Разработка аппаратов на основе кавитационно-вихревого эффекта для окисления сырья и отделения газов при получении битума тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.09, кандидат технических наук Ванчухин, Николай Петрович

• Ванчухин, Николай Петрович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ванчухин, Николай Петрович

ВВЕДЕНИЕ

1. Литературный обзор

1.1. Описание, классификация и анализ существующих аппаратов и устройств для получения битумов

1.1.1. Аппараты для производства окисленных битумов

1.1.2. Окисление нефтяного сырья в реакторах колонного типа

1.1.3. Конструкции реакторов колонного типа

1.1.4. Пути дальнейшего совершенствования работы реакторов колонного типа

1.2. Влияние кавитационно-вихревых эффектов на интенсификацию процессов окисления нефтяного сырья до битума

1.2.1. Понятие кавитации

1.2.2. Гидродинамическая кавитация

1.2.3. Акустическая кавитация

1.2.4. Гипотезы вихревого эффекта

1.2.5. Сепарация многокомпонентных газовых смесей

1.2.6. Работа вихревой трубы на газожидкостной смеси 42 Выводы

2. Разработка каскадной системы аппаратов для непрерывного получения окисленных битумов различных марок

2.1. Расчет основных параметров процесса непрерывного окисления нефтяного сырья для получения битков

2.2. Разработка блок-схемы расчета параметров процесса для ЭВМ ^

Выводы

3. Создание методики расчета аппаратов для

разделения газов с интенсивными зонами кавитации

3.1. Гипотеза вихревого эффекта на основе кавитации

3.2. Разработка КВА для выделения примесей газов из газонасыщенных растворов

3.3. Расчет основных конструкционных размеров 'Кавитационно-вихревого аппарата для отделения газов в зависимости от параметров процесса

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка аппаратов на основе кавитационно-вихревого эффекта для окисления сырья и отделения газов при получении битума»

Битум является одним из наиболее известных инженерно-строительных материалов и широко используется в дорожном строительстве, изготовлении кровельных материалов, применяется в лакокрасочной и кабельной промышленности, при строительстве зданий и сооружений, прокладке трубопроводов. Спрос на качественные нефтяные битумы объясняется прежде всего повышением требований к качеству покрытий и реализацией ряда федеральных и государственных программ по дорожному и капитальному строительству.

На большинстве НПЗ России в настоящее время действуют физически изношенные битумные установки, использующие устаревшую технологию, что затрудняет переход нефтеперерабатывающих предприятий на производство более качественных битумов. Весьма проблематичным в условиях финансового кризиса в стране является и увеличение мощности битумных установок без вложения значительных лсредств в их реконструкцию или строительство.

Наиболее актуальным является вопрос разработки технологии производства битумов, позволяющей увеличить мощность и улучшить качество продукта на действующих битумных установках без значительных капитальных вложений.

Проводить процессы с большей эффективностью и создавать компактные аппараты позволяет применение вихревого эффекта, поскольку для создания эффективного режима кавитации бывает достаточно энергии потока обрабатываемой жидкости.

Реализация современных технологий при разработке аппаратов на принципах кавитационно-вихревого эффекта с учетом снижения энергоемкости актуальна в связи с возрастанием в последние годы стоимости энергии.

Основные направления исследований выполнены в соответствии с Государственной научно-технической программой Академии наук 4

Республики Башкортостан (АНРБ) «Проблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологии» по направлению 6.2 «Надежность и безопасность технических систем в нефтегазохимическом комплексе» на 1996-2000 годы, утвержденной постановлением кабинета министров РБ №204 от 26.06.96г., а также по Федеральной целевой программе «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы (ФЦП «Интеграция») по государственному контракту №28 «Создание совместного учебно-научного центра «Механика многофазных систем в технологиях добычи, транспорта, переработки нефти и газа».

Основной целью диссертационной работы является создание новых высокопроизводительных малогабаритных аппаратов для получения окисленных битумов, работающих на принципах кавитационно-вихревых эффектов:

- для интенсификации процессов окисления нефтепродуктов;

- разделения газов окисленного углеводородного сырья.

