Методика технологического расчета окислительной колонны в производстве битума

Глава 1. Аналитический обзор и теоретические основы процесса

В современной промышленности, особенно в сфере дорожного строительства, битум играет незаменимую роль. Более 90% всего производимого битума используется именно для создания дорожных покрытий, а также в гражданском строительстве и различных промышленных производствах. Долговечность и надежность ключевых инфраструктурных объектов напрямую зависит от качества этого связующего материала. Однако сырой нефтяной остаток (гудрон) не всегда обладает необходимыми эксплуатационными характеристиками, особенно для регионов с холодным климатом.

Для улучшения его свойств, таких как вязкость, термостабильность и адгезия, применяется процесс окисления — ключевой метод модификации. Суть этого процесса заключается в целенаправленном изменении химического состава сырья под воздействием кислорода воздуха. Это позволяет получать битумы, соответствующие строгим стандартам качества, например, ГОСТ 22245-90.

Однако стабильность этого процесса и, как следствие, качество конечного продукта, невозможны без точного инженерного расчета основного оборудования — окислительной колонны. Возникает проблема: как спроектировать аппарат, который обеспечит оптимальные условия для реакции и заданную производительность? Таким образом, целью данной курсовой работы является разработка и апробация комплексной методики технологического расчета окислительной колонны непрерывного действия.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• Провести анализ теоретических основ процесса окисления и физико-химических свойств битума.
• Описать принципиальную технологическую схему установки и обосновать выбор основного оборудования.
• Выполнить последовательный технологический расчет: материальный, тепловой, конструктивный и гидравлический.

Предметом исследования выступает сам процесс окисления гудрона, а объектом — окислительная колонна как центральный аппарат технологической схемы.

1.1. Физико-химические свойства и применение битума

Битум представляет собой сложную смесь высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных, являясь остаточным продуктом после вакуумной перегонки нефти (гудроном). Его эксплуатационные свойства определяются соотношением трех основных групп компонентов:

1. Асфальтены: Твердые, высокомолекулярные вещества, придающие битуму твердость, термостабильность и вязкость.
2. Смолы: Вязкие, клейкие вещества, которые действуют как пластификатор для асфальтенов, обеспечивая эластичность и цементирующие свойства.
3. Масла: Наиболее легкая фракция, представляющая собой вязкую жидкость, которая определяет текучесть битума.

Именно баланс этих компонентов (соотношения А/С и (А+С)/М) определяет конечные характеристики продукта. Для получения качественного битума, который будет медленно стареть и выдерживать нагрузки, необходимо использовать сырье с высоким содержанием асфальтенов и смол. В зависимости от свойств и назначения, битумы подразделяются на марки, например, по показателю пенетрации (глубине проникания иглы), и применяются в разных сферах: вязкие дорожные битумы для асфальтобетона, строительные — для гидроизоляции и производства кровельных материалов.

Существует три основных метода получения битумов:

• Вакуумная перегонка: Концентрирование остатков нефти для получения остаточных битумов.
• Компаундирование: Смешение различных нефтепродуктов (гудронов, экстрактов) для получения продукта с заданными свойствами.
• Окисление: Продувка гудрона или других нефтяных остатков воздухом при высокой температуре. Этот метод является наиболее гибким и широко распространенным для производства дорожных битумов с улучшенными характеристиками.

Выбор окисления в качестве основного метода обусловлен его способностью целенаправленно изменять компонентный состав сырья, превращая менее ценные масла в более ценные смолы и асфальтены.

1.2. Теория процесса окисления нефтяных остатков

Процесс окисления — это сложный физико-химический процесс, в основе которого лежит поликонденсация и уплотнение углеводородных молекул сырья под воздействием кислорода воздуха. Химизм процесса можно упрощенно описать как последовательную цепь превращений: часть масел переходит в смолы, а часть смол — в асфальтены. Это приводит к увеличению доли твердых и вязких компонентов, что и улучшает эксплуатационные свойства битума.

Ключевой особенностью этой реакции является ее ярко выраженный экзотермический характер. Выделение большого количества тепла приводит к саморазогреву реакционной массы, что требует точного контроля температуры для предотвращения нежелательных побочных реакций (крекинга) и обеспечения безопасности.

