Описание промышленного получения окисленного битума

На битумной установке №2 битум производится по технологии окисления нефтяных остатков кислородом воздуха при повышенной температуре. Это связано с тем, что основная масса остатков, образующихся при переработке западносибирских нефтей, содержит в своем составе недостаточное количество смол и асфальтенов. В процессе окислительного превращения изменяется соотношение мальтенов, смол и асфальтенов в сторону увеличения концентрации последних. Эти превращения происходят за счет протекания реакций окислительной поликонденсации, способствующей последовательному переходу масел в смолы, а смол в асфальтены. Парафинонафтеновые соединения не принимают участия в образовании асфальтенов и являются инертной средой.

Метод окисления  заключается в продувке слоя нефтяного  остатка определенным количеством  технического воздуха через перфорированый маточник в аппарате колонного типа с постоянной подачей сырья.

При подаче воздуха  в гудрон при температуре 200-300⁰С нефтяные углеводороды начинают окисляться, при этом реакции окисления сопровождаются выделением тепла, в результате чего температура в колонне по мере окисления растет.

Окисление происходит по следующим направлениям:

В зависимости  от условий процесса возможны взаимные превращения кислых и нейтральных  продуктов окисления. Основное количество кислорода, связанного в окисленном битуме,  находится в виде сложноэфирных групп (60%). Остальное количество поглощенного кислорода идет на образование гидроксильных, карбоксильных  и карбонильных групп.

В процессе окисления  непрерывно возрастает содержание смол и асфальтенов и уменьшается  содержание масел. Поскольку смолы являются промежуточной формой между маслами и асфальтенами, их концентрация может оставаться неизменной при непрерывном уменьшении концентрации масел и увеличении концентрации асфальтенов.

Основными факторами, влияющими на процесс окисления  гудрона являются: природа сырья (нефти), исходная температура размягчения гудрона, содержания в нём масел, парафиновых и нафтеновых соединений, температура процесса, расход воздуха, и, как следствие, продолжительность окисления. Давление в зоне реакции, уровень жидкой фазы в реакторе и др. являются дополнительными факторами процесса. 

Природа сырья  играет главенствующую роль для качества битума, а соответствующим подбором сырья можно получать окисленные битумы с различными свойствами. В  зависимости от природы и состава  сырья могут быть получены битумы, которые при одном одинаковом показателе будут резко отличаться друг от друга по другим показателям.

В зависимости  от природы и консистенции остатка, идущего на окисление, меняются свойства полученного битума и, прежде всего, зависимость «температура размягчения – пенетрация». Соответствующим подбором сырья можно получать окисленные битумы различных свойств. С понижением содержания масел в исходном гудроне повышается растяжимость, температура хрупкости и температура вспышки битумов, понижается их теплостойкость и интервал пластичности, снижается расход воздуха и продолжительность окисления.

С повышением температуры  процесса ускоряется ход реакций  окисления, увеличивается прирост  температуры размягчения битума в единицу времени, но ускоряются и побочные реакции, преимущественно дегидрирование, с образованием высокомолекулярных асфальтенов, понижающих пенетрацию битума.

В зависимости  от природы сырья и требуемых  свойств битума следует подбирать  соответствующую температуру окисления. Оптимальной считается температура 250^оС.

С повышением температуры  выше 250^оС температура размягчения и температура хрупкости битума повышаются, а пенетрация, растяжимость, теплостойкость и интервал пластичности окисленных битумов понижаются.

С повышением температуры процесса продолжительность окисления и расход воздуха снижаются.

Расход сжатого  воздуха, степень его диспергирования  и распределения по сечению окислительной  колонны существенно влияют на интенсивность  процесса и свойства битумов. Увеличение расхода воздуха до определенного предела при прочих равных условиях ведет к пропорциональному повышению скорости окисления, последняя определяется температурой процесса и природой исходного сырья. [5]

 

3. 7 ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема битумной установки Киришского НПЗ (19/6):

К – 1, 2, 3 – окислительные  колонны; П – 1 – печь подогрева сырья; П – 2 – печь дожига газов окисления; К- 4, 5 – сепараторы; АВГ – аппараты воздушного охлаждения.