Цель достигается изучением влияния волновых воздействий на углеводородное сырье, разработкой новых аппаратов для реализации различных механизмов создания волнового поля и технологических процессов с учетом волновых и вихревых эффектов.

I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Заключение диссертации по теме «Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств», Ванчухин, Николай Петрович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований разработана каскадная система окисления углеводородного сырья в производстве битумов, которая состоит из совмещенных окислительной колонны с ГЖКВА для интенсификации процесса окисления и кавитационно-вихревого аппарата для разделения газожидкостной системы, что позволило на одной установке получать одновременно битумы различных марок.

2. Разработана блок-схема и программа расчета геометрических и технологических параметров реактора окисления, которая использована при проектировании реактора окисления для установки получения битума.

3. Получена зависимость между высотой заполнения колонны и временем окисления сырья, которая позволяет установить рациональную последовательность получения различных марок битума.

4. Предложен и теоретически обоснован механизм роста кавитационного пузырька в вихревом поле. Показано, что кавитационные каверны имеют тенденцию к росту и движутся от периферии к центру аппарата, что позволяет повысить отбор газовой среды.

5. Элементы каскадной системы окисления углеводородного сырья до битума внедрены на АО «НУНПЗ», что позволило сократить объем газов окисления и расход воздуха на 20-25% и повысить производительность по сырью до 45 м3/ч.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ванчухин, Николай Петрович, 2000 год

1. Грудников И.Б., Фрязинов В.В. //Химия и технология топлив и масел.-1978. №8. - С.8-11.

2. Бодан А.Н. Дисс.канд.техн.наук. М.: МИНХ и ГП им. Губкина, 1962.-125с.

3. Гун Р.Б. Нефтяные битумы. М. Химия, 1973. 432 с.

4. Баженов В.М. //Нефтепереработка и нефтехимия. 1970, № 10. - С. 27-29.

5. Гун Р.Б. Новое в производстве улучшенных битумов. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1971. С. 10-15.

6. Фрязинов В.В., Грудников И.Б. //Химия и технология топлив и масел.-1978. № 2. - С.11-14.

7. Баннов П.Г. и др. //Нефтепереработка и нефтехимия. 1977.-№9.-С. 14-16.

8. Грудников И.Б. Производство нефтяных битумов.-М.: Химия, 1983. 192с.

9. Фрязинов В.В., Ахметова P.C. //Тр. БашНИИНП. М.: Химия, 1968 -Вып.8, С.167-170.

10. Мережко Ю.И. Дисс.канд.техн.наук. Уфа, УНИ. - 1989.-130с.

11. Hockl А., Habilitationneschrieft, Wien, 1969.

12. Senolt Н., Bitumen, Teere, Asphalt, Peche, vervandte Stoffe.-1969, 20.-№12, P.563.

13. Lokwood D.C Petrol Ref., 1958, vol. № 3.-P. 197-200.

14. Пат. 297899, 1972. (Австрия)

15. Пат. 297167, 1972. (Австрия)

16. Баннов П.Г. и др. //Нефтепереработка и нефтехимия.-1978.-№ 9.-С. 12-14.

17. Рахмилевич Р.З. Новости нефтяной техники //Нефтепереработка.-1959.-М7.-С.32. •

18. Magyar М. Et ai., Kiserleti intezetek Kozlemeny, 8, 201, 1967.

19. Csikos R., Zakar P. Et ai., Erdöl Dienst, 19, 1965. ~

20. Хропатый Ф.П. //Нефтяник-1959, №12.-С.14.

21. Хуснияров М.Х. Дисс.канд.техн.наук. Уфа, УНИ, 1992.-128с.

22. Хафизов Ф.Ш. Дисс.доктор.техн.наук. Уфа, УГНТУ, 1996г.-205с.

23. Патент 1806002 Газожидкостный аппарат (СССР) /Ф.Ш. Хафизов и др.; Опубл. 1993.

24. Голустов B.C. и др. Распыливание жидкостей. М.: Химия, 1979.-216с.

