УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГРАНУЛИРОВАНИЯ ЖИДКОЙ СЕРЫ

Изобретение относится к области нефтегазовой и химической промышленности и может быть использовано на предприятиях, получающих гранулированную серу в виде готовой продукции.

Сущность известных устройств получения гранулированной серы сводится к обеспечению истечения расплава жидкой серы через отверстия в виде отдельных капель, которые в процессе свободного падения охлаждаются воздухом, водяным паром, водой или струями воды.

Общий недостаток при практической реализации устройств, используемых в широко известных в патентной и технической литературе способах грануляции жидкой серы, связан с наличием больших капитальных затрат при строительстве, а также сложностью управления и обслуживания при эксплуатации данных устройств, присутствием большого количества серной пыли, приводящей к опасности возникновения взрыва от разряда статического электричества, необходимостью сложной системы очистки восходящего воздуха от серной пыли, наличием влагоотделительного механизма (грохота), необходимостью досушивания готовой продукцию в сушилке, наличием большого количества взаимосвязанных технологических параметров, от которых зависит качество и количество готовой продукции, требующих жесткого контроля (например, температура и уровень воды в баке гранулятора, постоянный отвод пульпы из бака гранулятора, бесперебойная работа грохота и сушилки).

Получаемые в данных устройствах гранулы серы отличаются неправильной сферической формой с большим разбросом по размерам (фракционному составу) и рыхлой структурой поверхности, обладая повышенной хрупкостью и содержанием большого количества остаточной влаги.

Наиболее близким, принятым за прототип, техническим решением к заявляемому изобретению является устройство по патенту «Способ получения гранул из расплава и устройство для его осуществления» (патент РФ №2229332, B01J 2/06, опубликовано 27.05.2004), которое включает емкость с жидким хладагентом, диспергатором и трубопроводами подвода и отвода хладагента, отличающееся тем, что устройство имеет врезанную в емкость вертикальную трубу, высота которой выбирается таким образом, чтобы возникающее гидростатическое давление гарантировало внутри емкости превышение температуры кипения хладагента над температурой подаваемого из диспергатора расплава, трубопроводы для отвода хладагента расположены с той же стороны емкости, что и диспергатор, а трубопроводы для подвода хладагента в количестве, достаточном, помимо охлаждения гранулируемого материала, для вывода из емкости через вертикальную трубу пульпы с готовым продуктом, расположены с противоположной стороны емкости для обеспечения возможности движения хладагента во встречном к гранулируемому материалу направлении.

Недостатком как известного устройства, так и всех остальных устройств, используемых в так называемых «мокрых» способах грануляции жидкой серы, является остаточное содержание поверхностной влаги, возникшей за счет формирования гранул серы в объеме охлаждающей жидкости (воды), которая в дальнейшем при хранении гранул серы приводит к образованию повышенной кислотности гранул серы, а также отсутствие возможности эксплуатации данных устройств в климатических условиях при отрицательных температурах.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение товарного качества гранулированной серы и эффективности процесса гранулирования жидкой серы с минимально возможным расходом жидкого хладагента в условиях непрерывного и одновременного с подачей жидкой серы вывода из процесса гранулированной серы.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство для гранулирования жидкой серы, включающее гранулятор, загрузочный трубопровод, технологический узел для подачи жидкой серы и вывода гранулированной серы (готового продукта), трубопровод для подачи жидкого хладагента в гранулятор, отличающееся тем, что гранулятор выполнен в виде теплоизолированной камеры с внутренней поверхностью правильной цилиндрической формы, в котором вертикально (соосно) установлен технологический узел для одновременного вовлечения в процесс грануляции жидкой серы и вывода из гранулятора гранулированной серы, оснащенный распределительным элементом для подачи жидкой серы в жидкий хладагент через отверстия с размером для получения гранул серы соответствующего заданного диаметра, винтовой поверхностью в виде шнека для вывода из процесса образовавшейся гранулированной серы и механической передачей, обеспечивающей вращение технологического узла вокруг своей оси от привода с переменной частотой вращения, при этом подвод жидкого хладагента в гранулятор осуществлен в его нижней центральной точке, а геометрия загрузочного трубопровода выполнена таким образом, что подача жидкой серы из загрузочного трубопровода во внутреннюю полость технологического узла происходит в зоне распределительного элемента в объеме, достаточном для поддержания уровня жидкой серы в технологическом узле, равном не менее 0,7 к уровню жидкого хладагента в грануляторе от верхней пластины распределительного элемента, а зона вывода гранул серы из гранулятора оборудована отбортовкой и воздуходувкой, создающей напор воздуха для удаления с гранул серы унесенного жидкого хладагента, который собирается в воронкообразном приемнике с последующим возвратом в трубопровод подачи жидкого хладагента гранулятора.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В устройстве, соответствующем изобретению, технологический узел для одновременного вовлечения в процесс грануляции жидкой серы и вывода из гранулятора готового продукта представляет собой трубопровод, в нижней части внутренней полости которого установлен распределительный элемент с отверстиями для подачи жидкой серы в жидкий хладагент, а на наружной поверхности трубопровода смонтирована винтовая поверхность в виде шнека, которая обеспечивает вывод из гранулятора образовавшейся гранулированной серы за счет вращения технологического узла.

