Краткий обзор динамических смесителей в нефтепереработке

УДК 66.021.1:532.5.

Краткий обзор динамических смесителей в нефтепереработке

© 1*+

1Кафедра «Оборудование нефтехимических заводов». Филиал ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Стерлитамаке.

Проспект Октября, 2. г. Стерлитамак, 453118. Республика Башкортостан. Россия.

Тел.: [phone]. E-mail: *****@***ru 

_______________________________________________

*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку

Ключевые слова: компаундирование, топливо, динамический смеситель.

Аннотация

В работе рассмотрены конструкции динамических смесителей, предназначенных для компаундирования нефтепродуктов.

Введение

Процессы компаундирования (смешения) - одна из важнейших стадий переработки нефтепродуктов. К компаундированию нефтепродуктов относят: создание однородных водонефтяных эмульсий в установках электрообессоливания сырой нефти, производство высококачественных экологически чистых видов топлива с экономией присадок и снижением себестоимости производства, производство стойких водотопливных эмульсий, приготовление многокомпонентных моторных масел, смазок, спецжидкостей и химических компонентов.

Современные тенденции в топливной промышленности, такие как ужесточение экологических требований к топливу, рост их объемов потребления, повышение себестоимости добычи нефти, ухудшение качества добываемой нефти и, как следствие, удорожание её переработки, приводят к необходимости пересмотра традиционных подходов к производству топлив. В первую очередь это касается получения высокооктановых бензинов и использования топлив и компонентов топлив альтернативных нефтяным. В мировой практике эти вопросы решаются, например, использованием спиртов в качестве добавок к традиционному бензину (в первую очередь этилового спирта, производимого из возобновляемых источников сырья), а также использованием водотопливных эмульсий (ВТЭ).

Использование этилового спирта в качестве добавки к топливу обеспечивает повышение экологических характеристик моторных топлив (снижение вредных выбросов до 30%), повышение октанового числа бензинов (на 6-8 пунктов), обеспечение экономии традиционных топлив [1-3]. Опыт использования ВТЭ в двигателях внутреннего сгорания различного назначения и котельных установках показал, что ВТЭ обеспечивают экономию топлива  (до 20%) при значительном улучшении экологических характеристик продуктов сгорания и снижении нагарообразования. Износ и надежность работы основных систем и деталей находится на том же уровне (при условии использования умягченной воды), как и при работе без воды [4, 5].

Одна из основных проблем этанолсодержащих топлив - фазовая нестабильность (спирты С1-С3 смешиваются с водой в любых соотношениях и присутствие последней в спиртосодержащем бензине является причиной фазового разделения). При приготовлении ВТЭ основная задача – получить оптимальную структуру смеси. Размер частиц воды в ВТЭ должен составлять от 5 до 10 мкм. При увеличении размеров снижается стабильность ВТЭ, при уменьшении снижается эффективность. Решение этих задач зависит, в первую очередь, от используемого перемешивающего устройства.

Аппараты, предназначенные для компаундирования нефтепродуктов, можно разделить на две группы: аппараты без вращающихся элементов - статического типа и аппараты с вращающимися элементами - динамического типа. Статические аппараты отличаются простотой конструкций, неприхотливостью в эксплуатации, низкими затратами на изготовление и эксплуатацию, но данная группа аппаратов не может конкурировать с динамическими по интенсивности воздействия на обрабатываемый поток.

Конструкции динамических смесителей

Анализ научных информационных и патентных источников по тематике исследуемой проблемы выявил, что из всего многообразия динамических (роторных) аппаратов для компаундирования нефтепродуктов наибольшее успешное применение нашли роторно-пульсационные аппараты (РПА) [6-14].

Прототипом РПА является гидродинамическая сирена - акустический излучатель, действие которого основано на периодическом прерывании потока жидкости (или газа). Конструктивные особенности сирен, их методы расчёта и применение были описаны ещё в середине прошлого века [15-17].

Сирены делятся на динамические (вращающиеся) и пульсирующие. Динамические сирены нашли большее применение в промышленности. Они подразделяются на осевые и радиальные; в первом случае движущийся поток совпадает с осью вращения, во втором - направлен по радиусу перпендикулярно оси (рисунок 1).

 

                       а)                                                 б)

Рисунок 1 – Динамическая сирена; а) – осевая, б) – радиальная

Типовой проточный РПА (рисунок 2) состоит из ротора 1 и статора 2, помещенных в корпусе 3 и выполненных в виде чередующихся коаксиальных цилиндров с прорезями (отверстиями) или в виде концентрически расположенных зубьев. Во внутренней зоне ротора могут быть установлены лопасти или ножи 4, обеспечивающие измельчение  крупных фракций дисперсной фазы и улучшающие условия перемешивания, транспорта обрабатываемой среды, поступающей, как правило, в патрубок 5 и удаляемой после обработки через патрубок 6. Аппараты погружного типа, помещаемые непосредственно в емкость с обрабатываемой средой, входного и выходного патрубков не имеют [18].

