDP(l-enj,), (9)

где £ dp - газосодержание, соответствующее наиболее плотной «упаковке» пузырьков.

Исходя из работ Taitel et al., Radovcic and Moissis, для воды eDP = 0,3, соответственно по уравнению (9) получим еС2 = 0,51 м3/м3.

Средний поверхностно-объемный диаметр пузырьков газа в рассматриваемых нами условиях определяется его отношением к масштабу энергетически наиболее эффективных турбулентных пульсаций (А), а также критерием Вебера (We):

dn~(10)

3 x

Известно, что наибольшее влияние на дробление пузырьков оказывают турбулентные пульсации порядка X=dn. При превышении критического газосодержания расстояние между пузырьками (/) оказывается меньше их среднего диаметра, и энергетически наиболее эффективными будут пульсации X =1. Расстояние между пузырьками аппроксимируется следующим соотношением (Wu, Kim, Ishii et al.):

1-е"3), (H)

где 5 - коэффициент.

Таким образом, для dn имеют место следующие зависимости:

-Е-2'5 при s ¿бС2, (12)

^^г.^.^^О-е1'3)]"8'5 при е>сС2, (13)

где а - поверхностное натяжение, Н/м; z - эмпирический коэффициент; pi -плотность жидкости, кг/м3.

Удельная диссипация энергии жидкости в барботажном колонном реакторе может быть определена по формуле (Shah, Kelkar, Godbole et al.):

E = ua.g. (14)

Практическая применимость уравнений (12 и 13) подтверждается результатами наших опытов.

На рисунке 9 представлены экспериментальные данные о зависимости среднего поверхностно-объемного диаметра пузырьков под секционирующей перегородкой от осредненного по сечению газосодержания. Рост величины dn начинается при s >0,5, что хорошо согласуется с нашей прогнозной оценкой.

я =

в 3 х

л о о о ж н о о X X

о с

о.

и

24 -

20

18 -

16 -

14 -

12 -

10

6 -

Кривые из уравнений (12, 13):

-мо=0,06 м/с

-----гл.=0,09 м/с

о

Экспериментальные данные: ■ иа 0,06 м/с о ?у,,=0,09 м/с

V.* Л." - г

■Ю- - ЛХ аппЭ¥- -

'-00--0! О О

-О-О'

т-

0,1

0.2

0,3

0.4

0,5

0,6

0.7

Газосодержание, м7м3 Рисунок 9 - Зависимость среднего поверхностно-объемного диаметра пузырьков газа от осредненного по сечению газосодержания

В соответствии с полученными опытными данными было найдено, что коэффициент г в уравнениях (12) и (13) равен 1,5. Полученные уравнения адекватно описывают результаты экспериментов, что следует из рассчитанного при уровне значимости, равном 0,05, критерия Фишера, который оказался меньше критического значения.

Четвертая глава посвящена изучению структуры потоков жидкой фазы в секционированном барботажном колонном реакторе с внешней циркуляционной трубой.

Работа секционированных барботажных реакторов наилучшим образом описывается ячеечной моделью с рециркуляцией. Полая барботажная колонна соответствует реактору идеального перемешивания.

Известно, что данный режим является выгодным для автотермических реакций (Левеншпиль), к которым относится и окисление нефтяных остатков. Он обеспечивает стабильность качества вырабатываемой продукции, легкость регулирования и высокую производительность аппарата.

Каждую секцию секционированного реактора, предложено рассматривать как ячейку идеального перемешивания. Из нижней ячейки в верхнюю жидкость поступает через секционирующую перегородку. В обратном направлении она движется по внешней циркуляционной трубе. «Провал» жидкости через перегородку отсутствует. Ввод исходного потока может быть осуществлен как в нижнюю, так и в верхнюю секции.

Структурные схемы моделей секционированной барботажной окислительной колонны с циркуляционной трубой при различных условиях ввода исходного сырья в аппарат представлены на рисунке 10.

Работа модели в случае ввода сырья в верхнюю секцию при импульсном возмущении потока может быть описана следующей системой дифференциальных уравнений:

а) В6од сырья Ь Верхнюю секцию: В*0. С

нижнюю секцию:

з. с.;

(1С,

' ¿е

(15)

01 ВЫ сырья 6 дйе секции одноЬрепенно.-

в+а, б

Верхняя ¿эсдо а к В, и Яяьаягааз/1 с. к

й, с,\ а<, о,

Рисунок 10 - Структурные схемы моделей секционированной барботажной окислительной колонны с выносным сепаратором: 2 - расход сырья; В - расход жидкости, проходящей через секционирующую перегородку снизу-вверх; Св, Си - концентрации вещества в

верхней и нижней секциях соответственно; Ув, Ун- объемы верхней и нижней секций, соответственно

где Сх, С/ - безразмерные концентрации трассера в верхней и нижней секциях соответственно; В - безразмерное время; л/в, уя — доли объема аппарата; занимаемые верхней и нижней секциями соответственно; _/} - доля обратного потока жидкости.

