автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование конструкции гидродинамического аппарата для процесса алкилирования

На правах рукописи

РЯБИШИНА ЛИЛИЯ АМИРОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО АППАРАТА ДЛЯ ПРОЦЕССА АЛКИЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы» (Машиностроение в нефтеперерабатывающей промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2005

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Хафизов Фаниль Шамильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кузнецов Владимир Александрович;

кандидат технических наук Арсланбиев Радиф Калямдарович.

Ведущая организация

ОАО «Салаватнефтеоргсинтез».

Защита состоится 27 января 2006" года в М-ОО на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан » декабря 2005 года Ученый секретарь

диссертационного совета Зам**/ Закирничная М.М.

¿июбА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В развитом промышленном обществе основной чертой научно-технического прогресса является переход на более интенсивный путь развития, т.е. всесторонняя интенсификация производства. В связи с этим особое значение приобретают исследования, направленные на разработку эффективных методов нефтехимических процессов, а также на создание технико-экономических методов расчета и оптимального выбора нефтехимической аппаратуры, которая должна обеспечить максимальную производительность при высоком качестве продукции.

Традиционные методы интенсификации нефтехимических процессов являются энергоемкими, и зачастую величина достигнутого эффекта не превышает затрат. В связи с этим возникает задача использования современных высоких технологий, обеспечивающих достижение требуемого результата без больших материальных и энергетических затрат.

Выделяют несколько направлений интенсификации технологических процессов. В их числе перспективный метод акустического (волнового) воздействия. Всесторонний анализ процессов, происходящих при акустическом воздействии на гетерофазные среды, дает возможность разрабатывать новые конструкции технологического оборудования, обеспечивающего интенсификацию технологических процессов. При этом решаются задачи увеличения выхода и улучшения качества конечной продукции. Указанные задачи в процессе алкилирования могут решиться способом внедрения в технологическую схему аппарата, работающего с применением акустического воздействия.

В связи с вышеизложенным целью работы является разработка усовершенствованной конструкции гидродинамического аппарата для интенсификации процесса алкилирования с помощью акустического

воздействия.

Основные задачи исследований

1. Определение предпочтительного спектра частот акустического воздействия при перемешивании фаз углеводороды - кислота.

2. Кинетические исследования влияния акустического воздействия на процесс алкилирования.

3. Создание методики расчета гидроакустического аппарата с учетом снижения вихреобразования потока в его роторе.

4. Выбор оптимального числа лопастей и выходного угла лопасти ротора для обеспечения высокого к.п.д. при работе гидроакустического аппарата.

5. Разработка опытно-промышленного образца гидроакустического аппарата для процесса алкилирования.

Научная новизна

1. Решена задача снижения вихревых потоков в каналах ротора гидродинамического аппарата с помощью камеры снижения вихреобразования Применение гидродинамического аппарата с камерой снижения вихреобразования в процессе сернокислотного алкилирования позволяет снизить температуру в реакторе до 9° С, при этом увеличивается выход алкилата на 6 % и его детонационная стойкость повышается на 3 пункта по мотЬрному методу.

2. При исследовании акустического воздействия на полноту перемешивания фаз «кислота - углеводороды» установлен оптимальный спектр частот (15-22 кГц) для эмульгирования в процессе алкилирования.

3. Выявлено, что при угловой скорости ротора гидродинамического аппарата свыше а -\00ж с"1 диффузионное торможение не оказывает влияние на общую скорость процесса алкилирования.

Основные защищаемые положения

1. Результаты исследований по изучению структуры потока в гидродинамическом аппарате и кинетических закономерностей реакции алкилирования.

2. Методика расчета конструкции гидродинамического аппарата для приготовления тонкодисперсных эмульсий с применением технологии волнового воздействия.

3. Результаты внедрения гидродинамического аппарата в технологическую схему сернокислотного алкилирования.

Практическая и теоретическая ценность

А. Разработана и внедрена в процесс переработки пропилена в синтетический глицерин (ЗАО «Каустик», г. Стерлитамак) усовершенствованная конструкция гидродинамического аппарата с камерой снижения вихреобразования, что позволило снизить потерю

непрореагировавшего сырья от 0,43 до 0,26 %. Экономический эффект от внедренной разработки составил 3 454 041 руб. в год.

Б. Теоретическая ценность работы заключается в исследовании и научном обосновании применения в процессе алкилирования гидродинамического аппарата, работающего с использованием акустических эффектов.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы за период 2003- 2005 гг. докладывались и обсуждались:

на IV конгрессе нефтегазопромышленников России «Нефтепереработка и нефтехимия- 2003» (Уфа, 2003); научной молодежной конференции «Под знаком «Сигма» (Омск, 2003);

Всероссийской научно-практической конференции

«Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2004);

Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук» (Уфа, 2005);

VI конгрессе нефтегазопромьпнленников России

«Нефтегазопереработка и нефтехимия - 2005» (Уфа, 2005).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы изложены в 8 печатных трудах, в том числе 2 статьях, тезисах 6 докладов.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 98 наименований, приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной темы, определена цель, сформулированы исследовательские задачи, научная новизна, основные защищаемые положения и практическая ценность исследований.

В первой главе диссертации проведен анализ существующих конструкций гидродинамических аппаратов, приведена их классификация.

Также проведен анализ работ, посвященных влиянию интенсивности акустических колебаний на химико-технологические процессы. Рассмотрены понятие кавитации, гидродинамическая и акустическая кавитация.

Исследовано влияние интенсивности волновых воздействий на химико-технологические процессы. Реконструкция гидродинамического аппарата позволит увеличить скорость реакции. Эффективность работы гидродинамических аппаратов оценивается подачей, напором и коэффициентом полезного действия. Однако значения этих показателей при реконструкции гидродинамического аппарата снижаются. Поэтому целью работы стала минимизация гидравлических потерь с помощью совершенствования конструкции гидродинамического аппарата.