Трубопровод технологического узла изготовлен из низкотеплопроводного материала с коэффициентом термического расширения, близким к нулевому значению, что позволит минимизировать термические деформации конструкции технологического узла в зоне высоких температур и снизить теплообмен между жидкой серой и жидким хладагентом через стенку трубопровода, тем самым сократив тепловые потери процесса.

В предлагаемом изобретении подача жидкой серы в жидкий хладагент осуществляется через отверстия распределительного элемента, который расположен ниже уровня жидкого хладагента в грануляторе, тем самым обеспечивая диспергирование жидкой серы непосредственно в объеме жидкого хладагента, что исключает образование паровой прослойки вокруг капли жидкой серы при контакте последней с поверхностью жидкого хладагента.

Исключение паровой прослойки, препятствующей быстрому охлаждению гранул серы, и проведение диспергирования жидкой серы непосредственно в объеме жидкого хладагента приводит к значительному повышению коэффициента теплопередачи, создавая при этом условия для высоких значений скоростей охлаждения и гранулирования жидкой серы и, соответственно, структурообразование гранул перестает подчиняться законам равновесной кристаллизации, что, в конечном итоге, приводит к быстрому и равномерному затвердеванию серы в практически монофракционные твердые сферические гранулы. В данном случае при гранулировании жидкой серы происходит интенсивное формирование мелкозернистой структуры в твердой фазе, характеризующейся большим числом мелких кристаллитов, равномерно распределенных по размеру в гранулах сферической формы.

В качестве жидкого хладагента в предлагаемом изобретении используется полиэтиленгликоль с молекулярной массой 200 ед. Использование в качестве жидкого хладагента полиэтиленгликоля обусловлено его физико-химическими свойствами. Данное химическое соединение представляет собой полимерную композицию с широко изменяемой молекулярной массой, растворимую в воде и органических растворителях. При этом полиэтиленгликоль является мощным осмотическим соединением, то есть соединением, впитывающим и удерживающим в своем объеме влагу, что позволяет исключить влагообразование как в объеме, так и на поверхности гранулированной серы при ее производстве и хранении, а следовательно, и решить проблему образования повышенной кислотности гранул серы. Полиэтиленгликоль также является доступным и безопасным реагентом.

Поддержание минимально возможного уровня жидкой серы в технологическом узле также обусловлено снижением тепловой нагрузки на жидкий хладагент и его расход соответственно. Минимально возможный уровень жидкой серы в технологическом узле, обеспечивающий гидростатический затвор от попадания жидкого хладагента из гранулятора во внутреннюю полость технологического узла, определяется из условия гидростатического равновесия с уровнем жидкого хладагента в грануляторе относительно уровня верхней пластины распределительного элемента.

Исходя из уравнения гидростатического давления Р=ρgh, следует:

P_c=Р_пэг

ρ_с*g*h_c==ρ_пэг*g*h_пэг

h_c==ρ_пэг*g* h_пэг/ρ_c*g

h_c=0,7*h_пэг,

где:

P_c, P_пэг - гидростатическое давление серы и полиэтиленгликоля соответственно;

ρ_с, ρ_пэг - плотность жидкой серы и полиэтиленгликоля соответственно;

ρ_с=1,8 г/см³ - плотность серы принимается равной в интервале температур 120-150°C;

ρ_пэг=1,1-1,2 г/см³ - плотность полиэтиленгликоля в расчетах принимается равной 1,2 г/см³ при температуре 20°C;

h_c, h_пэг - уровень жидкой серы и полиэтиленгликоля соответственно;

g - ускорение свободного падения.