В настоящее время известно большое количество вариантов РПА, которые в основном отличаются технологическим назначением с соответствующими конструкциями рабочих органов – формой и расположением отверстий на подвижных и неподвижных коаксиальных цилиндрах.

Обзор конструктивных особенностей РПА выявил ряд их индивидуальных и общих недостатков в процессе обработки нефтепродуктов. Это, к примеру, низкое качество гомогенизации асфальтосмолистых веществ, содержащихся в топливе, в результате чего наблюдается увеличение вязкости водотопливной эмульсии по сравнению с исходным топливом (РПА [10]), получение не оптимального размера частиц воды – 50ч100 мкм (РПА [12]). Общим недостатком РПА можно считать сложность аппаратурного оформления, связанную с трудоёмким изготовлением коаксиальных цилиндров с прорезями, особенно, в случае выдерживания минимальных зазоров между статорными и роторными дисками, что в итоге завышает стоимость готовой установки. Также в РПА конструктивно не предусмотрено оперативное изменение степени воздействия на обрабатываемые среды, кроме изменения частоты вращения ротора. В условиях нестабильного по составу компонентов и примесей сырья это может привести к снижению производительности за счёт проведения дополнительного цикла обработки сырья для достижения требуемой дисперности смеси.

Возможно, решить данные проблемы удастся посредством применения роторно-дискового смесителя (РДС) [18-20], являющегося, по сути, разновидностью многоступенчатой осевой гидродинамической сирены (рисунок 3).

1 – ротор,  2 - статор, 3 – корпус, 4 – ножи, 5 и 6 – входной и выходной патрубки

Рисунок 2 – РПА

 

1 и 2  – загрузочный и разгрузочный патрубок, 3 - неподвижный цилиндрический корпус, 4 - перфорированные диски, 5 – вал, 6 - опора

Рисунок 3 – Схема РДС с двумя подвижными дисками на консоли

По аналогии с РПА достижение высокой гомогенизирующей способности во время работы РДС обеспечивается созданием зон с высокой турбулентностью (многочисленные зоны микромасштабных пульсаций), это связано с наличием чередующихся прорезей на роторе и статоре. Эффективное ведение процесса измельчения, например, нитевидных битуминизированных примесей, осуществляется в РДС присутствием двух эффектов - срезывания и механического перетирания. Срез будет осуществляться при воздействии острой кромки прорези, а перетирание при обработке в малом зазоре между рабочими плоскостями. Возможность оперативного изменения степени воздействия на обрабатываемые среды (размер капель воды) в РДС осуществляется с помощью устройства изменения зазора между рабочими элементами во время работы, либо с помощью регулирующих втулок. Кроме того, РДС за счёт организации осевого движения обрабатываемой среды через аппарат будет отличаться меньшей потребляемой энергией, т. к. он не работает по принципу центробежного насоса и, соответственно, не создаёт напор.

Обзор рекламной информации показал, что в настоящее время только в России существует несколько десятков производителей различных динамических смесителей предназначенных для обработки нефтепродуктов.  К примеру, российские аппараты типа УКГ, относящиеся по конструктивным признакам к типу одноступенчатых осевых сирен [21] или радиальные сирены типа СГД. Волновые аппараты типа БРАВО (Россия), имеющие достаточно сложную и спорную конструкцию рабочих органов [22] (рисунок 4). Установки типа РИА и ВКИ (Россия), представляющие собой  ранее рассмотренные РПА, а также многие другие подобные установки.

Среди зарубежных производителей РПА можно выделить компанию Arde Barinco (США), выпускающую аппарат под названием Cavitron, компанию Kinematica (Швейцария) с аппаратом Megatron, смесители компании Silverson Machines (США) и Koruma Maschinenbau (Германия).

 

Рисунок 4 – Рабочие элементы волновых аппаратов типа БРАВО

Заключение

Выбрать тот или иной тип смесителя из всего многообразия устройств, предлагаемых сегодня на рынке, становится нелёгкой задачей. В качестве определяющих параметров при выборе устройства можно рассматривать удельные энергозатраты, степень диспергирования и стоимость установки компаундирования в целом. Хотелось бы отметить, что в среднем для эффективных динамических устройств удельные энергозатраты составляют около 1 КВт∙ч/м3 при диспергировании частиц в эмульсии до размеров менее 10 мкм. Некоторые производители в рекламных целях занижают данные показатели в несколько раз, но на практике это не подтверждается. Для сравнения, при обработке нефтепродуктов в статических смесителях эти показатели порядка 0,5ч1 КВт∙ч/м3 при размерах частиц 10ч20 мкм и 3ч5 КВт∙ч/м3 при уменьшении размеров частиц до 1ч5 мкм.