При следующих начальных условиях:

е=о,с, = 1/у,Д =о. (16)

Для ввода сырья в нижнюю секцию имеем:

*л~=/лсн-св)

¿е

с1С, ' ¿0

= /гСв-Ц+1)-Ся

Начальные условия:

9=0,Су =1/V/ ,ЙА = 0.

(17)

(18)

Ввод сырья и трассера в обе секции одновременно описывается следующей системой с начальными условиями:

до

¿С/ ' ¿9

= (Л+/2)-св-(Л+1)-сн

6=0 =

VI VI

(19)

где- доля расхода жидкости, вводимого в верхнюю секцию.

№ Место ввода а

I Над перегородкой 0,875

2 Под перегородкой 3 В обе секции 1,159 1

Системы (17 - 20) были решены численно методом Рунге-Кутты для различных сочетаний промышленных расходов потоков. Полученные графики зависимостей безразмерной концентрации от безразмерного времени для случая/1=3, уд=уд=1/2 представлены на рисунке 11.

Результаты моделирования показали, что наилучшим вариантом для

секционированных реакторов производства нефтяных битумов является ввод сырья в обе секции параллельно. При этом аппарат будет максимально

соответствовать реактору

идеального перемешивания.

Наименее выгодным

является вариант подачи сырья в верхнюю секцию, когда аппарат приближается к режиму работы идеального вытеснения, что привести к ряду негативных (снижение

Рисунок 11 - Зависимости безразмерной концентрации от безразмерного времени для различных условий ввода сырья в колонну

ко-

ЧХКЭ-

5

Веда

О-

Воздух

7

2

X

± 9

ЭпдО

Рисунок 12 -Схема экспериментальной установки для исследования структуры потоков жидкости: 1 - корпус колонны; 2 — перфорированная перегородка; 3 - диспергатор; 4 - циркуляционная труба; 5 - насос; 6 - компрессор; 7 - ротаметр; 8 - счетчики воды; 9 - датчик солемера

может последствий производительности аппарата, ухудшение качества продукции и др.).

Для проверки достоверности этих выводов и принятых допущений были проведены эксперименты на укрупненной установке, имитирующей работу барботажной колонны производства нефтяных битумов. Схема установки представлена на рисунке 12.

Структуру потоков жидкости в аппарате определяли методом импульсного возмущения. В качестве рабочих сред служили вода и воздух, трассирующим веществом был хлорид натрия, концентрацию которого на выходе из аппарата измеряли при помощи солемера «МАРК-602». Приведенная скорость воды в аппарате соответствовала промышленным

значениям для реакционной массы при получении дорожных марок битумов. Скорость воздуха меняли также с учетом промышленных условий.

Установлено, что

безразмерная дисперсия

функции отклика системы на возмущение не зависит от расхода газа. Это

свидетельствует о

значительной степени

перемешивания. В каждой секции, очевидно, достигнут предел его интенсификации за счет достаточно большой скорости газа.

Экспериментальные Рисунок 13-Экспериментальные зависимости кривые отклика системы на безразмерной концентрации от безразмерного импульсное возмущение по времени жидкой фазе, а также

соответствующие дисперсии, осредненные для всех скоростей газа, приведены на рисунке 13. Из анализа этого рисунка следует, что основные тенденции, свидетельствующие о приближении аппарата к моделям идеального перемешивания или идеального вытеснения в зависимости от места ввода жидкости, в целом подтверждаются.

Однако необходимо отметить, что структура потоков в реальном аппарате все же заметно отличается от расчетных моделей. Между вводом жидкости под секционирующей перегородкой и параллельным вводом разница практически отсутствует и оба варианта достаточно далеки от идеального перемешивания. По нашему мнению причиной этому может быть байпассирование части исходного потока к выходу из аппарата совместно с нисходящим током жидкости вдоль стенок.

Для устранения данного негативного эффекта предложено вводить сырье в среднюю часть сечения колонны при помощи специального газлифтного смесителя. Экспериментально установлено, что в нем происходит интенсивное перемешивание поступающего в аппарат сырья с восходящим по оси газожидкостным потоком. Далее полученная смесь равномерно распределяется под секционирующей перегородкой. Результаты измерения концентрации трассера на выходе из модельного аппарата, снабженного газлифтным смесителем, наилучшим образом соответствуют модели идеального перемешивания.

