Реактор для переработки углеводородного сырья

Изобретение относится к области переработки углеводородного сырья, к устройствам для переработки кубовых остатков, гудронов, битумов, мазутов и т.д. Реактор для переработки углеводородного сырья включает узел 8 поджига газовой смеси и сборный охлаждаемый корпус, который состоит из камеры 5 образования рабочего тела, камеры пиролиза с узлом 19 подачи перерабатываемого сырья и камер 7 закалки. К корпусу присоединены патрубки для подвода и отвода реагентов. Реактор дополнительно содержит генератор 4 горячих газов, выход которого соединен со входом камеры 5 образования рабочего тела. Генератор 4 горячих газов имеет внутреннюю камеру 9 сгорания, стенки 10 которой коаксиальны корпусу генератора 4 горячих газов. Камера 9 сгорания сообщается с узлом 8 поджига газовой смеси и снабжена патрубком 13 подачи инициирующего горение газа. Во входной части камеры 5 образования рабочего тела установлен коллектор 16 с радиальными отверстиями 17. Коллектор 16 сообщается с патрубком 18 подачи горючего. Между камерой 5 образования рабочего тела и камерой 6 пиролиза расположен узел 19 подачи перерабатываемого сырья, выполненный в виде радиальных форсунок 20, закрепленных на корпусе реактора. Между камерой 6 пиролиза и камерой 7 закалки расположен узел подачи водорода или водородсодержащего газа, выполненный в виде радиальных форсунок 22, закрепленных на корпусе реактора. Изобретение повышает качество получаемого продукта и существенно увеличивает межремонтный срок. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области переработки углеводородного сырья, а именно к устройствам для переработки в том числе кубовых остатков, гудронов, битумов, мазутов и т.д.

Известен реактор для переработки вторичного тяжелого углеводородного сырья [Патент РФ 2170754, МКИ С 10 G 7/00, опубл. 20.07.2001]. Реактор имеет корпус, в котором размещены перфорированные перегородки, ориентированные перпендикулярно его оси. Реактор также снабжен узлом подачи тяжелого углеводородного сырья, узлом подачи активирующего агента, например пропан-бутан-водородной смеси, узлом ввода рециркулирующих остатков переработки и узлом вывода парогазовой смеси. При движении сырья и активирующего агента через отверстия перфорации происходит диспергация массового потока с образованием пузырьков и увеличением за счет этого поверхности контакта сырья и активирующего агента. В процессе движения этого диспергированного потока от первой перегородки к последней интенсифицируется не только процесс дистилляции светлых фракций, содержащихся в исходном сырье, но дополнительно осуществляется процесс химического взаимодействия перерабатываемого сырья с активирующим газом, с парами вновь образованных светлых фракций углеводородов, и происходит процесс конверсии тяжелых углеводородов в светлые. При работе конвектора температура процесса в реакционной зоне достигает ≈300°С. Выход светлых продуктов хотя и выше, чем в известных процессах замедленного коксования и вакуумной дистилляции, однако составляет порядка 53 мас.%.

Известен гидродинамический кавитационный реактор [Патент РФ 2124550, МКИ С 10 G 15/08, опубл. 10.01.99], в герметично закрытом корпусе которого, выполненном в виде вертикально ориентированного цилиндрического стакана, с помощью разделительных перегородок образованы рабочие камеры. Углеводородное сырье вместе с водой подается в реактор под высоким давлением (180-220 атм) и поступает в перфорированный завихритель. Далее турбулизированный диспергированный парожидкостный поток через сопла насадка, установленного на выходе завихрителя, попадает последовательно в рабочие камеры. Рабочие камеры сообщаются между собой посредством сопел. В рабочих камерах в области повышенного давления паровые пузырьки охлопываются и происходит резонансный кавитационный процесс, обусловливающий генерацию акустического излучения, воздействующего на сырье. Это приводит к деструкции молекул тяжелого углеводородного сырья, что обеспечивает получение высокого процента выхода светлых фракций.