Был также рассмотрен процесс алкилирования изобутана олефинами. Представлены виды реакторов, применяемых в процессе алкилирования.

Вторая глава посвящена исследованиям структуры потока в

гидродинамическом аппарате, основной закономерности влияния

конструктивных и технологических параметров гидродинамического аппарата

на степень дисперсности эмульсии, кинетических закономерностей реакций

алкилирования; макрокинетики процесса, влияния акустического воздействия

на процесс алкилирования.

Проведены исследования по

получению высокодисперсной

эмульсии углеводородов в

интенсивном акустическом поле. От

степени дисперсности эмульсии в

значительной мере зависит полнота

превращения олефинов. С

повышением степени дисперности

эмульсии повышается выход

продукта и заметно снижается

расход катализатора. Были проведены

эксперименты на лабораторной

установке (рис. 1), состоящей из

Рис. 1. Схема лабораторной ультразвукового генератора УЗДН 1', установки УЗДН

магнитострикционного излучателя 2, стакана со смесью 3 и стакана охлаждения 4. Смена частот производилась установкой магнитострикционного излучателя, интенсивность регулировалась переменным сопротивлением генератора. Эксперимент проводился на модельных смесях. В качестве модельных смесей использовались бензин и серная кислота. Время обработки изменяли от одной до двух минут. Так как в процессе обработки повышается температура вследствие действия

ультразвука, предусмотрено охлаждение обрабатываемой смеси для поддержания необходимой температуры, для чего обрабатываемая смесь помещается в стакан охлаждения. После обработки ультразвуком стакан со смесью ставится для отстоя эмульсии. Во время отстаивания эмульсии замеряется изменение объема эмульсии в стакане со смесью. По полученным данным построены зависимости устойчивости эмульсии от времени отстаивания при различных частотах. На рис. 2 представлена зависимость устойчивости эмульсии от времени отстаивания эмульсии, полученной при обработке акустическим воздействием в течение двух минут. Обработка велась при частотах 15,22,35 кГц.

о >в ч

т $

ю О

50 45 40 35 30 25 20

1

п

15 кГц 22 кГц •35 кГц

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Рис. 2. Зависимость устойчивости эмульсии от времени отстаивания

Из рис. 2 видно, что при частоте 15 кГц, когда излучение акустических волн в обрабатываемую среду происходит с большей амплитудой, полное перемешивание фаз достигается при обработке смесей уже через 2 минуты. Смешение фаз при акустической обработке в течение 2 минут на частоте 35 кГц не происходит, что объясняется малыми амплитудами акустических колебаний. Для достижения полного смешения фаз на данной частоте требуется более продолжительное время. При частоте 22 кГц смешение фаз

недостаточное. Следовательно, можно сделать предположение, что для перемешивания фаз кислота - углеводороды в акустическом поле предпочтительны частоты от 15 до 22 кГц.

Исследования гидродинамики в гидродинамическом аппарате проводили с целью определения как вида кривой распределения времени пребывания, так и установления, к какому типу реактора относится гидродинамический аппарат. Эксперименты проводили по методике трассирования Денбига К.Г. импульсным и ступенчатым методами. В качестве сплошной фазы использовали воду, в качестве трассера - раствор хлорида калия.

На рис. 3 представлены кривые распределения времени пребывания в гидродинамическом аппарате (ГДА), полученные ступенчатым методом.

1,5

1

S

0,5 0

0 1 2 3 4 5 6 7 Т/Т° -*- 1250 об./мин 1500 об./мин

2000 об./мин 3000 об./мин

Рис. 3. Распределение времени пребывания в гидродинамическом аппарате, полученные ступенчатым методом

После установления заданного числа оборотов ротора и по времени пребывания, определяемого по формуле (2.1), добивались стабилизации расхода. Затем в течение 600 с отбирали пробы.

С. (2.1)

' V

где г - время пребывания жидкости; Va - объем ГДА; Vv - расход воды.

Зная концентрации трассера в пробах, строили графики зависимости безразмерной концентрации с/со от безразмерного времени т/т„ (с0 концентрация трассера на входе в аппарат, то - нулевой момент времени с начала ввода трассера), так называемые кривые распределения времени.

Как видно из рис. 3 при малых числах оборотов кривая распределения времени пребывания приближается к виду кривой, характерной для реактора идеального вытеснения. При увеличении числа оборотов кривая сдвигается и снижается угол наклона, что характерно для кривых, описывающих реакторы идеального смешения.

Макрокинетика процесса, влияние конструктивных параметров аппарата на протекание процесса были подробно изучены на модельной смеси ашшлхлорид - хлорноватистая кислота.

Для изучения общих кинетических закономерностей процесса использовался термометрический метод анализа смеси из двух компонентов с близкими физико-химическими свойствами. Метод основан на подборе третьего реагента так, чтобы компоненты смеси взаимодействовали различными скоростями.

На рис. 4 представлена схема лабораторной установки для изучения кинетики термометрическим методом в адиабатических условиях.

Для определения влияния интенсивности перемешивания на суммарную скорость процесса ал кодирования снимали кривые роста температуры ЛТ по времени т при разных числах оборотов ротора. Учитывая, что скорость изменения температуры пропорциональна скорости реакции, по кривым изменения температуры АТот т определяли константы скорости.

Зависимость константы скорости К процесса алкилирования от угловой скорости вращения ротора представлена на рис. 4,а. Как видно из рисунка, при угловой скорости вращения ротора свыше 80 к с"1 коэффициент К мало

зависит от числа оборотов. Следовательно, при угловой скорости вращения ротора около <в = 100я- диффузионное торможение не оказывает влияния на общую скорость процесса.