В пятой главе рассмотрены практические аспекты промышленного применения секционированных барботажных реакторов при производстве нефтяных битумов.

На основании проведенных исследований разработаны исходные данные для проекта модернизации полых барботажных реакторов. На первом этапе модернизации подвергнута окислительная колонна К-2 диаметром 3,5 м и высотой 19 м, используемая в производстве дорожных битумов в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез», (рисунок 14).

№ 1 Тип аппарата Модель идеального перемешивания а 1

2 Экспериментальная установка, ввод жидкости под перегородкой 0,86

3 Экспериментальная установка, ввод жидкости над перегородкой 0,67

4 Экспериментальная установка, ввод жидкости в две точки 0,88

п

Сырье

Рисунок 14 - Окислительная колонна К-2 после модернизации: 1 - корпус колонны; 2 - перфорированная перегородка; 3 - встроенный сепаратор; 4 - циркуляционная труба; 5 - распределитель воздуха

Она включает в себя перфорированную перегородку 2, размещенную в средней части колонны в зоне ввода сырья и разделяющую ее на верхнюю и нижнюю секции. С учетом возможного закоксовывания доля свободного сечения и диаметр её отверстий были выполнены с некоторым запасом (соответственно, 5 % и 40 мм). Перемешивание реакционной массы между секциями обеспечивается сепаратором 3 и циркуляционной трубой 4.

Опыт трехлетней эксплуатации подтвердил улучшение основных показателей работы колонны, особенно при повышенных нагрузках (таблица 3) при переработке идентичного по составу сырья (смеси гудрона, слопа и деасфальтизата, полученной при переработке западносибирской нефти). Снизилась требуемая температура окисления, сократился удельный расход воздуха, и возросла производительность, улучшилось качество готовой продукции. Благодаря уменьшению содержания кислорода в отработанных газах от 2,5 - 4,0 до 1,5 - 2,0 % снизилась пожарная опасность производства.

Отмечено резкое сокращение количества коксовых отложений на внутренних поверхностях колонны. Случаев закоксовывания секционирующей перегородки и ее отверстий зафиксировано не было.

Таблица 3 - Усредненные показатели работы окислительной колонны К-2 при

получении битума дорожной марки БНД 90/130

Наименование показателей

Производительность по сырью, м3/ч

Удельный расход воздуха, м3/ м3

Температура окисления, °С

Температура размягчения по КиШ, °С

Пенетрация при 25 "С, х 0,1 мм

Температура хрупкости по Фраасу, °С

Требования ГОСТ 22245-90

Не ниже 43

91...130

Не выше -17

До

реконструкции

30...35

100...120

240... 250

43...44

95...125

-19 ...-21

После реконструкции

40...45

90...105

225...230

45...47

105...125

-23...-26

Воздух

Кбыноснону сет

2

__/

\

учетом была

" 6

1Г—"V"

Сырье

11,

у у

Битум

В дальнейшем, с накопленного опыта,

модернизирована окислительная колонна К-5 диаметром 3 м и высотой 23 м (рисунок 15). Отличительной

особенностью данной колонны является использование ее для производства как дорожных, так и строительных битумов и связанные с этим частые смены как нагрузок и технологических режимов окисления, так и рецептуры перерабатываемого сырья. Это обусловливает возникновение довольно длительных переходных периодов и образование значительных количеств некондиционного продукта.

Для сокращения длительности таких периодов за счет улучшения перемешивания исходного сырья с реакционной массой нами предложено на линии подачи сырья использовать смеситель газлифтного типа 4, размещенный под усовершенствованной воздухораспределительной перегородкой 2, снабженной гидравлическими затворами 3.

Усредненные показатели работы, полученные до и после модернизации колонны К-5, представлены в таблицах 4—6.

ш

Рисунок 15 - Окислительная колонна К-5

после реконструкции: 1 -корпус колонны; 2 - перфорированная

перегородка; 3 - гидрозатворы; 4 -газлифтный смеситель; 5 - сепарационное устройство; б - циркуляционная труба; 7 — распределитель воздуха; 8 - опускная труба

Таблица 4 - Усредненные показатели работы окислительной колонны К-5 при

получении битума дорожной марки БНД 60/90

Наименование показателей Требования ГОСТ 22245-90 До реконструкции После реконструкции