Кроме того, в предлагаемом устройстве распределительный элемент технологического узла выполнен в виде двух перфорированных металлических пластин (верхней и нижней), между которыми расположен нагревательный элемент, обеспечивающий пусковой и аварийный импульсный нагрев распределительного элемента от внешнего источника тока, исключая при этом риск такого явления, как затвердевание жидкой серы в отверстиях распределительного элемента и их закупоривание.

В заявленном изобретении обеспечение одновременного с процессом грануляции вывода образовавшихся гранул серы из гранулятора достигается за счет винтовой поверхности в виде шнека на наружной поверхности трубопровода технологического узла, который приводится во вращение вокруг своей оси за счет привода с переменной частотой вращения посредством механической передачи, расположенной на валу привода и наружной поверхности трубопровода технологического узла вне зоны гранулятора.

Первый полувиток винтовой поверхности в виде шнека на наружной поверхности трубопровода технологического узла находится ниже нижней пластины распределительного элемента, а стенка трубопровода технологического узла ниже нижней пластины распределительного элемента выполнена только в части винтовой поверхности, обеспечивающей крепление последней к трубопроводу. Основание винтовой поверхности за счет возможности вертикального перемещения технологического узла установлено в непосредственной близости от дна гранулятора.

Зона вывода образовавшихся гранул серы из гранулятора оборудована отбортовкой, состоящей из металлической сетки, обеспечивающей направление движения гранул серы в отгрузочный бункер. Удаление с поверхности гранул серы унесенного жидкого хладагента осуществляется во время движения гранул серы по поверхности металлической сетки под действием напора воздуха, создаваемого при работе воздуходувки. Далее, удаленный таким образом жидкий хладагент собирается в воронкообразном приемнике с последующим возвратом в трубопровод подачи жидкого хладагента в гранулятор.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображено устройство для гранулирования жидкой серы.

Устройство содержит гранулятор 1 с теплоизоляцией 2 и отбортовкой 3 для вывода гранул серы из гранулятора 1. В грануляторе 1 установлен технологический узел 4, закрепленный на подшипниковых опорах 5 опорной конструкции 6. Технологический узел 4 оснащен распределительным элементом 7, винтовой поверхностью в виде шнека 8 и механической передачей 9, обеспечивающей вращение технологического узла 4 вокруг своей оси от привода 10 с переменной частотой вращения, управляемого с помощью блока управления 11. Распределительный элемент 7 состоит из двух перфорированных металлических пластин 12, между которыми расположен нагревательный элемент 13, запитанный от внешнего источника тока 14. Подача жидкой серы во внутреннюю полость технологического узла 4 и жидкого хладагента в гранулятор 1 осуществляется через загрузочный трубопровод 15 и трубопровод 16 соответственно.

На чертеже также показаны отгрузочный бункер 17 для вывода гранул серы на отгрузку, скользящие контакты 18 между электрической линией от внешнего источника тока к электрической линии нагревательного элемента 13, воздуходувка 19 для создания напора воздуха с целью удаления с гранул серы унесенного жидкого хладагента с последующим его сбором в воронкообразном приемнике 20 для возврата в трубопровод подачи жидкого хладагента в гранулятор 1.

Все конструктивные размеры и технологические параметры работы заявленного в данном изобретении устройства для гранулирования жидкой серы определяются расчетным путем исходя из заданной производительности по гранулированной сере заданного гранулометрического состава с учетом материального и теплового баланса процесса грануляции.

При осуществлении изобретения получен технический результат, заключающийся в повышении товарного качества гранул серы и эффективности процесса гранулирования жидкой серы с возможностью ведения процесса гранулирования с непрерывным и одновременным с подачей жидкой серы выводом из процесса готового продукта при минимально возможном расходе жидкого хладагента.

Из патентной документации не известны устройства для гранулирования с идентичными существенными признаками заявляемому техническому решению, что говорит о его новизне и соответствию этому критерию для изобретения.

Совокупность изложенных выше существенных признаков необходима и достаточна для реализации задачи заявляемого решения. При этом между совокупностью существенных признаков и задачей, поставленной и решаемой изобретением, существует причинно-следственная связь, при которой сама совокупность признаков является причиной, а решаемая ими задача является следствием. Исходя из этих доводов, правомерен вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует установленному критерию - изобретательский уровень (неочевидность).