Приведенные выше аналоги позволяют осуществлять переработку тяжелых углеводородов в светлые фракции за счет кавитационных физико-химических процессов, приводящих к деструкции молекул.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является реактор для переработки углеводородного сырья [Патент РФ №2206387, опубл. 20.06.2003]. В сборном водоохлаждаемом корпусе реактора имеется камера пиролиза и камера закалки, выполненная в форме расширяющегося сопла, в которое поступает вода из системы водоохлаждения реактора. В камере пиролиза расположен узел подачи углеводородного сырья, выполненный в виде продольно ориентированных перфорированных трубок. Образование рабочего тела осуществляется при помощи горелки, в которой сжигается смесь горючего газа и окислителя. Инициация горения газовой смеси осуществляется при помощи узла поджига. Прототип обладает рядом недостатков. Во-первых - явление коксования, поскольку забиваются отверстия продольно ориентированных трубок, что приводит к прекращению подачи сырья. Это вызывает необходимость остановки реактора для осуществления ремонтно-профилактических работ. Во-вторых, по поперечному сечению камеры пиролиза нет равномерного распределения реагентов, что делает глубину переработки недостаточной. В-третьих, в камере закалки создается эмульгированная смесь продуктов пиролиза, что также снижает качество полученного продукта.

В основу изобретения поставлена комплексная задача повышения межремонтного срока и повышение качества полученного продукта.

Поставленная задача решается изменением конструкции.

Реактор для переработки углеводородного сырья имеет в своем составе узел поджига газовой смеси и сборный охлаждаемый корпус, включающий камеру образования рабочего тела, камеру пиролиза с узлом подачи перерабатываемого сырья и камеру закалки. К корпусу присоединены патрубки для подвода и отвода реагентов. От прототипа реактор отличается тем, что дополнительно содержит генератор горячих газов, выход которого соединен со входом камеры образования рабочего тела. Генератор горячих газов имеет внутреннюю камеру сгорания, стенки которой коаксиальны корпусу генератора горячих газов. Входной торец генератора горячих газов предназначен для присоединения к магистрали подачи газа-окислителя. Камера сгорания сообщается с узлом поджига газовой смеси и снабжена патрубком подачи инициирующего горения газа. Во входной части камеры образования рабочего тела установлен коллектор с радиальными отверстиями. Коллектор сообщается с патрубком подачи горючего. Между камерой образования рабочего тела и камерой пиролиза расположен узел подачи перерабатываемого сырья, выполненный в виде радиальных форсунок, закрепленных на корпусе реактора. Между камерой пиролиза и камерой закалки расположен узел подачи водорода или водородсодержащего газа, выполненный в виде радиальных форсунок, закрепленных на корпусе реактора.

В камере закалки дополнительно могут быть установлены каталитические элементы, которые предпочтительно выполнить в виде поперечно установленных решеток, покрытых катализатором.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез реактора.

Реактор имеет цилиндрический горизонтально ориентированный корпус с наружной стенкой 1 и внутренней стенкой 2. Между стенками имеется кольцевая щель, в которую при помощи патрубков 3 подается и отводится хладагент, например вода, воздух, азот и т.д.

Основными узлами реактора являются генератор 4 горячих газов, камера 5 образования рабочего тела, камера 6 пиролиза, камера 7 закалки и узел 8 поджига газовой смеси. Внутри корпуса генератора 4 горячих газов выполнена камера 9 сгорания, стенки 10 которой коаксиальны стенкам корпуса генератора 4 горячих газов, и между ними существует кольцевой щелевой зазор 11. Камера 9 сгорания при помощи патрубка 12 сообщается с узлом 8 поджига газовой смеси. Камера 9 сгорания также снабжена патрубком 13, предназначенным для подачи инициирующего горение газа (например, пропан-бутана, метана, пропана, водорода и т.д.). Входной торец корпуса генератора 4 горячих газов имеет фланец 14 с осевым отверстием 15, предназначенным для введения газа-окислителя (кислорода, воздуха). Выходная часть корпуса генератора 4 горячих газов (а следовательно, стенки 10 камеры 9 сгорания) конически сужается и соединена с конически расширяющимся на входе корпусом камеры 5 образования рабочего тела. В начале цилиндрической части камеры 5 установлен коллектор, представляющий собой втулку 16 с радиальными отверстиями 17. Между втулкой 16 и корпусом камеры 5 образования рабочего тела имеется кольцевой щелевой зазор, сообщающийся с патрубком 18 подачи горючего.

