Результат интеллектуальной деятельности: УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОЛИГОМЕРНОГО НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО БИТУМА

Изобретение относится к области нефтехимического аппаратостроения, а именно к установкам для получения нефтяных битумов различных марок путем окисления нефтяного сырья, используемых в различных областях промышленности.

Известна установка для получения битума, содержащая приемную емкость нефтяного сырья, соединенную через нагревательное устройство с насадочно-тарельчатой окислительной колонной, снабженной патрубками подвода воздуха, один выход которой по линии отвода отходящих газов соединен с системой обработки отходящих газов, а другой - по линии отвода готового битума, к которой также подсоединена линия рецикла в окислительную колонну, соединен с емкостью для целевого продукта (см. Способы промышленного производства нефтяных битумов. Интернет, сайт http://www.ssa.ru, копия прилагается). К недостаткам известной установки можно отнести невысокие качественные характеристики получаемого битума, в том числе отсутствие возможности получения олигомерного наноструктурированного битума, обусловленные недостаточной эффективностью процесса окисления нефтяного сырья и невысоким качеством поступающего на окисление сырья.

Наиболее близкой по совокупности конструктивных признаков к предлагаемой является установка для получения битума, содержащая приемную емкость нефтяного сырья, соединенную через нагревательное устройство с вакуумной колонной, один выход которой по линии отвода отходящих газов соединен с системой обработки отходящих газов, а другой - по линии отвода сырья соединен через буферную емкость с насадочно-тарельчатой окислительной колонной, снабженной патрубками подвода воздуха, один выход которой по линии отвода отходящих газов соединен с системой обработки отходящих газов, а другой - по линии отвода готового битума соединен с емкостью для целевого продукта (см. Технологическая схема установки для производства битума ОАО «Спецнефтехиммаш. Интернет, сайт http://www.snhm.ru, копия прилагается). К недостаткам известной установки также можно отнести невысокие качественные характеристики получаемого битума, в том числе отсутствие возможности получения олигомерного наноструктурированного битума, обусловленные недостаточной эффективностью процесса окисления нефтяного сырья и невысоким качеством поступающего на окисление сырья.

Предлагаемое техническое решение направлено на решение задачи, состоящей в повышении качественных характеристик получаемого битума, а именно в получении высококачественного олигомерного наноструктурированного битума за счет повышения эффективности процесса окисления нефтяного сырья с добавлением пластифицирующей добавки, необходимой для получения олигомерного битума, и качества поступающего на окисление сырья.

Данная задача решается тем, что установка для получения олигомерного наноструктурированного битума содержит приемную емкость нефтяного сырья, соединенную через нагревательное устройство с вакуумной колонной, один выход которой по линии отвода отходящих газов соединен с системой обработки отходящих газов, а другой - по линии отвода сырья соединен через буферную емкость с насадочно-тарельчатой окислительной колонной, снабженной патрубками подвода воздуха, один выход которой по линии отвода отходящих газов соединен с системой обработки отходящих газов, а другой - по линии отвода готового битума соединен с емкостью для целевого продукта, при этом окислительная колонна снабжена группами насадок и тарелок, выполненными с возможностью пленочного окисления и размещенными в средней и нижней частях окислительной колонны, между которыми установлена решетчато-клапанная тарелка, патрубки подвода воздуха в окислительную колонну размещены под тарелками нижней кубовой части окислительной колонны и в зоне первичной реакции непосредственно под решетчато-клапанной тарелкой, к которой также подсоединены патрубок подвода сырья от буферной емкости и патрубок подвода пластифицирующей добавки, необходимой для получения олигомерного битума, причем расположенная над решетчато-клапанной тарелкой зона получения переокисленного битума связана с буферной емкостью возвратной линией подачи потока, к которой также подсоединена линия рецикла на орошение верхней части окислительной колонны через распылитель, выполненный с возможностью создания сплошной пленочной завесы по всему поперечному сечению окислительной колонны.

При этом в качестве пластифицирующей добавки целесообразно использовать продукт взаимодействия 15,0% мас. стирола, 4,0% мас. пероксида циклогексанона, 6,0% мас. 10%-ного раствора нафтената кобальта в стироле и 75,0% мас. переокисленного битума.

Снабжение окислительной колонны группами насадок и тарелок, выполненными с возможностью пленочного окисления, например, состоящих из вертикально ориентированных пластин, повышает эффективность окисления сырья за счет интенсивного взаимодействия образующихся на пластинах пленок сырья с кислородом воздуха (см. патент РФ №2182922).