25. Дисяткин Ю.Ф. и др. Распыливание жидкостей. М. Машиностроение, 1977г.-208с.

26. Панфилой Ф.В. //Союздор НИИ.-1967.-Вып 21.-С.128-130.

27. Перник А.Д. Явление кавитации. JI.: Изд-во Судостроение, 1966.-439с.

28. Арэуманов Э.С. Кавитация в местных гидравлических сопротивлениях. -М.: Недра, 1983.-93с.

29. Горшков A.C., Русецский А. А. Кавитационные трубы. М.: Наука, 1987.-120с.

30. Böttcher H.N., Die Zerstörung von Metallen durch Hohlsog (Kavitation), Zs.VDl.80,1499 (1936).

31. Mousson J.M., Untersuchunger über Hohlsog (Kavitation), Zs.VDI, 83, 397

32. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Машиностроение, 1975.-94с.

33. Голямина И.П. Ультразвук маленькая энциклопедия. М.: Металлургиздат, 1965.-130с.

34. Нигматуллин Р.И. Динамика многофазных сред. Л.: Госхимиздат, 1962.-97с.

35. Маргулис М.А. Основы звукохимии: Учебное пособие для хим. и хим-технол. техн. вузов. М.: Высшая школа, 1984.-128с.

36. Биркгоф Г., Сарантонелло Э. Струи, следы и каверны. М.: Мир. 1964.-95с.

37. Шальнев K.K. Кавитация в гидродинамике //Известия АН СССР, 1956.

38. Эпштейн JI. А. Возникновение и развитие кавитации. Л.: Судостроение, 1968.-345с.

39. Арзуманов Э.С. Об определении параметров кавитации регулируемых клапанов //Тр. института НИИ автоматика. 1965.

40. Галин Л. А., Шальнев К. К. Прогнозирование щелевой кавитации. //Тр. акустического института.- 1969.

41. Knapp R.T., Daily J.W., Hammitt F.G. Cavitation. New-York.Me Graw-Hill, 1970.- 500p.

42. Горшков А. С., Русецкий А. А. Кавитационные трубы.-Л.: Судостроение 1972.- 192c.

43. Горшков A.C., Гончугов H.T. Возникновение кавитации в жидкости. //Тр. акустического института.-1969.

44. Фридман В.М. Ультразвуковая химическая аппаратура.-М.: Машиностроение. 1967.-726с.

45. Бергман Л. Ультразвук. М.: Советская энциклопедия, 1957.-С105-125.

46. Розенберг Л.Д. Физические основы ультразвуковой технологии.-М.: Наука. 1970.-234с.

47. Красильников В.А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах.-М.: Физматгиз, I960.-185с.

48. Кроуфорд А. Ультразвуковая техника. М.: Изд-во иностр. лит., 1958.-85с.

49. Матаушен И. Ультразвуковая техника. М.: Металлургиздат, 1962.-69с.

50. Розенберг Л.Д. Применение ультразвука. М.: Изд-во АН СССР, 1957.-130с.

51. Huter Т., Bolt H.Sonils Techniques for the use of sound in engineering and Science. New York, Wiley, London, Chapman and Hall, 1955.

52. Гершгал Д.А., Фридман В.М. Ультразвуковая технологическая аппаратура. М.: Энергия, 1976.-208с.

53. Кузнецов 0.J1., Ефимова С.А. Применение ультразвука в нефтяной промышленности. М.: Недра, 1983.-65с.

54. Карузин В.П., Казанский B.JL, Симоненок JI.A. //Тр. Куйбышевского НИИНП.-1965.-Т. 32.-С.28.

55. Фомин В.А., Мазгаров А.М, Лебедев H.H. Реакционная способность меркаптидов натрия при их окислении кислородом в присутствии дисульфофталоианина кобальта // Нефтехимия.-1978. № 2.-С.298-303.

56. Некрасов H.H., Кононюк Б.Н., Казанский В.Л. Применение ультразвуковых устройств при сжигании топлив и перемешивании жидкостей и газов // Химия и технология топлив и масел. -1980. -№ 2. -С. 19-22.