Производительность по сырью, м^/ч - 15...18 23...25

Удельный расход воздуха, м3/ м3 - 130...135 100...115

Температура окисления, "С - 235...240 230...235

Температура размягчения по КиШ, "С Не ниже 47 47...48 48...50

Пенетрация при 25 °С, х 0,1 мм 61...90 70...72 75...80

Температура хрупкости по Фраасу, °С Не выше -15 -16 ...-17 -18...-19

Таблица 5 - Усредненные показатели работы окислительной колонны К-5 при

получении битума строительной марки БН 70/30

Наименование показателей Требования ГОСТ 6617-76 До реконструкции После реконструкции

Производительность по сырью, м3/ч - 15...16 18 ...20

Удельный расход воздуха, м3/ м3 - 160...170 135...140

Температура окисления, °С - 261...265 254...259

Температура размягчения по КиШ, °С 70...80 73...75 74...77

Пенетрация при 25 °С, х 0,1 мм 21...40 27...28 29...30

Таблица 6- Усредненные показатели работы окислительной колонны К-5 при получении битума строительной марки БН 90/10

Наименование показателей Требования ГОСТ 6617-76 До реконструкции После реконструкции

Производительность по сырью, м3/ч - 13...15 15...17

Удельный расход воздуха, м3/ м3 - 185...190 160...180

Температура окисления, °С - 277...285 272...275

Температура размягчения по КиШ, °С 90... 105 93...95 98...99

Пенетрация при 25 °С, х 0,1 мм 5...20 14...15 16...18

Как видно из приведенных данных, процесс окисления стал происходить при меньших температурах.

Благодаря этому, а также улучшению структуры движения газожидкостной смеси внутри колонны, достигнуты заметные положительные изменения технологического режима (уменьшен удельный расход воздуха, сокращено коксообразование и др.) и улучшено качество вырабатываемых битумов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. По результатам исследований барботажа воздуха через слой нефтепродуктов аналогичных по основным физическим свойствам реакционной массе окислительных колонн производства битумов установлено, что турбулентному режиму барботажа соответствуют приведенные скорости газа более 0,015 м/с и газосодержание более 0,07 м3/м3. Для описания зависимости критического газосодержания системы от вязкости жидкой фазы предложено эмпирическое уравнение.

2. С использованием усовершенствованного метода динамического вывода газа выявлены характеристики газо-жидкостных смесей «нефтепродукт-воздух» в виде распределения пузырьков газа по размерам и их среднего поверхностно-объемного диаметра. Показано, что диаметр большей части пузырьков находится в пределах 10...75 мм.

3. Установлено, что одним из перспективных направлений совершенствования работы барботажных колонных реакторов производства нефтяных битумов является секционирование реакционного объема при

помощи перфорированных перегородок, работающих в «затопленном» прямоточном режиме. Благодаря протоку жидкости в одном направлении с газом улучшается его распределение по сечению аппарата и исключается накопление излишнего количества окислителя под перегородкой.

4. С использованием современного стереометрического метода впервые исследована структура газо-жидкостного слоя, расположенного вблизи секционирующей перегородки. Установлено, что в определенных гидродинамических условиях под перегородкой образуется слой затопленной высоко турбулизированной пены. Благодаря этому общее газосодержание барботажного слоя в аппарате возрастает на 5-12 % и увеличивается УПКФ. Верхней границей существования затопленного пенного слоя для маловязких жидкостей является газосодержание, равное 0,51 м3/м3, для высоковязких - 0,34 м3/м3. При превышении этих значений происходит инверсия пенного слоя в малоактивный слой газа (газовую «подушку») с низкой УПКФ.

5. Результаты исследований использованы в проектах модернизации окислительных колонн К-2 и К-5 и внедрены в производстве нефтяных битумов ООО «ЛУ КОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез». Достигнуто увеличение производительности аппаратов на 15 - 20 %, улучшено качество вырабатываемой продукции.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Абишев, A.A. Локальные характеристики газо-жидкостного слоя в секционированном барботажном реакторе / A.A. Абишев, С.Х. Загидуллин, В .Л. Долганов, В.А. Крылов, А.Н. Нечаев // Химия и технология топлив и масел. - 2013. - № 3. - С. 17-22.

2. Абишев, A.A. Структура газо-жидкостного слоя в секционированном барботажном реакторе / A.A. Абишев, С.Х. Загидуллин, В.Л. Долганов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2013. - № 6. - С. 14-16.

3. Загидуллин, С.Х. Изучение газосодержания и перепада давления в секционированной барботажной колонне непрерывного действия / С.Х. Загидуллин, A.A. Абишев, В.Л. Долганов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2011. - № 4(4). - С. 1160-1163.