Рис. 4. Лабораторная установка для изучения макрокинетики процесса алкилирования : 1 - сосуд Дьюара; 2 - статор ГДА; 3 - ротор ГДА; 4 - термостат; 5 - шприц; 6 - записывающее устройство

1 1,5 2 2,5 3 3,5 а ЛЬ*,с'1

Рис.4,а. Зависимость константы скорости процесса алкилирования от угловой скорости вращения ротора ГДЛ

Для выяснения влияния конструкции и количества прорезей на статоре и роторе на затраты мощности были проведены экспериментальные исследования на гидродинамическом аппарате со съемными роторами и статорами четырех типов. Во время экспериментов задавался определенный расход, при этом скорость вращения ротора изменялась в пределах от 2000 до 3000 об./мин.

Количество прорезей на роторе и статоре ГДА-1 - по 28 шт., на роторе и статоре ГДА-2 - по 4 шт., на роторе и статоре ГДА-3 - по 120 шт., на роторе и статоре ГДА-4 - по 16 шт.

Результаты исследований приведены в таблице.

Частота Объемный Затрата мощности, Вт

вращения ротора, об./мин расход, м/с2 ГДА-1 ГДА-2 ГДА-3 ГДА-4

2000 1,17 35,0 34,7 46,4 37,1

2500 - 58,9 57,6 86,2 59,2

3000 - 90,3 89,1 126,3 89,1

2000 5,0 34,1 33,8 46,3 36,2

2500 - 57,6 55,4 85,7 58,6 ,

3000 - 89,1 88,2 126,3 87,2

2000 10,67 33,2 32,3 44,7 35,1

2500 - 56,8 54,5 84,0 57,8

3000 - 88,3 87,1 123,2 86,7

Как следует из данных, приведенных в таблице, при малых скоростях вращения ротора («=2000 об./мин) наибольшей эффективностью обладают аппараты ГДА-1 и ГДА-2. При относительно высоких скоростях вращения ротора (и=2500; 3000 об./мин) во всем интервале изменения Q наибольшей эффективностью обладает аппарат ГДА-4 (16 прорезей на роторе и 16 прорезей на статоре).

В третьей главе представлена методика расчета гидродинамического аппарата на основе конструкции центробежного насоса.

В ходе расчета были использованы: теория и расчет для центробежного лопастного колеса; теория гидравлических потерь в гидродинамических аппаратах. Для построения расчета исследовались движение жидкости в гидродинамическом аппарате и причины гидравлических потерь в роторе.

Исследования движения реальной жидкости в проточной части аппарата доказали важное значение безвихревого течения. Вихреобразование потока жидкости в роторе существенно снижает к.п.д. гидродинамического

аппарата, так как при движении жидкости происходит отрыв потока от поверхности лопасти; возникают вихри в пограничном слое на стенках ротора, что приводит к уменьшению потока при выходе из ротора и увеличению среднего значения относительной скорости. Поэтому основным из направлений усовершенствования конструкции аппарата стало создание условий для снижения вихреобразования в роторе.

Необходимо для создания безвихревого движения в проточной части аппарата создать поток, который вследствие воздействия вязких сил жидкости уже при входе в проточную часть корпуса имел бы завихренность, равную нулю. Решением данной задачи является создание камеры в роторе, в которой вихри, возникающие при возмущении потока лопастями ротора, затухают под действием сил жидкости.

Для создания более благоприятных условий для безотрывного обтекания потоком поверхностей лопастей (по схеме бесконечного числа лопастей) отношение относительной скорости при входе в ротор к относительной скорости при выходе должно быть близким к единице

(—~1). Отношение является показателем устойчивости потока в канале

ротора. Этот показатель, а также условие обеспечения необходимого расчетного напора используются для проектирования выходных элементов ротора.

На рис. 5 представлены планы скоростей иа входе и при выходе потока из ротора. Следуя условию безотрывного обтекания потоком лопастей

(——1), приняли относительную скорость м>2р равной относительной

скорости м>1. Угол от остается неизменным,'так как а- угол наклона абсолютной скорости V] при входе потока в ротор определяется конструкцией подвода потока (до реконструкции). Угол /? уменьшается, так как среднее значение относительной скорости и^ уклоняется от направления касательной к лопасти

в сторону уменьшения угла р. Из плана скоростей следует, что при реконструкции переносная скорость и2 уменьшается.

Рис.5. Планы скоростей при входе и при выходе потока из ротора ГДА

Как видно из формулы уменьшение переносной скорости ведет

ю

к уменьшению выходного радиуса ротора. Следовательно, уменьшение размера ротора является одним из способов уменьшения потерь вихреобразования в гидродинамическом аппарате, предназначенном для преобразования энергии потока жидкости в энергию акустических явлений.

На рис. 6 приведены результаты исследования влияния изменения показателя устойчивости потока в роторе на коэффициенты напора, теоретического напора и коэффициента реакции.

Наибольшее значение коэффициента напора достигается при -^-=1.

Это доказывает технико-экономическую эффективность работы ротора в таком режиме. Напротив, график изменения коэффициента реакции

показывает, что при —=1 ротор работает не с самым высоким к.п.д., что

связано с увеличением гидравлических потерь. Однако значение коэффициента реакции находится в оптимальных границах (0,7-0,75).

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

щ/у).

2оо

Рис. 6. Зависимость коэффициента напора// (1), коэффициента реакции р (2), коэффициента теоретического напора Нт (3) от показателя устойчивости потока в каналах ротора гидродинамического аппарата

Неправильный подбор числа лопастей ротора снижает расходно-напорные характеристики ГДА. Число лопастей должно быть достаточным для

образования каналов требуемой длины. Исследования показали, что для

<

эффективной работы аппарата при увеличении числа оборотов ротора требуется большее количество лопастей. В свою очередь увеличение количества лопастей влечет уменьшение выходного угла лопасти. Результаты данных исследований представлены на рис. 7.