57. Гинстлинг A.M., Барам A.A. Ультразвук в процессах химической технологии.-Л.: Госхимиздат, 1960.-154с.

58. Комаров B.C., Степанова Е.А. Влияние ультразвука на каталитические свойства алюминийсиликатного катализатора //Нефтехимия,-1978.-№ 6.-С.914-919.

59. Bruce F., Greek, Qlalbome A. // Ind. Eng. Chem.-1957. -V. 49. -N 12.-P.1938.

60. Грегуш А., Грегуп П. //Акустический журнал. -1960. -№ 6. -С.441.

61. Айзенштайн П.Г., Булатова И.Н., Соболев A.M. Получение сульфофрезола с применением ультразвука // Нефтепереработка и нефтехимия.-1965.-V3. -С.20-24.

62. Гинстлинг A.M., Барам A.A. //Химическая промышленность.-1960.-№1.-С.12-15.

63. Thompson D., Vllbrandt // Ind. Eng. Chem. -1954. -№ 46. P. 1172.

64. Фридман В.M. Звуковые и ультразвуковые колебания и их применение в лёгкой промышленности.-М.: Гизлегпром, 1956.-205с.

65. Черножуков Н.И. Технология переработки нефти и газа. М.: Химия, 1966.-127с.

66. Гарлинская Е.И., Беззубов А.Д. Ультразвук и пути его применения в пищевой промынленности. М.: Пищепромиздат, 1955.-128с.

67. Попов К. // Масла и парк. -1936. -№ 8. -С. 397.

68. Rose Г. //Can. Chem. Proc. -1955. -V. 39. -№ IL Р.40.

69. Кемпбелл Д.М. Очистка и переработка природного газа; Пер.с англ. /Под ред. С.Ф. Гудкова. М.: Недра, 1977. - 349с.

70. Кичкин Г.И., Заскалько П.П. Применение ультразвукового низкочастотного диспергатора УЗДН-1 для оценки механической деструкции полимеров в растворе минеральных масел //Нефтепереработка и нефтехимия. -1970. № 10. - С. 18-20.

71. А.Ф. Ишкильдин, И.Р. Хайрутдинов, C.JI. Александрова, Ф.Ш. Хафизов. Интенсификация процесса окисления нефтяных остатков воздействием ультразвука //Нефтепереработка и нефтехимия. 1986. - № 5. -С.9-10.

72. Кричмар С.П., Степаненкс В.Е. //Журнал аналитическая химия.-1969. -№12.

73. Гинстлинг A.M., Барам A.A. Ультразвук в процессах химической технологии. Л.: Госхимиздат, I960.-148с.

74. Grootnis R. // Chem. Eng. Sel. -1961. -№ 14. P.176.

75. Pâssau P. // Ann Soc. Brüx. -1948. -№ 62. -Р.40.

76. Danlewski W. // Aktaphys. polon. -1933. -№ 2. P. 45. '

77. Andoln A.Le7avasseur G. // Food. -1949. -№ 18, P.190.

78. Холин Б. Г. Центробежные и вибрационные грануляторы плавов и распылители жидкости. М.: Машиностроение, 1977.-181с.

79. Авруцский М.М. Соломаха Г.П. Анализ стадий массообмена в ротационном тарельчатом аппарате. М.: Изд-во ТОХТ, 1972.-125с.

80. Дейг М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергия. 1968.-145с.

81. Fraser R.P., Eiscunlam P., Dombrovery H.Liquid atonuration in chemical engineering. "British chemical Engineering", 1956

82. Бухман С. В. Экспериментальное исследование распада капель / Вестник АН Казахской ССР. 1954.-№ 1.-С.38-43.

83. Волынский М.С. О дроблении капель в потоке воздуха. ДАН СССР. 1948.-52с.

84. Фридман В.М. Ультразвуковая химическая аппаратура. -М.: Машиностроение, 1967.-75с.

85. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия. 1979.-С.258-265.