4. Загидуллин, С.Х. Опыт реконструкции окислительной колонны в производстве высокоокисленных битумов в ООО «ЛУКОИЛ-Пермнефтеоргсинтез» / С.Х. Загидуллин, A.A. Абишев, В.А. Крылов, А.Н. Нечаев, A.C. Дегтянников, М.В. Питиримов // Нефтепереработка и нефтехимия. -2011,-№2.-С. 41-44.

5. Загидуллин, С.Х. Совершенствование конструкции окислительных колонн в производстве дорожных нефтяных битумов в ООО «ЛУКОИЛ-Пермнефтеоргсинтез» / С.Х. Загидуллин, A.A. Абишев, В.А. Крылов, А.Н. Нечаев // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2011. - № 1. - С. 46-49.

6. Абишев, A.A. Исследование структуры газо-жидкостного слоя в барботажной колонне с перфорированной перегородкой / A.A. Абишев, С.Х. Загидуллин, В.Л. Долганов // Вестник Пермского национального

исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. - 2012. - № 13. - С. 155-160.

7. Абишев, А.А Влияние секционирования на структуру барботажного слоя в аппаратах с высоким слоем жидкости / A.A. Абишев, С.Х. Загидуллин, В.Л. Долганов // Вестник Пермского государственного технического университета. Химическая технология и биотехнология. -2011. - № 12 - С 103-112.

8. Крылов, В.А. Опыт внедрения внутренних контактных устройств для окислительных колонн с выносной зоной сепарации на установке по производству битумов ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» / В.А. Крылов, А.Н. Нечаев, A.B. Березин, С.Х. Загидуллин, A.A. Абишев // Химическая техника. - 2009. - № 7. - С. 26-28.

9. Абишев, A.A. Современные методы определения газосодержания и поверхности контакта фаз в двухфазных газожидкостных системах / A.A. Абишев, B.JI. Долганов, С.Х. Загидуллин, В.В. Красоткин // Вестник Пермского государственного технического университета. Химическая технология и биотехнология. - 2009. - № 9. - С. 243-253.

10. Абишев, A.A. Современные отечественные способы улучшения работы окислительных колонн производства нефтебитумов / A.A. Абишев, С.Х. Загидуллин // Вестник Пермского государственного технического университета. Химическая технология и биотехнология. - 2008. - № 8. - С 123128.

П.Абишев, A.A. Моделирование и оптимизация работы секционированных окислительных колонн производства нефтяных битумов / A.A. Абишев, С.Х Загидуллин // Актуальные проблемы науки и техники. Сборник научных трудов VI международной научно-практической конференции молодых ученых. - Уфа: Нефтегазовое дело, 2013. - С. 77-78.

12. Абишев A.A., Загидуллин С.Х. Изменение режима барботажа в системе нефтепродукт-воздух / A.A. Абишев, С.Х. Загидуллин // Химия. Экология. Биотехнология: тезисы докладов XV региональной научно-практической конференции студентов и молодых ученых. - Пермь: ПНИГТУ, 2013.-С. 17-19.

13. Абишев, A.A. Структура газо-жидкостного слоя при барботаже воздуха через слой нефтепродукта / A.A. Абишев, С.Х. Загидуллин // Наука. Технология. Производство - 2013: тезисы докладов международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Салават: УГНТУ, 2013. - С. 43-45.

14. Крылов, В.А. Повышение эффективности производства строительных нефтяных битумов в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» / В.А. Крылов, А.Н. Нечаев, С.Х. Загидуллин, A.A. Абишев // Современные проблемы науки: сборник материалов 2-ой международной научно-практической конференции. -Тамбов: Тамбовпринт, 2009. - С. 131-132.

15. Крылов, В.А. Опыт модернизации окислительных колонн в производстве дорожных нефтебитумов в ООО «ЛУКОЙЛ-

Пермнефтеоргсинтез» / В.А. Крылов, О.С. Ведерников, А.Н. Фоминых, А.Н. Нечаев, Е.А. Глезман, С.Н. Любровский, С.Х. Загидуллин, A.A. Абишев // Прогрессивные технологии развития: сборник материалов 4-ой международной научно-практической конференции. - Тамбов: Тамбовпринт, 2007. - С. 223-224.

16. Пат. 140743 РФ, МПК С ЮС 3/04, В 01J 10/00. Реактор для получения нефтяных окисленных битумов / Нечаев А.Н., Питиримов М.В., Дегтянников A.C., Абишев A.A., Загидуллин С.Х. - Опубл. 20.05.2014.

Подписано в печать 12.01.2015. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 520/2014

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии центра «Издательство ПНИПУ» Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел. (342) 219-80-33.