Потоки: I – гудрон; II – третий вакуумный погон; III – воздух на окисление; IV – газы окисления (отдув); V – битум на рециркуляцию; VI – дымовые газы; VII – черный соляр; VIII, IX, X – битумы различных марок

 

Сырье – гудрон с низу вакуумных колонн установок  АВТ поступает либо в накопительный резервуар, либо по байпасу к сырьевым насосам Н – 1, 2, 3, далее в окислительные колонны К – 1, К – 2, К – 3 (нормы режима см. в таблице 6), предварительно нагревать в печи П – 1 (нормы режима см. в таблице 5) до 170 – 250°С (в зависимости от ассортимента получаемых продуктов).

Расход сырья  контролируется и регулируется автоматическими  регуляторами расхода, клапаны которых  установлены на подачу пара к насосам. В нижнюю часть колонны по вертикальной трубе, проходящей внутри колонны, подается воздух в маточник-распределитель. Подача воздуха в колонны производится автоматически, регуляторами расхода. Для контроля температурного режима колонн каждая из них оснащена тремя термопарами (верх, середина, низ) с выводом их показаний на вторичные приборы, установленные на щите в операторной.

Время пребывания гудрона в реакционной зоне определяется уровнем окисляемого продукта в  колонне. В зависимости от требуемого качества получаемого битума, уровень  может изменяться в пределах 12 – 18 м. Температура в нижней части  колонн поддерживается на заданном уровне в пределах 220 – 260°С. Окисленный битум с низа колонн К – 1, 2, 3 откачивается насосами Н – 8, 9, 10 через соответствующие холодильники воздушного охлаждения АВГ – 1, 2, 3 и с температурой 150 – 180°С поступает в емкости готовой продукции (на рис.1 не показаны). Уровень битума в этих емкостях замеряется уровнемерами.

Для снятия тепла  реакции окисления и регулировки  температуры в окислетельных  колоннах часть битума после холодильников  может подаваться как рециркулят в окислительные колонны. Этим поддерживается температура низа колонн на заданном уровне, для чего установлен регулятор расхода рециркулята, клапан которого находится на линии подачи рециркулята в колонну связан с термопарами низа колонн.

Во избежание  переполнения колонн за счет возможного вспенивания окисляемого продукта ведется контроль за разностью температур верха и низа колонн.

Если разность температур составит менее 15°С предусмотрена  блокировка, прекращающая подачу сырья  и воздуха в колонну.

В верхнюю часть  колонны предусмотрена подача подогретого пара для недопущения взрыва колонны в случае содержания кислорода в газах окисления  выше 6% об. Газы окисления, пары воды и нефтепродуктов с верха К – 1, 2, 3 поступает в сепараторы К – 4, 5 (нормы режима см. в таблице 7), где происходит разделение на жидкую и газовую фазы. Газовая фаза из К – 4, 5 направляется в печь дожига П – 2 (нормы режима см. в таблице 8), где происходит ее термический дожиг до воды и углекислого газа. Жидкая фаза из К – 4, 5 насосами Н – 6, 7 откачивается в линию некондиции.

В случае получения  кровельных марок нефтебитума в  гудрон из емкости Е – 8 насосами Н – 4, 5 дозируют третий вакуумный  погон для приготовления сырья  соответствующего качества.

В нагревательной печи П – 1 и печи дожига П – 2 используется как жидкое, так и газообразное топливо. [6]

 

3. 8 НОРМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА

Таблица 5

Нормы технологического режима печи П – 1

Наименование  стадий процесса, аппараты, показатели режима	Допускаемые пределы  технологических параметров
Температура газов  сгорания на перевале, °С   Температура сырья  на выходе из печи, °С   Давление в  змеевике перед печью, кгс/см2 (МПа)     Давление природного газа перед форсунками, кгс/см2 (МПа)   Разрежение, мм вод. ст. (кПа)	не более 800    не более 265    не более 20 (не более 2,0)    не более 6,0 (не более  0,6)    не менее 10,0 (не менее  0,1)