< \

>

27 25 23 21 19 17

1500

2000

2500

-*-2 п, об./мин

Рис. 7. Зависимость числа лопастей 7(1) и угла наклона /?2 (2) от числа оборотов ротора гидродинамического аппарата

В третьей главе приведены доказательства того, что при модернизации гидродинамического аппарата для снижения вихреобразования в каналах ротора возникает необходимость подрезать роторную обечайку. Под подрезкой роторной обечайки понимается уменьшение ее диаметра. Однако при такой модернизации значения показателей гидродинамической техники, характеризующие эффективность работы (такие как напор, подача и коэффициент полезного действия), снижаются. Сделан вывод, что для некоторого восстановления расходно-напорных характеристик гидродинамического аппарата следует увеличить выходной радиус роторной обечайки и подрезать лопасть для снижения вихреобразования в потоке. Область, образованную подрезанной лопастью и увеличенной роторной обечайкой, назвали камерой снижения вихреобразования.

Для изучения характера движения в камере снижения вихреобразования, а именно для расчета размеров ламинарного слоя в данной камере, были использованы следующие формулы, предложенные Ломакиным А. А:

Л = 0,0540 + 0,396 Яе-0'3; (3.2)

= (3.3)

V

где ¿о - диаметр трубы; Л - коэффициент сопротивления при турбулентном движении жидкости; V - кинематическая вязкость среды; Яе - число Рейнольдса; N - постоянная, определяющая место перехода ламинарного течения у стенки в турбулентное в основном потоке.

Из формул (3.1), (3.2) и (3.3) следует, что при увеличении диаметра камеры снижения вихреобразования г/0 увеличивается толщина ламинарной пленки. Это служит доказательством эффективности внедрения в конструкцию аппарата камеры снижения вихреобразования. |

В четвертой главе представлена технологическая схема реконструируемой установки алкилирования изобутана олефинами (рис. 8).

Рис. 8. Технологическая схема сернокислотного алкилирования:

1 - емкость для изобутана; 2 - гидродинамический аппарат; 3 контактор (реактор- алкилатор); 4 - конденсатор- холодильник; 5 - емкость для орошения; 6 - емкость для сбора продуктов реакции; 7 - ректификационная колонна.

I - изобутан; II - серная кислота; П1 - бутилен; IV - изооктан; V -тяжелый алкилат; VI - непрореагировавшие газы

Далее выполнен расчет промышленного образца ротора гидродинамического аппарата. Сам аппарат, изготовленный на базе центробежного насоса 8Х-16Т, представлен на рис. 9.

Расчет ротора гидродинамического аппарата ведется по заданным значениям подачи <2, напора Я и числа оборотов п аппарата и имеет целью определение размеров проточной части, достаточных для выявления при дальнейшей конструктивной разработке всех размеров, необходимых для осуществления работы аппарата.

Рис. 9. Гидродинамический аппарат (на базе центробежного насоса 8Х-16Т):

1 - статор, 2 - ротор, 3 ~ камера снижения вихреобразовання

Расчеты показали, что для эффективной работы аппарата с числом оборотов от 2500 до 3000 об./мин конструкция ротора должна иметь 8

лопастей. По условию снижения вихреобразовання — = 1 угол выхода

*>2

лопасти составил /?2 = 11,5°. Ширина камеры снижения вихреобразовання, полученной подрезанными лопастями и увеличенной роторной обечайкой, равна 6 мм. Расчет камеры снижения вихреобразовання произведен исходя из условия безотрывного обтекания потоком лопасга.

На основе полученных результатов нами разработан и предлагается к применению гидродинамический аппарат в технологическом процессе алкилироватм изобутана олефинами. Если в промышленном процессе сернокислотного алкилирования температура в контакторе 10-11°С и время

контакта 9-10 мин, то установка ГДА перед реактором и изменение схемы движения потоков позволяют снизить температуру до 9 °С; при этом оптимальное время контакта не более 8 мин.

Было установлено положительное влияние интенсивности

перемешивания изобутана с серной кислотой на выход алкилата - основного продукта и его октановое число.

Как видно из рис. 10 выход алкилата (% масс от количества бутан-бутиленовой фракции) при применении ГДА увеличивается на 6%

Октановое число по моторному методу (ОЧММ) полученного целевого продукта возрастает при этом на 3 пункта. Это объясняется тем, что благодаря применению ГДА появляется возможность сокращения времени контакта и уменьшается вероятность протекания нежелательных побочных реакций.

А, % масс. ОЧММ

Рис. 10. Влияние числа оборотов ротора ГДА на выход (А) и октановое число алкилата:

1- выхода алкилата;

2- октанового числа алкилата

Таким образом, на процесс алкилирования влияют: звукохимические эффекты; интенсивность перемешивания; дисперсность фаз (неорганической части в органической).

Вышеперечисленные условия ведения процесса алкилирования являются эффективными благодаря применению гидродинамического аппарата.

Основные выводы н рекомендации

1. Процесс алкилирования при эмульгировании серной кислоты с углеводородами в акустическом поле более интенсивно проходит при частотах 15-22 кГц.

2. Кинетические исследования влияния акустического воздействия на процесс алкилирования показали, что при угловой скорости свыше со = ЮОтг с"1 диффузионное торможение не оказывает влияние на общую скорость процесса.

3. Путем проведения опытов по определению времени распределения в гидродинамических аппаратах было установлено, что при увеличении числа оборотов аппарата, которое необходимо при его реконструкции, кривая распределения времени становится характерной для реакторов идеального смешения.

4. Произведен расчет ротора гидродинамического аппарата, определены размеры проточной части и камеры снижения вихреобразования, полученной за счет подрезки рабочего колеса ротора и увеличения толщины роторной обечайки. Разработана методика расчета камеры снижения вихреобразования, основанная на условии безотрывного обтекания потоком лопастей.

5. Определены оптимальное число лопастей ротора и выходной угол лопасти, обеспечивающие высокий к.п.д. при работе гидродинамического аппарата. Для эффективной работы аппарата с числом оборотов от 2500 до 3000 об./мин конструкция ротора должна иметь 8 лопастей с углом выхода лопасти /5=11,5°.