86. Мартынов'A.B., Бродянский В.М. Что такое вихревая труба? -М.: Энергия, 1976.- 153с.

87. Вулис Л.А. Об эффекте Ранка//Изв. АН СССР.ОТН.-1957,№Ю.-СЛ 05-107.

88. Меркулов А.П. Гипотеза взаимодействия вихрей. //Тр. КуАИ.-Куйбышев.-1963.-Вып. XV.-Часть II.-C. 197-203.

89. Меркулов А.П., Колышев Н.Д. Исследование температурных полей вихревой трубы с диффузором. //Тр. КуАИ.-Куйбышев. 1965. Вып. 22. С.167-177.

90. Мухутдинов Р.Х. Еще раз о сущности вихревого эффекта. //Вихревой эффект и его промышленное применение /Материалы III Всесоюзной научно-техн. конф.-Куйбышев.-1981.-С.42-45.

91. Соколов Е.Я. Характеристика вихревой трубы. //Теплоэнергетика,- 1966.-№ 7, С.62-67.

92. Fulton S.D. Ranques tube.-Refrigerating Engineering,1950,v.58, N5.-P.473-479.

93. Ranque G.I. Experiments on Expansion in a Vortex with Simultaneaus Exhaust of Hat Air and Cold Air. Journ. de Phys. et Rad., 1933, v. 7, № 4. -P.l 12-115.

94. Scheper G.W. The Vortex Tube. Internal Flow and a Heat Transfer Theory. -Refrigerating Engineering, 1951, v. 59, № 10. - P.985-989.

95. Алексеев А.П. , Мартыновский B.C. Эффект вихревого температурного разделения перегретых паров и опытная проверка гипотезы Хилша-Фултона. //Изв. АН СССР. ОТН.- 1956.- № 1.- С.71-79.

96. JD3 .Мартыновский B.C., Алексеев В.П. Термодинамический анализ эффекта вихревого температурного разделения газов и паров' //Теплоэнергетика.-1955.-№ П.-С.31-34.

97. Мартыновский B.C., Алексеев В.П. Исследование эффекта вихревого температурного разделения газов и паров //Журнал технической физики.-1956.- Т. 25.- Вып. 10.- С.2303-2315.

98. Мартыновский B.C., Войтко A.M. Эффект Ранка при низких давлениях //Холодильная техника.- 1961.- № 3.- С.80-89.

99. Юб.Бродянский В.М. , Лейтес И.Л. Определение температур в трубе Ранка-Хилша//Инженерно физический журнал.- I960.- Т. 3.- № 12.- С.72-77.

100. Ю7.Гуляев А.И., Исследование вихревого эффекта //Журнал технической физики,- 1965. Т.35.- Вып 10.- С.1869-1881.

101. Вулис Л.А., Кострица A.A. Элементарная теория эффекта Ранка //Теплоэнергетика.- 1962.- № 10.- С.72-77.

102. Ю9.Бродянский В.М., Лейтис И.Л. Зависимость величины эффекта Ранка от свойств реальных газов //Инженерно физический журнал, 1962.- Т.5.-С.38-41.

103. Ю.Меркулов А.П. О природе вихревого эффекта //Тр. КуАИ.-Куйбышев.-1959.- Вып. 37.- С.31-35. 6

104. Ш.Меркулов А.П. Энергетика и необратимость вихревого эффекта //Вихревой эффект и его промышленное применение /Материалы 3-й Всесоюзной науч. тех. конф.- Куйбышев.- 1981.- С.5-9.

105. Меркулов А.П., Кудрявцев В.М. К вопросу о термодинамической оценке возможностей вихревого эффекта //Вихревой эффект и его применение в технике /Материалы 2-й Всесоюзной науч-техн. конф. Куйбышев. -1976. -С.103-112.

106. ПЗ.Циралищвили Щ.А. К вопросу определения профиля окружной скорости вынужденного вихря //Вихревой эффект и его применение в технике /Материалы 2-й Всесоюзной научн-техн. конф. -Куйбышев.-1976.-С. 19-24.