Узел подачи перерабатываемого сырья расположен между камерой 5 образования рабочего тела и камерой 6 пиролиза. Он выполнен в виде проставки 19 с радиальными форсунками 20, равномерно распределенными по кольцу. Узел подачи водорода расположен между камерой 6 пиролиза и камерой 7 закалки. Он также выполнен в виде проставки 21 с радиальными форсунками 22. В камере 7 закалки могут располагаться каталитические элементы 23. Они представляют собой ряд поперечно установленных решеток, покрытых катализатором. Камера закалки снабжена патрубками 24 подачи воды.

Корпуса генератора 4, камер 5, 6, 7 имеют одинаковый диаметр и образуют сборный корпус реактора.

На корпусе реактора закреплен узел 8 поджига газовой смеси. Он снабжен патрубком 25 подачи инициирующего горение реагента и патрубком 26 подачи окислителя и устройством поджига (не показано).

Реактор работает следующим образом.

Вначале через отверстие 15 подается окислитель, например воздух, который проходит через зазор 11 и одновременно поступает в камеру 9 сгорания. Затем через патрубок 13 в камеру 9 сгорания подается газ, инициирующий горение, например пропан-бутан. В узел 8 поджига газовой смеси соответственно через патрубки 25 и 26 подается окислитель, например воздух и газ, инициирующий горение, например пропан-бутан, смесь поджигается, а соответственно, начинается реакция в камере сгорания. На выходе из камеры 9 сгорания (в конической части корпуса) горячие газы смешиваются с воздухом, выходящим из щелевого зазора 11, что приводит к турбулизации потока. При выходе на рабочий режим в камере 9 сгорания температура составляет 740-1000°С при коэффициенте избытка кислорода α=1,5.

В камеру 5 образования рабочего тела через отверстия 17 во втулке 16 подается горючее струями, перпендикулярными направлению основного потока. В этой камере происходи дожигание газовой смеси и образование рабочего тела. При выходе на рабочий режим в камере 5 температура составляет 1200-1600°С при α=0,95-1,0.

Впрыск перерабатываемого сырья осуществляется радиальными потоками через форсунки 20. Перерабатываемое сырье, движимое потоком рабочего тела, поступает в камеру 6 пиролиза. Здесь происходит высокоскоростной нагрев, сопровождающийся деструкцией высокомолекулярных компонентов. Турбулентность потоков и кавитационные процессы повышают степень деструкции высокомолекулярных соединений. При выходе на рабочий режим в камере 6 пиролиза температура составляет 500-800°С.

С целью исключения наличия непредельных углеводородов (этилена, бутилена, пропилена и т.д.) в готовом продукте на выходе из камеры 6 пиролиза осуществляется впрыск водорода или водородсодержащих газов, например аммиака.

Подача водорода или водородсодержащих газов осуществляется также через радиально установленные форсунки 22.

Продукты пиролиза, дополнительно подвергнутые турбулизирующему воздействию водородом, поступают в камеру 7 закалки. Вода, поступающая из патрубков 24, превращается в пар, температура парогазовой смеси снижается до 300-450°С, и процесс пиролиза прекращается. Сконденсированные углеводороды не менее чем на 90% состоят из светлых фракций.

Разделение на фракции полученной на выходе смеси производится традиционным способом.

В процессе работы реактора осуществляется охлаждение всех частей его корпуса пропусканием хладагента, например воды, в зазоре между стенками 1, 2. Конструкция реактора позволяет осуществлять переработку тяжелых углеводородов с различными физико-химическими характеристиками.

Работа реактора проверена на различном исходном сырье. Ниже приведены примеры испытаний.