6. Предложена технологическая схема сернокислотного алкилирования с применением гидродинамического аппарата. Внедрение гидродинамического аппарата на установке сернокислотного алкилирования позволяет снизить температуру в реакторе до 9° С, при этом увеличивается выход алкилата на 6 %, его детонационная стойкость повышается на 3 пункта по моторному методу.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гумеров Ф.Т., Хафизов Ф.Ш., Гильмутдинов А.Т., Рябишина Л.А. Применение центробежного насоса для получения устойчивой эмульсии // Нефтепереработка и нефтехимия - 2003: материалы IV конгресса нефтегазопромытленников России. - Уфа,2003. - С.315.

2. Хафизов Н.Ф., Рябишина Л.А. Применение ультразвука в процессах абсорбции // Под знаком «Сигма»: материалы научной молодежной конференции. - Омск, 2003. - С.25.

3. Хафизов Ф.Ш., Рябишина Л.А., Хафизов Н.Ф. Исследование гидродинамических характеристик волновых аппаратов // Под знаком «Сигма»: материалы научной молодежной конференции. - Омск, 2003. - С.24.

4. Рябишина Л.А., Хафизов Ф.Ш. Исследования влияния показателя устойчивости потока в рабочем колесе гидроакустического аппарата на его технические характеристики // Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук: материалы Международной научно-технической конференции. - Уфа: Изд-во УГИТУ, 2005. - С.344-346.

5. Рябишина Л.А., Хафизов Ф.Ш. Исследования влияния увеличения числа оборотов гидроакустического аппарата роторного типа на число лопастей колеса и угол выхода лопасти рабочего колеса // Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук: материал^ Международной научно-технической конференции. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. -С.347-348.

6. Рябишина Л.А., Хафизов Ф.Ш. Пути уменьшения потерь вихреобразования в лопастном колесе гидроакустического аппарата // Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук: материалы Международной научно-технической конференции. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. - С.348-350.

7. Рысаев У.Ш., Мухутдинов Р.Х., Рысаев Д.У., Рябитпина Л.А. Кинетические закономерности реакции хлоргидринирования аллилхлорида , пропилена и аллилового спирта в водных растворах // Нефтегазопереработка и нефтехимия - 2005' материалы конференции. — Уфа: Изд-во УГНТУ,2005. -С.401.

8. Рябишина Л.А., Хафизов Н.Ф. Усовершенствование работы гидродинамического аппарата роторного типа с целью увеличения эффективности рабочих параметров// Химическая и нефтеперерабатывающая промышленность. - 2005 -№7. -с.11-13.

Подписано в печать 20. IX., ОВ Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16 Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. Л Тираж 90. Заказ

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета. Адрес типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа,ул. Космонавтов,!.

t

r<r¿r

5*8S

• ВВЕДЕНИЕ.

1 Литературный обзор.

1.1 Гидродинамические аппараты и их классификация.

1.2 Патентная проработка по гидродинамическим аппаратам.

1.3 Влияние акустического воздействия на углеводородное сырье.

1.3.1 Понятие кав тации.

1.3.2 Гидродинамическая кавитация.

1.3.3 Акустическая кавитация.

•ф 1.4 Акустические методы интенсификации технологических процессов.

1.5 Технологический процесс алкилирования изобутана олефинами.

Выводы по главе 1.

2 Методы и объекты исследования.

2.1 Исследование влияния акустического воздействия на процесс алкилирования.

2.2 Методика исследования и изучение структуры потока в гидродинамическом аппарате.

2.3 Исследование влияния конструкции и количества прорезей на статоре и роторе реконструируемого гидродинамического аппарата на затраты мощности.

-1 2.4 Исследования макрокинетики процесса алкилирования термометрическим методом в квазиадиабатических условиях.

2.5 Результаты технологического процесса алкилирования галогенпроизводных.

Выводы по главе 2.

3 Разработка методики расчета гидродинамического аппарата приготовления тонко дисперсных эмульсий для процесса алкилирования.

3.1 Исследование движения жидкости в роторе гидродинамического аппарата, создание условий для снижения вихреобразования в роторе.

3.2 Расчет ротора гидродинамического аппарата.

3.3 Определение выходных параметров ротора, необходимых для снижения вихреобразования.

3.4 Определение оптимального числа лопастей ротора и выходного угла лопасти.

3.5 Расчет камеры уменьшения вихреобразования.

Выводы по главе 3.

4 Применение гидроакустического аппарата для процесса алкилирования.

4.1 Технологическая схема реконструируемой установки алкилирования изобутана олефинами.

4.2 Расчет промышленного образца гидродинамического аппарата роторного типа для процесса алкилирования.

Выводы по главе 4.

Выводы.

В развитом промышленном обществе основной чертой научно-технического прогресса является переход на более интенсивный путь развития, т.е. всесторонняя интенсификация производства. В связи с этим особое значение приобретают исследования, направленные на разработку эффективных методов нефтехимических процессов, а также на создание технико-экономических методов расчета и оптимального выбора нефтехимической аппаратуры, которая должна обеспечить максимальную производительность при высоком качестве продукции.

Традиционные методы интенсификации нефтехимических процессов являются энергоемкими, и зачастую величина достигнутого эффекта не превышает затрат. В связи с этим возникает задача использования современных высоких технологий, обеспечивающих достижение требуемого эффекта без больших материальных и энергетических затрат.

Выделяют несколько направлений интенсификации технологических процессов. В их числе перспективный метод акустического (волнового) воздействия. Всесторонний анализ процессов, происходящих при акустическом воздействии на гетерофазные среды, дает возможность разрабатывать новые конструкции технологического оборудования, обеспечивающего интенсификацию технологических процессов. При этом решаются задачи увеличения выхода и улучшения качества конечной продукции.