Решетчато-клапанная тарелка (по аналогии с ситчато-клапанной) представляет собой решетчатый диск, часть перфораций которого снабжена прямоточными клапанами, что обеспечивает уменьшение гидросопротивления и расширение диапазона устойчивой работы, а также автоматическое распределение жидких и газовых потоков по поперечному сечению окислительной колонны в оптимальных соотношениях, в результате чего повышается эффективность процесса окисления нефтяного сырья.

Подсоединение патрубка подвода сырья от буферной емкости и патрубка подвода пластифицирующей добавки (стирольно-битумный пластификатор), необходимой для получения олигомерного битума, в зоне первичной реакции непосредственно под решетчато-клапанной тарелкой, куда подсоединен и патрубок подвода воздуха, обеспечивает эффективное смешение этих компонентов в зонах образования наноагрегатных кластеров асфальтенов и реакции радикальной кордионно-ионной олигомеризации.

Наличие возвратной линии подачи потока, связывающей расположенную над решетчато-клапанной тарелкой зону получения переокисленного битума с буферной емкостью, позволяет изменить химический состав поступающего в окислительную колонну сырья с целью повышения концентрации смол и асфальтенов, что обеспечивает повышение качества битума.

Подсоединение к возвратной линии подачи потока линии рецикла на орошение верхней части окислительной колонны через распылитель, выполненный с возможностью создания сплошной пленочной завесы по всему поперечному сечению окислительной колонны, позволяет осуществить эффективную конденсацию легких масляных фракций и асфальтогенных кислот и растворение их в переокисленном битуме по всему поперечному сечению окислительной колонны.

Размещение патрубков подвода воздуха в окислительную колонну под тарелками нижней кубовой части окислительной колонны и в зоне первичной реакции непосредственно под решетчато-клапанной тарелкой позволяет осуществить равномерно распределенный по высоте окислительной колонны подвод кислорода воздуха к сырью, что обеспечивает его эффективное окисление по всему объему колонны.

На чертеже схематично представлена предлагаемая установка для получения олигомерного наноструктурированного битума.

Установка для получения олигомерного наноструктурированного битума содержит приемную емкость 1 нефтяного сырья, соединенную через нагревательное устройство 2 с вакуумной колонной 3, один выход которой по линии 4 отвода отходящих газов соединен с системой 5 обработки отходящих газов, а другой - по линии отвода сырья соединен с буферной емкостью 6. Буферная емкость 6 соединена с насадочно-тарельчатой окислительной колонной 7, которая снабжена группами 8, 9 насадок и тарелок, выполненными с возможностью пленочного окисления и размещенными в средней и нижней частях окислительной колонны 7, между которыми установлена решетчато-клапанная тарелка 10. Патрубки 11, 12 подвода воздуха в окислительную колонну 7 размещены под тарелками 9 нижней кубовой части окислительной колонны 7 и в зоне первичной реакции непосредственно под решетчато-клапанной тарелкой 10. Один выход окислительной колонны по линии 13 отвода отходящих газов соединен с системой 14 обработки отходящих газов, а другой - по линии 15 отвода готового битума соединен с емкостью 16 для целевого продукта. В зоне первичной реакции непосредственно под решетчато-клапанной тарелкой к окислительной колонне 7 подсоединены патрубок 17 подвода сырья от буферной емкости 6 и патрубок 18 подвода пластифицирующей добавки, необходимой для получения олигомерного битума, при этом расположенная над решетчато-клапанной тарелкой зона получения переокисленного битума связана с буферной емкостью 6 возвратной линией 19 подачи потока, к которой также подсоединена линия 20 рецикла на орошение верхней части окислительной колонны 7 через распылитель 21, выполненный с возможностью создания сплошной пленочной завесы по всему поперечному сечению окислительной колонны 7.

Предлагаемая установка для получения олигомерного наноструктурированного битума работает следующим образом.

Сырье для получения битума, например мазут, обычно доставляется в цистернах, откуда при температуре не менее 60°C перекачивается в приемную емкость 1. Затем мазут направляется в нагревательное устройство 2, например печь, в которой он подогревается до температуры 340-400°C, откуда поступает в вакуумную колонну 3, где подвергается вакуумной перегонке при остаточном давлении верха вакуумной колонны 15-18 мм рт.ст. Для создания вакуума применяют двухступенчатый вакуумный гидроциркуляционный агрегат, способный создать в колоннах остаточное давление в пределах 15-18 мм рт.ст., что повышает ИТК сырья до 490-520°C, а это, в свою очередь, позволяет осуществить необходимый отбор фракций на уровне от T_н.к.=220-240°C до Т_к.к.=490-510°C. Глубокий уровень отбора газойлевых фракций поддерживается за счет уменьшения парциального давления паров жидкости путем использования механизма пленочного испарения тяжелых нефтяных остатков в вакуумной колонне. Отходящие газы по линии 4 отвода отходящих газов удаляются сверху вакуумной колонны 3 в систему обработки отходящих газов по известным для подобного рода устройств способам, а полученный гудрон отводится из куба колонны в буферную емкость 6.