Пример 1. Заявляемый реактор был применен для переработки кубового остатка газоконденсатного завода Сургутского ЗСК, плотность сырья при 20°С-870,9 кг/м³. В процессе работы реактора в реактор никакой активирующий газ или модифицирующий агент не подавался. В результате были получены следующие продукты, мас.%: 12 - легкие углеводороды (C₁-C₄), 4 - легкие углеводороды (С₅-С₆), 82,5 - реакционная смесь для получения светлых фракций углеводородов на НПЗ, 1,5 - твердые частицы и потери.

Пример 2. То же сырье, что в Примере 1, было подвергнуто переработке в реакторе в условиях подачи водорода в реактор. В результате были получены следующие продукты, мас.%: 2,3 - легкие углеводороды (C₁-С₆), 95,7 - реакционная смесь для получения светлых фракций углеводородов на НПЗ, 2 - твердые частицы и потери.

Пример 3. Реактор был применен для переработки природного нефтебитума, плотность при 20°С - 930 кг/м³. В процессе работы реактора в реактор подавали водород. В результате были получены следующие продукты, мас.%: 11,2 - легкие углеводороды (синтез-газ), 83,8 - реакционная смесь для получения светлых фракций углеводородов на НПЗ, 5 - твердые частицы и потери.

Пример 4. В реакторе был подвергнут переработке топочный мазут М-100, вязкость при 20°С - 16 мм/с, также при подаче водорода. В результате были получены следующие продукты, мас.%: 17 - легкие углеводороды (C₁-С₆), 76 - реакционная смесь для получения светлых фракций углеводородов на НПЗ, 6 - твердые частицы и потери.

Приведенные выше и другие многочисленные испытания реактора показали, что он позволяет перерабатывать тяжелые углеводороды с выходом светлых фракций углеводородов 90-98%. Конкретный процент определяется физико-химическими характеристиками перерабатываемого сырья и количеством водорода, подаваемого в реактор.

Испытания показали, что по сравнению с прототипом процент твердых частиц и потерь в среднем снижается на 30%.

Заявленная конструкция исключает возможность коксования, т.к. сырье подается через радиальные форсунки, что существенно увеличивает межремонтный срок.

Высокая дисперсность струй, поступающих в камеру пиролиза реагентов, уменьшает время высокоскоростного нагрева и повышает производительность реактора. Организация турбулентных потоков повышает степень деструкции, а следовательно, выход реакционной смеси для получения светлых фракций углеводородов.

Наличие катализаторов в камере закалки повышает качество получаемого готового продукта (бензина, дизельного топлива), а именно уменьшается процентное содержание олефиносодержащих углеводородов и способствует повышению октанового числа.

Реактор может использовать в качестве горючего попутные газы, метан, бутан и т.д., в том числе использовать газы, получаемые в процессе работы реактора. Выделяемая в процессе работы теплота может использоваться для предварительного подогрева перерабатываемого сырья или утилизироваться.

1. Реактор для переработки углеводородного сырья, имеющий узел поджига газовой смеси и сборный корпус, включающий камеру образования рабочего тела, камеру пиролиза с узлом подачи перерабатываемого сырья, камеру закалки, к корпусу присоединены патрубки для подвода и отвода реагентов, отличающийся тем, что дополнительно содержит генератор горячих газов, выход которого соединен со входом камеры образования рабочего тела, генератор горячих газов имеет внутреннюю камеру сгорания, стенки которой коаксиальны корпусу генератора горячих газов, камера сгорания сообщается с узлом поджига газовой смеси и снабжена патрубком подачи инициирующего горение газа, при этом во входной части камеры образования рабочего тела установлен коллектор с радиальными отверстиями, коллектор сообщается с патрубком подачи горючего, между камерой образования рабочего тела и камерой пиролиза расположен узел подачи перерабатываемого сырья, выполненный в виде радиальных форсунок, закрепленных на корпусе реактора, между камерой пиролиза и камерой закалки расположен узел подачи водорода или водородсодержащего газа, выполненный в виде радиальных форсунок, закрепленных на корпусе реактора.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в камере закалки дополнительно установлены каталитические элементы.

3. Реактор по п.2, отличающийся тем, что каталитические элементы представляют собой поперечно установленные решетки, покрытые катализатором.