Стоимость промышленной установки с динамическим смесителем со стартовой производительностью 5 м3/ч начинается в среднем с 200 тыс. руб. и может доходить до 1 млн. руб., в особенности, это относится к зарубежным производителям.

Благодарности

Исследования проводятся в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, направленной на выполнение поисковых научно-исследовательских работ для государственных нужд (Гос. контракт № 16.740.11.0692 от 03.06.11).

Литература

[1]  , , и др. Спирты как добавки к бензинам / Автомобильная промышленность. – 2005. - №8.

[2]  , , Крылов и перспективные автомобильные бензины / Химия и технология топлив и масел. – 2003. – №6. – с. 3-7.

[3]  , , Смидович высокооктановых бензинов. - М.: Химия, 1981. - 224 с.

[4]  Корягин водотопливных эмульсий и снижение вредных выбросов. - СПб.: Недра, 1995. - 304 с.

[5]  Горбов водотопливных эмульсий в судовой энергетике: Учебное пособие. – Николаев: НКИ, 1991. - 54 с.

[6]  Промтов аппараты роторного типа: Теория и практика. – М.: Машиностроение, 2001. – 260 с.

[7]  , Юдаев аппараты с модуляцией потока и их применение в промышленности. – М.: Недра, 1992. - 177 с.

[8]  Акулов процессов получения эмульсий водно-спиртовых растворов в бензине в роторных аппаратах с модуляцией потока и их коагуляция. Дис. … канд. техн. наук: 05.18.12, Москва, 2006.

[9]  Пат. № 000 Российская Федерация, МПК B01F7/00. Роторно-пульсационный аппарат / , ,  ,  ;  заявл. 06.10.06; опубл. 20.04.08.

[10]  Пат. № 000 Российская Федерация, МПК B01F7/00. Роторный аппарат / , , ;  заявл. 10.11.98; опубл. 10.06.2000.

[11]  Пат. № 000 Российская Федерация, МПК B01F5/00. Способ получения жидкого топлива и устройство для его изготовления / , , ;  заявл. 18.09.96; опубл. 20.10.98.

[12]  Пат. № 000 Российская Федерация, МПК B01F7/00. Роторный аппарат / , ;  заявл. 06.09.99; опубл. 27.04.01.

[13]  Пат. № 000 Российская Федерация, МПК B01F7/00. Роторно-пульсационный аппарат / , , ;  заявл. 12.07.04; опубл. 10.03.06.

[14]  Пат. № 000 Российская Федерация, МПК B01F7/00. Роторно-пульсационный аппарат / , , ;  заявл. 17.07.97; опубл. 20.01.99.

[15]  льтразвук и его применение в науке и технике. - М.: Иностранная литература, 1967. - 726 с.

[16]  Кроуфорд техника. - М.: Иностранная литература, 1958. - 354 с.

[17]  , Степанов сирены с приводом от электродвигателя / Акустический журнал. – 1963. - т. 9. - № 3.

[18]  , , Иванов роторно-дисковые смесители, М.: Химия, 2009. – 186 с.

[19]  Пат. № 000 Российская Федерация, МПК B01F7/00. Осевой смеситель / , и др.;  заявлено 27.02.09; опубл. 20.03.11.

[20]  Пат. № 000 Российская Федерация, МПК B01F7/00. Диспергатор / , и др.;  заявлено 27.02.09; опубл. 20.03.11.

[21]  Пат. на полезную модель № 000 Российская Федерация. МПК В06В1/18. Устройство для физико-химической обработки жидких сред / ;  заявл. 02.10.2006; опубл. 27.01.2007; бюл. №3.

[22]  Пат. № 000 Российская Федерация, МПК B01F11/02. Способ тепломассоэнергообмена и устройство для его осуществления / ;  заявл. 21.12.2004; опубл. 27.01.2006.

Overview dynamic mixers in refining

© Yevgeny Anatolyevich Nikolaev1*+

1 Equipment of petrochemical factories. Branch FSBEI of HPE «Ufa State Petroleum Technological University» in Sterlitamak.

2 Pr. of October, Sterlitamak, 453118. Bashkortostan Republic. Russia.

Tel.: [phone]. E-mail: *****@***ru.

Keywords: compounding, fuel, dynamic mixer.

Abstract

In this paper considers design of dynamic mixers for compounding of petroleum products.