Управление процессом осуществляется через несколько ключевых технологических параметров:

• Температура: Обычно процесс ведут в диапазоне 180–300°C. В современных установках без катализатора оптимальный режим составляет 230–300°C.
• Расход воздуха: Этот параметр определяет скорость реакции. Обычно он составляет от 50 до 84 м³/ч на тонну перерабатываемого сырья.
• Давление: Процесс может осуществляться как при избыточном давлении, так и с созданием вакуума для облегчения отвода паров воды и летучих продуктов реакции.
• Время контакта: Продолжительность процесса может достигать 12 часов и зависит от качества сырья и требуемой марки битума.

В ходе окисления неизбежны потери продукта, которые составляют от 0.5 до 10% от массы сырья, в зависимости от его летучести и жесткости режима.

Современные исследования направлены на интенсификацию процесса. Один из перспективных методов — использование озона или озоновоздушной смеси. Предварительная обработка сырья озоном (при 20–60°C) позволяет значительно снизить температуру основного процесса окисления (вплоть до 150°C), сократить его время и улучшить качество продукта.

Глава 2. Описание технологической установки и выбор оборудования

2.1. Принципиальная схема установки и ее функционирование

Установка по производству окисленного битума представляет собой комплекс взаимосвязанного оборудования, обеспечивающего непрерывный технологический цикл. Сердцем установки является окислительная колонна.

Принципиальная схема функционирует следующим образом:

1. Подготовка и подача сырья: Исходное сырье, гудрон, из резервуара хранения при помощи насоса подается через систему теплообменников, где оно подогревается горячим готовым продуктом, и далее поступает в трубчатую печь для финального нагрева до температуры реакции.
2. Процесс окисления: Нагретый гудрон поступает в верхнюю часть окислительной колонны. Одновременно в нижнюю часть колонны компрессором подается сжатый воздух. Проходя через слой сырья, воздух вступает с ним в реакцию.
3. Отвод продукта и газов: Готовый окисленный битум непрерывно отводится из нижней части колонны, проходит через теплообменник (отдавая тепло сырью) и направляется в резервуары готовой продукции. Газы окисления, содержащие пары воды, летучие углеводороды и остатки азота, отводятся из верхней части колонны и направляются в сепаратор, а затем на установку очистки или дожига.

Вспомогательное оборудование играет критическую роль. Насосы обеспечивают транспортировку потоков, теплообменники — рекуперацию тепла, повышая энергоэффективность, а печь — точное достижение температуры ввода сырья. Вся система оснащена контрольно-измерительными приборами и автоматикой (КИПиА), которые отслеживают температуру, давление и уровни, обеспечивая стабильность и безопасность технологического режима.

2.2. Устройство и обоснование выбора окислительной колонны непрерывного действия

Для организации процесса окисления могут использоваться аппараты как периодического, так и непрерывного действия. Однако для крупнотоннажных производств непрерывные окислительные колонны являются более экономичным и простым в эксплуатации решением. Они обеспечивают стабильное качество продукта, лучшую управляемость процессом и более высокую производительность по сравнению с периодическими кубами.

Конструктивно окислительная колонна представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, внутри которого создаются условия для эффективного контакта между жидким сырьем и газообразным окислителем (воздухом). Основные элементы конструкции:

• Корпус: Цилиндрическая обечайка с эллиптическими или коническими днищами, рассчитанная на рабочие температуру и давление.
• Распределительные устройства: Штуцеры для ввода сырья и вывода продукта. Для подачи воздуха используется специальное устройство — барботер, который обеспечивает диспергирование воздуха на мелкие пузырьки для увеличения поверхности контакта.
• Сепарационная зона: Верхняя часть колонны, имеющая увеличенный диаметр или оснащенная специальными устройствами для отделения капель жидкости от потока отходящих газов.

Эффективность работы колонны напрямую зависит от того, насколько хорошо организован массообмен между фазами. Ключевым фактором является создание максимальной поверхности реагирующих фаз и обеспечение высокой степени ее обновления. Именно полая колонна с барботером, создающим пузырьковый режим, является простой и надежной конструкцией, отвечающей этим требованиям.