 

Таблица 6

Нормы технологического режима окислительных  колонн К – 1, 2, 3

Наименование  стадий процесса, аппараты, показатели режима

Допускаемые пределы  технологических параметров

Расход гудрона м3/ч   Расход воздуха  м3/ч*   Расход вакуумного погона м3/ч   Расход рециркулята  м3/ч   Температура низа°С   Температура верха  °С   Разность температур жидкой и паровой фаз °С   Давление в  колонне кгс/см2 (МПа)   Давление технического воздуха,   подаваемого на окисление кгс/см2 (МПа)   Высота взлива н/продукта м   Расход гудрона, подкачиваемого в окисленный битум  м3/ч   Содержание  кислорода в газах окисления% об.

12 ÷ 50     не более  4000     не более  10     0 ÷ 16     190 ÷ 280     не более  240     не менее  15     не более  0,4   (не более  0,04)     2,5 ÷ 6,0   (0,25 ÷ 0,60)       12 ÷18,5     0 ÷10       не более  8,0

 

Таблица 7

Нормы технологического режима сепараторов К – 4, 5

Наименование  стадий процесса, аппараты, показатели режима	Допускаемые пределы  технологических параметров
Температура низа, °С   Уровень, м	не более  200     не более  3,0

 

Таблица 8

Нормы технологического режима печи дожига П – 2

Наименование  стадий процесса, аппараты, показатели режима	Допускаемые пределы  технологических параметров
Температура дымовых газов на выходе, °С   Разрежение, мм вод.ст. (кПа)     Температура дымовых  газов на входе в дымовую трубу, °С   Давление природного газа перед форсунками, кгс/см2 (МПа)	800 ÷ 1000     не менее  5 (не менее  0,05)   200 ÷ 650       не более  6,0

 

 

4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

4. 1 РАСЧЕТ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ КОЛОННЫ

Окислитель колонного типа (Рис. 2) –цилиндрический аппарат, с нижним и верхним коническим днищем, с вертикальным змеевиком из стали, через который подается сырье. Имеет диаметр 2,5 м и высоту  8,75 м. Диаметр более 3,5 м нецелесообразен, так как в большом сечении трудно осуществить равномерное диспергирование воздуха.

В низ окислительной  колонны вводится, через маточник, сжатый воздух. Гудрон движется вниз, а  воздух наверх и при контакте возникает процесс окисления сырья.

Кислород, взаимодействуя с водородом, содержащийся в сырье  образует водяные пары, основное количество кислорода уносится в виде паров  воды.

Предусматривается подача воды на верхнюю часть колонны  для съема тепла и реакции, дополнительно к понижению температуры. [7]

Окислитель  колонного типа:

Рис. 2. Окислитель колонного типа:

1-корпус; 2-штуцер для ввода гудрона; 3-штуцер для ввода воздуха с распределителем; 4-штуцер для ввода продукта; 5-штуцер для вывода газов окисления.

Требуется составить  материальный и тепловой балансы  окислительной колонны непрерывного действия и определить её реакционный  объем, внутренний диаметр и высоту, а также рассчитать расход воздуха  на окисление гудрона.

Исходные данные: гудрон западно-сибирской нефти с температурой размягчения 35°С и плотностью 985 кг/м³; производительность колонны по сырью G_F = 20000 кг/ч; марка получаемого битума БНД-60/90 с температурой размягчения по КиШ 48°С; условия процесса: температура t = 250°С, давление P = 0,3 МПа, удельный расход воздуха g_возд = 100 нм³/т, объесная скорость подачи гудрона ω = 0,3 ч^-1.

Расчет. Составляем материальный баланс колонны.

Таблица 9

Выход битума из гудрона плотностью 985 кг/м³

Вб, % (масс.)	99	98	97	96	94	92	85
Tразм, °С	40	45	48	52	70	90	120

 

Выход готового продукта, согласно данным таблицы 9, составит 96,5% (масс.) или