В настоящее время ведется большая работа по исследованию получения высокооктановых бензинов и увеличения их выхода. Одним из направлений получения высокооктановых компонентов автобензинов является сернокислотное алкилирование. Характерной особенностью реакции алкилирования является то, что взаимодействуют углеводороды двух групп, имеющие резко различную реакционную способность, вследствие чего необходимо интенсивное перемешивание реагирующих веществ с катализатором. Непременное условие реакции - весьма тесный контакт катализатора и реагирующих веществ, который достигается путем образования высокодисперсных эмульсий. Повышение дисперсности можно достичь с помощью интенсивного перемешивания или акустического воздействия на смесь. Подобное воздействие ранее изучали Курочкин А.К., Бадиков Ю.В., Смородов Е.А., Хафизов Ф.Ш. и др. [19,20,21,60].

Задачи увеличения выхода и улучшения качества конечной продукции в процессе алкилирования могут решиться способом внедрения в технологическую схему аппарата, работающего с применением акустического воздействия.

В связи с вышеизложенным целью работы является разработка усовершенствованной конструкции гидродинамического аппарата для интенсификации процесса алкилирования с помощью акустического воздействия.

Цель достигается:

1) изучением влияния волновых воздействий на гетерогенные углеводородные системы;

2) исследованием влияния волнового воздействия на процесс алкилирования;

3) созданием аппаратов для реализации различных механизмов получения волнового поля.

Работа проведена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Уфимского государственного нефтяного технического университета; гидродинамический аппарат внедрен на ЗАО «Каустик» (г. Стерлитамак)

1 Литературный обзор

109 Выводы

1. Эмульгирование серной кислоты (катализатора процесса алкилирования) с углеводородами в акустическом поле более интенсивно проходит при частотах 15-22 кГц.

2. Кинетические исследования влияния акустического воздействия на процесс алкилирования показали, что при угловой скорости вращения ротора ГДА свыше со-ЮОтг с"1 диффузионное торможение не оказывает влияние на общую скорость процесса.

3. Установлено, что кривая распределения времени пребывания реакционной массы в ГДА становится характерной для реакторов идеального смешения при угловой скорости вращения ротора более 83,3тг с"1 .

4. Произведен расчет ротора гидродинамического аппарата, определены размеры проточной части и камеры снижения вихреобразования, полученной за счет подрезки рабочего колеса ротора и увеличения толщины роторной обечайки. Разработана методика расчета камеры снижения вихреобразования, основанная на условии безотрывного обтекания потоком лопастей.

5. Определены оптимальное число лопастей ротора и выходной угол лопасти, обеспечивающие высокий к.п.д. при работе гидродинамического аппарата. Для эффективной работы аппарата с числом оборотов от 2500 до 3000 об./мин конструкция ротора должна иметь 8 лопастей с углом выхода лопасти = 11°30\

6. Предложена технологическая схема сернокислотного алкилирования с применением гидродинамического аппарата. Внедрение гидродинамического аппарата на установке сернокислотного алкилирования позволяет снизить температуру в реакторе с 11 до 9° С; время контакта реагентов сокращается на 2 мин.; при этом увеличивается выход алкилата на 6 %, его детонационная стойкость повышается на 3 пункта по моторному методу.

110

1. Авт. свид. № 789147 СССР. Роторный аппарат / Юдаев В.Ф. и др. - № 47. Опубл. 1980.

2. Авт.свид. № 1169721 СССР. Роторный аппарат/ Зимин А.И. и др. № 36.0публ.30.03.84.

3. Авт.свид. № 295313 СССР. Роторно-пульсационный аппарат / Балабудкин М.А., Бараам А.К. № 14. Опубл. 1989.

4. Авт.свид. № 613794 СССР. Роторно-пульсационный аппарат / Балабудкин М.А., Бараам А.К. № 65. Опубл. 1985.

5. Новицкий A.A. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах.- М.:Химия, 1983.-41 с.

6. Гистлинг A.M., Баром A.A. Ультразвук в процессах химической технологии.- Л.:Госхимиздат,1970. 95 с.

7. Авт.свид. № 950422 СССР. Роторный аппарат / Вильданов Т.Х. и др. № 67. Опубл. 1989.

8. Маргулис М.А. Основы звукохимии.- М.: Высшая школа,1984.- 110 с.

9. Галиахметов Р.Н. Реакции солей тиолкарбаминовых кислот и их интенсификация акустическим воздействием. Дисс.канд.хим.наук. -Уфа, 1984. 120 с.

10. Ю.Флин Г. Физика акустической кавитации /Методы и приборы ультразвуковых исследований: пер.с англ.- М.:Мир, 1967. 138 с.

11. П.Сиротюк М.Г. О поведении кавитационных пузырьков при больших интенсивностях ультразвука. Акуст.ж.1971,№ 4. 99 с.

12. Сиротюк М.Г. Мощные ультразвуковые поля. М.: Высшая школа, 1978. -37 с.

13. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: ИЛ, 1987. -24 с.

14. Н.Розенберг Л.Д. Мощные ультразвуковые поля. М.: Наука,1978. - 30 с.

15. Полецкий И.Г.Химические действия кавитации. Ж.об.х.Д957,т.17.1048 с.

16. Маргулис М.А. О механизме химических реакций, возникающих в ультразвуковом поле. М.:ЖФХ,1979,т.43 № 8. - С.1935-1950.

17. Капустин O.A. О взаимодействии процессов дегазации и кавитации. -Акуст. журнал, № 3,т.15,1979. С.377-380.

18. Кардашев Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии. М.:Химия,1990. - 208 с.

19. Курочкин А.К., Валитов Р.Б. Основные процессы и аппараты гидроакустической технологии. В сб. «Акустическая кавитация и применение ультразвука в химической технологии». Славское,1985. -С. 65-68.

20. Смородов Е.А., Курочкин А.К., Валитов Р.Б. Исследование механизма сонолюминесценции. Исследование фазы возникновения ультразвукового свечения. М.: ЖФХ,№ 3,1986. - С.646,

21. Морин Д.В., Федоров Б.В. Исследование влияния внешнего и порогового давлений на акустические свойства пека, насыщенного нефтью. /В сб. «Применение ультраакустики для исследования вещества». Вып.ЗО. -М.:Наука,1980. С.27-32.