Глава 3. Технологический расчет окислительной колонны

3.1. Исходные данные для проектирования

Для выполнения технологического расчета необходимо задать исходные параметры, которые определяют масштаб производства и условия процесса. В рамках данного курсового проекта принимаются следующие данные:

• Годовая производительность установки по битуму: 100 000 т/год.
• Продолжительность работы установки: 8000 часов в год.
• Сырье: Гудрон с плотностью 982 кг/м³.
• Целевой продукт: Битум дорожный вязкий марки БНД 60/90 по ГОСТ 22245-90.
• Температура процесса в колонне: 260 °C.
• Давление в колонне: Атмосферное.
• Удельный расход воздуха: 60 м³/ч на 1 тонну сырья.
• Продолжительность пребывания сырья в зоне реакции: 4 часа.
• Потери продукта в процессе: 2% мас.

3.2. Расчет материального баланса процесса

Материальный баланс является основой для всех последующих инженерных расчетов. Его цель — количественно определить все потоки, входящие в аппарат и выходящие из него, на основе закона сохранения массы: «ПРИХОД = РАСХОД».

Расчет выполняется в следующей последовательности:

1. Определение часовой производительности. Сначала рассчитывается производительность по готовому продукту, а затем, с учетом потерь, — необходимый расход сырья.
2. Расчет расхода воздуха. На основе удельной нормы (60 м³/ч на тонну) и часового расхода сырья определяется объемный, а затем и массовый расход воздуха, подаваемого на окисление.
3. Определение количества отходящих газов. Суммируются массы азота (не вступающего в реакцию), паров воды и летучих продуктов, образовавшихся в результате реакции и потерь.
4. Сведение баланса. Все рассчитанные потоки (в кг/ч) сводятся в итоговую таблицу, где проверяется равенство приходных и расходных статей. Это позволяет наглядно представить все материальные потоки процесса.

Например, зная годовую производительность и потери, можно рассчитать, сколько гудрона и воздуха должно ежечасно поступать в колонну, и сколько битума и отходящих газов будет из нее выходить. Эти данные станут основой для теплового и конструктивного расчетов.

3.3. Тепловой баланс колонного аппарата

Цель теплового баланса — определить, требуется ли подвод или отвод тепла для поддержания стационарной температуры процесса (260 °C). Баланс составляется на основе первого закона термодинамики: «ПРИХОД ТЕПЛА = РАСХОД ТЕПЛА».

Статьи прихода тепла:

• Тепло, вносимое с нагретым сырьем (гудроном).
• Тепло, вносимое с подаваемым воздухом.
• Тепловой эффект экзотермической реакции окисления. Это, как правило, основная и самая значительная статья прихода тепла в рабочем режиме.

Статьи расхода тепла:

• Тепло, уносимое с потоком готового продукта (битума).
• Тепло, уносимое с отходящими газами окисления.
• Теплопотери в окружающую среду через стенки и изоляцию аппарата.

После расчета всех статей баланса их сравнивают. Если приход тепла значительно превышает расход, это означает, что в процессе выделяется избыточное тепло, которое необходимо отводить (например, с помощью внутренних или внешних охлаждающих устройств) для поддержания стабильной температуры. Если расход больше прихода, потребуется дополнительный подогрев. Для процесса окисления практически всегда характерен избыток тепла.

3.4. Определение основных конструктивных размеров колонны

Расчет главных габаритных размеров — диаметра и высоты колонны — является ключевым этапом проектирования, так как от них зависит производительность и капитальные затраты.

Методика расчета следующая:

1. Определение реакционного объема (Vр). Требуемый объем зоны, где происходит реакция, рассчитывается исходя из часовой производительности по сырью и необходимого времени пребывания. Например, для производительности G и времени τ объем Vр = G / ρ * τ, где ρ — плотность сырья.
2. Выбор соотношения высоты к диаметру (H/D). Для колонных аппаратов это соотношение обычно принимают в диапазоне 2–5 для обеспечения оптимальных гидродинамических условий.
3. Расчет диаметра и высоты. Зная объем (Vр = πD²H/4) и соотношение H/D, решается система уравнений для нахождения расчетных значений диаметра (D) и высоты (H).
   

   Пример: для расчетного объема Vр = 53 м³ и заданного соотношения H/D, можно определить, что требуемый диаметр колонны составляет D = 3.4 м.