Отобранный из куба колонны гудрон содержит:

Парафино-нафтеновые углеводороды - 11,7-18,6%

Твердые парафины - не более 2%

Смолы - 31,0-33,0%

Асфальтены - 8,1-10,3%.

В буферной емкости 6 его смешивают с 10-30% битумного компаунда, поступившего из насадочно-тарельчатой окислительной колонны 7.

Подготовленное таким образом сырье с температурой не ниже 170°C подают в среднюю часть насадочно-тарельчатой окислительной колонны 7 под решетчато-клапанную тарелку 10.

Одновременно с сырьем в среднюю часть насадочно-тарельчатой окислительной колонны 7 под решетчато-клапанную тарелку 10 подают пластифицирующую добавку в количестве 5-15% от веса подаваемого сырья, а в нижнюю и среднюю часть насадочно-тарельчатой окислительной колонны 7 - воздушную массу в объеме >160 м³/т подаваемого сырья, соответственно, по патрубкам 11, 12 подвода воздуха в окислительную колонну.

Пластифицирующая добавка представляет собой продукт взаимодействия 15,0% мас. стирола, 4,0% мас. пероксида циклогексанона, 6,0% мас. 10%-ного раствора нафтената кобальта в стироле и 75,0% мас. переокисленного битума.

Под воздействием кислорода воздуха происходит реакция окисления. Температура реакции в зоне первичного окисления достигает 215-240°C, время нахождения реагентов в зоне реакции 8-15 мин.

За счет внутреннего устройства насадочно-тарельчатой окислительной колонны 7 реакция окисления происходит в пленочном режиме, что увеличивает скорость реакции окисления с максимальным использованием кислорода воздуха.

За счет высокой скорости реакции и небольшого времени пребывания в зоне реакции идет образование наноагрегатных кластеров асфальтенов с размером не более 40-100 нм по всему объему продукта.

Образующиеся в результате окисления тяжелых нефтяных остатков кислородом воздуха битумные наноагрегатные кластеры асфальтенов взаимодействуют с пластифицирующей добавкой, при этом происходит сшивание отдельных сеток кластерных наноагрегатов в более крупную сеть, т.е. олигомерные соединения добавки связывают отдельные кластерные наноструктурированные решетки в более крупные агрегативные наносоединения, в результате чего образуется наноагрегативная объемная или наноструктурированная структура, придающая битуму новые полезные свойства полимерного характера.

С целью поддержания различных скоростей реакции реакционная часть реактора условно разделена решетчато-клапанной тарелкой 10 на две сообщающиеся между собой части. За счет работы этой тарелки 10 происходит компаундирование продуктов окисления и олигомеризации между зонами как в одну, так и в другую сторону и перераспределение потоков воздуха по зонам реактора окисления. При этом в средней зоне получают переокисленный битум, а в нижней зоне - олигомерный битум.

Температурные режимы обеих частей колонны поддерживают путем включения в процесс охлаждающих контуров (не показаны), а также системой орошения верхней части колонны 7 через распылитель 21, который создает сплошную пленочную завесу по всему поперечному сечению окислительной колонны 7, что позволяет осуществить эффективную конденсацию легких масляных фракций и асфальтогенных кислот и растворение их в в жидких продуктах реакции по всему поперечному сечению окислительной колонны. Это ведет к уменьшению размеров наноагрегативных соединений асфальтенов, которые равномерно распределяются по всему объему реактора.

Полученный олигомерный битум поступает в нижнюю (кубовую) часть реактора, откуда его откачивают по линии 15 отвода готового битума в емкость 16 для целевого продукта, а отходящие газы удаляются по линии 13 отвода отходящих газов сверху окислительной колонны 7 в систему 14 обработки отходящих газов по известным для подобного рода устройств способам.

Показатели качества полученного битума различных марок при КиШ ≤56 приведены в таблице.

Как следует из представленных данных, предлагаемая установка обеспечивает получение олигомерного наноструктурированного битума с повышенными качественными характеристиками, а именно обладает улучшенными адгезионными и когезионными свойствами, имеет широкий интервал пластичности и более низкую температуру хрупкости, что достигается за счет повышения эффективности процесса окисления нефтяного сырья и качества поступающего на окисление сырья.