22. Недужий С.А. Исследование процесса образования эмульсий, вызванных действием ультразвука. Автореферат дисс.к.т.н. М.: 1963. - 25 с.

23. Романков Ю.П., Юдаев В.Ф., Кокарев Т.Д. и др. Зависимость кавитации гидродинамического преобразователя. /В сб. «Совершенствование конструкций машин и методы обработки деталей». Челябинск: Изд. Челябинского политехнического института, 1975. - С.62-66.

24. Бадиков Ю.В. Гидроакустическое воздействие в технологии диспергирования. /В сб. «Совершенствование процессов нефтехимического синтеза». Уфа, 1986. - С.344-346.

25. Акуличев В.А. «Кавитация в криогенных жидкостях». М.: Наука,1978, -279 с.

26. Белинский Б.А. Акустическое поле, тепловое движение и элементарные возбуждения жидкости. /В сб. «Применение электроакустики для исследования вещества». Вып.29. -М.: 1980. С.75-83.

27. Бершицкий A.A., Шлалей Б.Н., Хавский H.H. Интенсификация процесса выщелачивания молибденовой кислоты при воздействии акустических колебаний. В сб. «Применение ультразвука в металлургических процессах». М.: Металлургия, 1970. - С.81-83.

28. Воронов А.Г., Федоров Г.Б., Ямщиков B.C. О механизме акустического фильтрования. В сб. «Повышение эффективности технологических процессов в поле акустических колебаний». М.Металлургия, 1981. -С.51-54.

29. Музафаров Р.Ш., Арсланов И.Г., Гимаев Р.Н., Зарипов Р.К. Акустическая технология в нефтехимической промышленности. Казань: Изд-во «Дом печати», 2001. - С.7-22.

30. ЗЗ.Зарембо Л.К., Тимошенко В.И. Нелинейная акустика. М.: Изд-во МГУ, 1984.- 104 с.34.3арембо Л.Н., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. -М.:Наука, 1976.-319 с.

31. Бергман Л. Ультразвук: Пер. с нем.- М.: Издатинлит, 1967. 726 с.

32. Источники мощного ультразвука / Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1967.-379 с.

33. Донской A.B., Келлер O.K., Кратыш Г.К. Ультразвуковые электротехнические установки. Л.: Энергия, 1978. - 276 с.

34. Свойства полимеров и нелинейная акустика: Пер.с англ./ Под ред. У. Мэзона. М.: Мир, 1979. - 420 с.

35. Мощные ультразвуковые поля / Под ред. Л.Д.Розенберга. М.: Наука, 1978. -267 с.

36. Ультразвук. М.: Сов.энциклопедия, 1979-400 с.

37. Акуличев В.А. Кавитация в криогенных жидкостях. М.: Наука,1978. -279 с.

38. Несен Е.И. Кипение жидкостей. М.: Наука, 1973. - 280 с.

39. Скучик Е. Основы акустики: Пер. с англ. Т.2. М.:Мир,1976 - 342 с.

40. Перник А.Д. Проблемы кавитации. Л.: Судостроение, 1976 - 439 с.

41. Кнэпп Р., Дейли Д., Хеммит Ф. Кавитация: Пер. с англ. М.: Мир, 1974. -687 с.46.3абабахин Е.И., Забабахин И.Е. Явления неограниченной кумуляции. М.: Наука, 1988. -173 с.

42. Козырев С.П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации. М.: Машиностроение, 1971.- 240 с.

43. Эрозия: Пер.с англ./ Под ред. К. Присс. М.Мир, 1982.- 464 с.

44. Воздействие мощного ультразвука на межфазную поверхность металлов / О.В. Абрамов, В.И.Добаткин, В.Ф. Казанцев и др. М.: Наука, 1986.277 с.

45. Монахов В.Н., Пешковский С.Л. и др.Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем.// Акуст. ж. т.21 № 3 М., 1975.- С.432-435.

46. Ультразвуковые преобразователи: Пер. с англ./Под ред. Е.Кикучи. М.: Мир, 1987.-424 с.

47. Болыпой энциклопедический словарь. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Большая Российская энциклопедия. - С-Пб.: Норинт,2004.- 36 с.

48. Денбиг К.Г. Теория химических реакторов. -М.: Наука, 1968,- 18 с.

49. Данквертс П.В. Основы химии. Пер. с нем. М.:Наука. - 1968. - 45 с.

50. Спалдинг Д.Б. Химия реакторов. Пер. с нем. М.: Наука. - 1978. - 135 с.

51. Цвайтеринг Т.Н. Теория химических реакторов. Пер. с нем. М.: Наука, 1978.-128 с.

52. Балабудкин A.A. Роторно-пульсационные аппараты в химико-фармацевтической промышленности. -М.: Медицина, 1983. 60 с.

53. Бараам A.A., Дерко П.П. Исследование гидродинамических и акустических характеристик аппаратов с роторно-пульсационными установками. М.: Химическое и нефтяное машиностроение, 1976. -101 с.

54. Вихман Г.Л., Круглов С.А. Основы конструирования аппаратов и машин нефтеперерабатывающих заводов.-М.: Машиностроение, 1978.-327 с.

55. Бадиков Ю.В. Технология и техника гидроакустического воздействия при осуществлении технологических процессов. Дисс.д.т.н. Уфа: 2002 г. - 180 с.

56. Ломакин A.A. Центробежные и осевые насосы. М.: Машиностроение, 1976.-73 с.

57. Физико-химические и технологические исследования процесса разделения экстракционных эмульсий в системах с трибутилфосфатом в ультразвуковом поле/ Хавский H.H. и другие. Научн.тр. МИС и С. Вып. 90.-М.: Металлургия, 1977. 86 с.