4. Выбор стандартного диаметра. Рассчитанное значение диаметра округляется до ближайшего стандартного значения по ГОСТ.
5. Корректировка высоты. Высота рабочей части пересчитывается с учетом принятого стандартного диаметра.
6. Расчет полной высоты. К рабочей высоте добавляется высота нижнего и верхнего днищ, а также высота сепарационной зоны над уровнем жидкости.

В результате этого этапа мы получаем основные конструктивные размеры аппарата, необходимые для его дальнейшего конструирования и проверки.

3.5. Гидравлический расчет аппарата

Гидравлический расчет выполняется для проверки корректности принятых конструктивных размеров с точки зрения гидродинамики процесса. Его главная цель — убедиться, что скорости потоков внутри аппарата находятся в допустимых пределах.

Основные этапы расчета:

1. Расчет скорости газового потока. Определяется скорость движения пузырьков воздуха в свободном сечении колонны.
2. Сравнение скорости с допустимой. Полученное значение сравнивается с предельно допустимой скоростью. Если фактическая скорость будет слишком высокой, это может привести к интенсивному уносу капель жидкости с отходящими газами, нарушению режима работы и снижению качества продукта. Если скорость слишком низкая — контакт фаз будет неэффективным.
3. Расчет гидравлического сопротивления. Определяется общее сопротивление, которое колонна оказывает потоку воздуха. Это значение необходимо для правильного подбора компрессора, который должен обеспечить подачу воздуха с нужным давлением.

Положительные результаты гидравлического расчета подтверждают, что геометрия колонны выбрана верно и аппарат будет работать в стабильном и эффективном гидродинамическом режиме.

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы была достигнута поставленная цель — разработана и апробирована комплексная методика технологического расчета окислительной колонны для производства битума.

Были последовательно решены все поставленные задачи. Проведен анализ теоретических основ процесса окисления, рассмотрены физико-химические свойства битума и его компонентный состав. Описана принципиальная технологическая схема установки и на основе сравнения преимуществ обоснован выбор основного аппарата — колонны непрерывного действия.

Центральной частью работы стало выполнение инженерных расчетов, в рамках которых были определены ключевые технологические и конструктивные параметры:

• Рассчитаны потоки материального баланса для заданной производительности.
• Составлен тепловой баланс, подтвердивший экзотермический характер процесса.
• Определены главные конструктивные размеры колонны: диаметр D = 3400 мм и соответствующая ему высота.
• Проведен проверочный гидравлический расчет для подтверждения корректности выбранных размеров.

Таким образом, представленная работа демонстрирует полный цикл проектирования технологического оборудования от постановки задачи до получения конкретных конструктивных параметров и может служить методическим пособием для выполнения аналогичных инженерных расчетов.

Список использованной литературы

1. Абрамович Д. И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебное пособие. — М.: Химия, 2010. — 456 с.
2. ГОСТ 22245-90. Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия. — М.: Стандартинформ, 2006.
3. Дытнерский Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. — М.: Альянс, 2011. — 496 с.
4. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. — Л.: Химия, 1987. — 576 с.
5. Справочник инженера-химика / под ред. П. Г. Романкова. — Т. 1-2. — М.: Химия, 1982.
6. Тимофеев В. С., Серафимов Л. А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. — М.: Высшая школа, 2003. — 536 с.

Список литературы

1. Гуреев А.А., Чернышева Е.А., Коновалов А.А., Кожевникова Ю.В. Производство нефтяных битумов. – М.: Изд. Нефть и газ, 2007. — 102 с.
2. Гун Р.Б. Нефтяные битумы. — М.: Химия, 1973. — 432 с.
3. Технологические расчеты установок переработки нефти: Учеб. пособие для вузов/танатаров М.А., Ахметшина М.Н., Фасхутдинов Р.А. и др. – М.: Химия, 1987. – 352 с.
4. Способы промышленного производства нефтяных битумов [Электронный ресурс]. Режим доступа — http://www.ssa.ru/articles/entry/7143C6872. Проверено 03.09.2015 г.
5. Обзор технологий получения битума [Электронный ресурс]. Режим доступа — http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=7505 . Проверено 03.09.2015 г.