Константин Ефанов Битумные окислительные колонны в блочном исполнении
1. Введение
В настоящее время отсутствует современная литература по проектированию битумных установок.
Основной монографией является устаревшая работа Гуна [1]. Имеются ряд публикаций, например, компании Shell [2]. Работа Гуна является обзорной по применяемым технологиям времен Советского Союза и не является монографией по проектированию.
Существует работа Капустина [3], в которой авторы подробно описали реакционный аппарат процесса Бутирокс и привели некоторые критически важные характеристики процесса, например, расход воздуха.
Данные по химизму процесса окисления приведены в общем виде [], указывается, что процесс можно описывать кинетическим уравнением первого порядка и указываются опытные данные в виде графиков. Этих данных по химизму процесса недостаточно для технологического расчета аппарата.
Данных по тепловому эффекту экзотермического процесса окисления гудрона в литературе не приводят. Однако, в работе Капустина [3] указывается об удельной энергии окисления углеводородов 200…1000кДж/кг.
Температура должна быть постоянной по высоте колонны и поддерживаться на оптимальном уровне в пределах 250°С [1].
Решение по отводу тепла с квенч-секцией, устанавливаемой в верхней части аппарата колонного типа является некорректным так как изменяет температуру по высоте колонны и вносит колебания и неравномерность в распределение температурного поля процесса. Сырье как правило должно подогреваться в трубчатой печи до рабочей температуры и поступать в аппарат с температурой 250°С.
Реакция окисления экзотермическая. Следовательно, от 250°С будет происходить разогрев до какой-то температуры, определяемой производительностью колонны и удельным тепловым эффектом реакции. Если принять 1000 кДж/кг [3] и относительно высокую суточную производительность колонны, разогрев может дойти до высоких температур, при которых сталь оболочки аппарата теряет свои механические свойства.
По результатам материального баланса определяется тепловая нагрузка на аппарата. А конечную температуру, до которой может произойти разогрев можно найти по выражению из баланса для гудрона:
Отрицательный знак в левой части указывает на экзотермическую реакцию окисления.
Тепловой эффект рассчитывается по средней теплоемкости в интервале так как применить степенную зависимость (на основе закона Нернста) нельзя за счет отсутствия справочных данных по коэффициентам в зависимости.
И тепловой эффект реакции окисления по разности энтальпий образования сырья и продуктов окисления посчитать не представляется возможным. Для этого необходимо знать точный состав гудрона и битума и считать вклад каждой фракции. Но состав гудрона различается в зависимости от условий его получения и от производителя. Существуют эмпирические брутто-формулы гудрона и битума. Однако, использовать эти брутто-формулы также некорректно.
Из выражения выше найдем конечную температуру, до которой может разогреться реакционная масса без охлаждения в зоне реакции:
Температура предположительно может возрасти и до 750°С. То есть при расчете теплообменного устройства необходимо задавать тепловую нагрузку охлаждения от этой умозрительной температуры 750°С до требуемой по процессу температуры 250°С.
Температуру необходимо отводить из зоны реакции.
Необходимо применить принцип конструирования ядерных реакторов, в которых графитовые стержни опускаются сразу в зону ядерной реакции и замедляют процесс.
В работе [4] приведен рисунок газжидкостного реактора с рубашкой. Такое конструктивное решение возможно не рационально для аппарата окисления гудрона. Более корректным выглядит расположение в зоне реакции змеевикового теплообменного утройства.
Для пустотелого аппарата колоннного типа возможно просто разместить внутри змеевик, для аппарата с внутренней коаксиальной трубой змеевик навивается на цилиндрические поверхности.
Важным критически является то, что нельзя реализовывать охлаждение через теплоообменный аппарат, установленный на трубопроводе внешней рециркуляции. Так как в этом случае по аппарату и трубопроводу потечет жидкая фаза с температурой свыше 700°С и конструкция обрушится, так как механические свойства стали критически ухудшатся.
Теплообменное устройство в зоне реакции позволит контролировать температуру в заданных пределах колебаний внутри зоны реакции и позволит контролировать процесс.
Конструктивное решение по внешней рециркуляции является некорректным и должно обосновываться только необеспечением времени пребывания за счет внутренней циркуляции в полом аппарате или аппарате с внутренней коаксиальной трубой.
Для этого выполняется расчет двух вариантов численным методом с получением диаграммы распределения скоростей потоков и распределения температур.