107. Вилякин В.Е. Исследование скоростных полей в самовакуумирующейся вихревой трубе при наличии в ней охлаждаемого тела //Вихревой эффект и его применение в технике /Материалы 5-й Всесоюзной науч-техн. конф.- Куйбышев,- 1988,- С.16-20.

108. Метенин В. И. Исследование противоточных вихревых труб //Инженерно физический журнал.- 1964.- Т.7.- № 2.- С.95-102.

109. Азаров А.И., Кузьмин A.A., Муратов С.О. Расчет предельных температурно-энергетических характеристик противоточной вихревой трубы //Вихревой эффект и его применение в технике /Материалы 5-й Всесоюзной науч-техн. конф.-Куйбышев, 1988.- С.23-27.

110. Мухутдинов P. X. Пути использования эффектов в закрученных потоков в прцессах химической технологии //Вихревой эффект и его применение в технике /Материалы 4-й Всесоюзной науч-техн. конф.- Куйбышев.- 1984.-С. 120-126.

111. Портнов Ю.Т. Исследование аэродинамики и теплоообмена в вихревой диафрагмированной трубе с винтовым закручивающим устройством. -Дис. канд. техн. наук. Казань, 1974.- 155 с.

112. Кныш Ю.А. Физическая модель явления энергопереноса в вихревой трубе //Вихревой эффект и его промышленнное применение /Материалы 3-й Всесоюзной науч-техн. конф.- Куйбышев.- 1981.- С.29-31.

113. Кныш Ю.А. О механизме переноса энергии в вихревой трубе пульсирующими крупными вихрями //Вихревой эффект и его применение в технике /Материалы 5-й Всесоюзной науч-техн. конф.- Куйбышев.-1988.- С.71-74.

114. Агранат Б. А., Дубровин М.Н., Хавицский H.H., Эскан Г. И. Основы физики и техники ультразвука: Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1987.-352 с.

115. Мощные ультразвуковые поля / Под ред^Л.Д. Розенберга.- М.: Физика, 1987.-196с.

116. Гершгал Д. А., Фридман В.М. Ультразвуковая технологическая аппаратура. -М.: Наука, 1976.-С.103-114.

117. Добаткин В.И., Эскин Г.И., Абрамов О.В. и др. Воздействие ультразвука на многофазную поверхность металлов и сплавов. М.: Наука, 1986. -С.27-49.

118. Перник А.Д. Проблемы кавитации. -М.: Судостроение, 1966. -135с.

119. Маргулис М.А. Основы звукохимии (химические реакции в акустических полях): Учебное пособие для хим. и хим.технол. спец. вузов. М.: Высшая школа, 1984. - 272с.

120. Применение ультразвука в технологии машиностроения: Сб. докладов /Тр. Центральный институт научно-технической информации электротехнической промышленности и приборостроения. -М.- 1960.-С.54-56.

121. Краткий справочник химика.-М.: ГИТХЛ.- 1954.-С.135-138.

122. Техническая энциклопедия. Справочник физических, химических и технологических величин. -Т. 7.- 1931.-C.214c.

123. Щукин В.К., Халатов A.A. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осимметричных каналах. М.: Машиностроение, 1982.-138с.

124. Кузнецов О.Л., Ефимова С.А. Применение ультразвука в нефтяной промышленности. М.: Недра, 1983.-109с.

125. Темцев Б.Г. Техническая гидромеханика. -М.: Машиностроение, 1978.-112с.

126. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача: Учеб. для неэнергетич. спец. втузов. М.: Высшая школа, 1988. - 479 с.

127. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. -М.: Советская энциклопедия, 1979.-С. 117-125.

128. Кнепп Р., Дейли Дж., Хеммит Ф. Кавитация.- М.: Мир,1974.-235с.

129. Нигматуллин Р. И. Динамика многофазных сред. -T.I. -М.: Наука. Гл.ред. физ.-мат.лит., 1987. 464с.

130. Левицский С.П., Шульман 3. П. Динамика и тепломассообмен пузырьков в полимерных жидкостях.-М.: Химия, 1972.-228с. .