58. Ляхтер В.И., Прудовский A.B. Гидравлическое моделирование. ,М.: Энергоатомиздат, 1989. - 392 с.

59. Мандрыка Е.А. Экспериментальные исследования кинетики процесса растворения в роторном аппарате с модуляцией потока. Автореферат дисс. к.т.н. -М.: МИХМД979. 16 с.

60. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Физматгиз,1969. -784 с.

61. Лойцянский Л.Г. Ламинарный пограничный слой. М.: Физматгиз, 1972. - 479 с.

62. Проскура Г.Ф. Гидродинамика турбомашин. Киев: Машгиз, 1964. -417 с.

63. Руднев С.С., Матвеев И.В. Некоторые соображения по проблеме увеличения оборотности лопастных насосов. Исследования гидромашин. - М.: Наука, 1966. - с. 3-27.

64. Руднев С.С. Расчет центробежных машин на кавитацию. Харьков: Техиздат, 1963. - с. 17-26.

65. Суханов Д.Я. Американские центробежные насосы и методы их расчета. М. Л.: ГОНТИ,1958. - 73 с.

66. Суханов Д.Я. Работа лопастных насосов на вязких жидкостях. М., Машгиз, 1962.-34 с.

67. Баженов Ю.М., Чернов А.Н. Исследование процесса разделения газов в вихревой трубе. В кн. Вихревой эффект и его применение в технике / Материалы II Всесоюзн.науч. техн. конф. - Куйбышев, 1986. - с.24-29.

68. Абкарян A.A., Алимов Р.З., Лукьянов В.И. Гидродинамическая оптимизация системы вихревая камера цилиндрический канал. ВИНИТ, 6323- 84, Деп., 9с.

69. Белоусов А.И. Модель нестационарного течения закрученного потока воздуха в вихревых пневматических форсунках. Проектирование и доводка авиационных двигателей. Куйбышев: Изд. КуАИ, 1983. - с. 124129.

70. Пат.2001666 (РФ). Гидродинамический кавитатор. Кузеев И.Р., Хафизов Ф.Ш., Хуснияров М.Х., Абызгильдин Ю.М. Опуб. Б.И. № 39.40, 1990.

71. Минионич И.Я., Перник А.Д. Петровский B.C. Гидродинамические источники звука. Л.: Судостроение, 1972. - 477 с.

72. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах. Л.: Химия,1984. -213 с.

73. Молоканов Ю.К., Харас З.Б. Монтаж аппаратов и оборудования для нефтегазовой промышленности. М.: Химия, 1979. - 699 с.

74. Гейнц В.К. Как определить величину обточки рабочего колеса центробежного насоса. Водоснабжение и санитарная техника, № 6. -М.: ,1990. - с.6-7.

75. Айзенштейн ИД. Центробежные насосы. М.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной промышленности, 1967. -232 с.

76. Христофоров Е.И., Богданов B.B. Эффективные массообменные смесители. Л.: Химия, 1989. - 224 с.

77. Протодьяконов Н.О., Ульянов B.C. Гидродинамика и массообмен в дисперсных системах жидкость-жидкость. М.: Химия,1980. - 321 с.

78. Генкин А.Э. Оборудование химических заводов. М.: Высшая школа, 1970. - 351 с.

79. Гейнц И.Г. Затыловка лопаток рабочих колес центробежных насосов эффективна. Водоснабжение и санитарная техника, № 6 ,1990. - М.: Машиностроение. - С.23-24.

80. Насосы. Каталог-справочник /Под. ред. Гинзбурга E.B. М.: Госнаучиздат машиностроительной литературы, 1969. — с.34-37.

81. В.В.Шемель, О.В. Захаров, B.C. Эрдрайх, В.Г. Морев. Некоторые результаты натурных испытаний и доводки насосов В14-14/65 и В17-16/65, установленных на второй очереди Аму-Бухарского канала/Тр.ВНИИ-Гидромаш. Вып.№ 30. -М.: Энергия,1980. С.45-48.

82. Москвитин A.C. Механическое оборудование и арматура водопроводов. -М.: Стройиздат, 1953. С. 65-69.

83. Регламент цеха № 16 ОАО «Каустик» г. Стерлитамак, 1990. С. 5-35.

84. Шарифов Г.С. и др. Применение ультразвука в химико-технологических процессах // Хим. Промышл., 1975,№ 12- М.:Химия. -89 с.

85. Пат. Японии, № 21924. Получение эпихлогидрина. Киоту С. и др., 1973.

86. И.В. Кожинов, В.В. Колесов, М.П. Майзельс, И.С. Эгильский. Наладка и интенсификация работы городских систем подачи и распределения воды М.: Стройиздат, 1978. - С. 45-47.

87. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы/ Т.М.Башта, С.С. Руднев , В.В. Некрасов и др. -М.: Машиностроение, 1982. с. 11-15.

88. Куликов С.И., Романчук В.А. и др. Прогрессивные методы хонингования. - М.: Машиностроение, 1983. - 36 с.

89. Пат. России № 35270. Переносная установка плоскохонинговальная для ремонта задвижек. Романчук В.А. и др., 2004.

90. Панов А.К., Мухутдинов Р.Х., Леднев В.Е., Канаев Г.И., Лопатина P.C. Применение роторно-пульсационного аппарата для интенсификации процесса получения дихлоргидрина глицерина . Маш. и апп.хим. технол., Вып. 4. Казань: Химия, 1976. - с. 33-34.

91. Смидович Е.В. Технология переработки нефти и газа. М.: Химия, 1980. -С.287-301.1. АКТо внедрении НИР по теме 123-041. ДАЮ иректора стик"1. А.Н.Очереднюк 2- 2004 г.

92. В результате гипохлорирования хлористого аллила непосредственно в роторно-пульсационном аппарате значительно уменьшается проскок хлораллила в продукте реакции (табл.1), а также снижается количество отходов (хлоруглеводороды и хлорэфиры).