Заявляемое техническое решение может быть неоднократно реализовано с получением указанного выше технического результата.

Решение, таким образом, соответствует критерию «промышленная применимость».

Предлагаемое решение в качестве изобретения апробировано в Инженерно-техническом центре ООО «Газпром добыча Астрахань». Ниже приводятся результаты апробации работы устройства.

Работа устройства для гранулирования жидкой серы заключается в следующем.

Из трубопровода 16 полиэтиленгликоль поступает в гранулятор 1 до уровня h нижней пластины распределительного элемента 7. Осуществляется кратковременная подача жидкой серы из загрузочного трубопровода 15 на верхнюю пластину распределительного элемента 7 с целью образования тонкого слоя твердой серы на распределительном элементе 7, препятствующего проникновению полиэтиленгликоля во внутреннюю полость технологического узла 4. Далее с помощью блока управления 11 включается привод 10, который через механическую передачу 9 приводит во вращение технологический узел 4, и продолжается подача полиэтиленгликоля в гранулятор 1 до расчетного уровня h_пэг, исходя из заданного значения уровня жидкой серы в технологическом узле h_c. После достигнутого уровня полиэтиленгликоля h_пэг из загрузочного трубопровода 15 осуществляется подача жидкой серы в технологический узел 4 до уровня h_c и одновременно от внешнего источника тока 14 через скользящие контакты 18 осуществляется кратковременный импульсный нагрев нагревательного элемента 13, обеспечивающий плавление ранее образованного тонкого слоя твердой серы на распределительном элементе 7, для подачи жидкой серы через отверстия распределительного элемента 7 в полиэтиленгликоль гранулятора 1.

Поступающая в полиэтиленгликоль жидкая сера образует гранулы серы, которые поднимаются вверх со дна гранулятора 1 за счет винтовой поверхности в виде шнека 8 на наружной поверхности трубопровода технологического узла 4 при его вращении вокруг своей оси. Вывод гранул серы из гранулятора 1 осуществляется через отбортовку 3. Удаление с поверхности гранул серы унесенного жидкого хладагента во время движения гранул серы по металлической сетке отбортовки 3 происходит под действием напора воздуха, создаваемого при работе воздуходувки 19. Далее, удаленный таким образом жидкий хладагент собирается в воронкообразном приемнике 20 с последующим возвратом в трубопровод подачи жидкого хладагента 16 гранулятора 1, а гранулированная сера по отбортовке 3 поступает в отгрузочный бункер 17 на отгрузку.

Регулированием частоты вращения вала привода 10 и регулированием расхода жидкой серы и полиэтиленгликоля с целью поддержания значений заданного уровня жидкой серы h_c и расчетного уровня полиэтиленгликоля h_пэг достигается оптимальный режим работы устройства для гранулирования жидкой серы.

В предлагаемом изобретении трубопровод технологического узла изготовлен из углепластика с коэффициентом термического расширения, близким к нулевому значению, что минимизирует термические деформации конструкции технологического узла в зоне высоких температур. В углепластике полимерная матрица обладает низкой теплопроводностью, выполняя при этом функции перераспределения напряжений между волокнами углеродного каркаса, который обеспечивает необходимую прочность и жесткость конструкции.

Монофракционные сферические гранулы серы однородного состава, получаемые в предлагаемом изобретении, представляют собой наилучшую геометрическую форму твердой серы, отличающуюся наиболее благоприятным соотношением массы и объема и наибольшей механической прочностью.

Результаты лабораторного анализа основных физико-химических показателей гранулированной серы, полученной в предлагаемом устройстве для гранулирования жидкой серы, представлены в таблице.

Технико-экономическое преимущество заявляемого изобретения заключается в улучшении товарного качества получаемых гранул серы при минимально возможном расходе полиэтиленгликоля, создании новых и увеличении существующих производственных мощностей процесса грануляции жидкой серы за счет непрерывного вывода из процесса готового продукта, а также применения на предприятиях, получающих гранулированную серу в виде готовой продукции, где применение высокопроизводительных «мокрых» способов грануляции сдерживалось недостаточным качеством получаемой продукции и климатическими условиями работы при отрицательных температурах.