Способ глубокой очистки жидкого углеводорода и устройство для его осуществления

Способ глубокой очистки жидкого углеводорода и устройство для его осуществления

Реферат

 

Изобретение относится к очистке углеводородов от микропримесей воды и кислорода. Способ включает распыление продукта в среде инертного газа, сбор продукта и подачу его в слой нейтральной криогенной жидкости. Перед распылением продукт электрически заряжают. Аппарат содержит массообменную камеру, в которой расположен изолированный распылитель продукта. На сливном патрубке установлен завихритель, соединенный с газовым эжектором. В патрубке ввода продукта установлен ультразвуковой газоструйный излучатель. Технический результат состоит в повышении производительности и глубины очистки жидких углеводородов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области очистки жидкостей, преимущественно углеводородов и может быть использовано, например, для глубокой очистки авиационных и ракетных горючих от микропримесей воды и кислорода, а так же при подготовке жидких углеводородов к процессам синтеза.

В настоящее время для многих отраслей народного хозяйства используют жидкие углеводороды. При использовании углеводородов в процессах синтеза и в качестве топлив авиационных и ракетных двигателей большое значение имеет содержание в углеводородах примесей, в частности растворенных кислорода и воды. Наличие в жидком углеводороде примесей воды и кислорода 0,001% масс ведет к выделению в среде жидкости продуктов окисления, осмолению охлаждаемых поверхностей (например, трактов охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя).

Снижение температуры топлива, содержащего растворенную воду, перед заправкой (для обеспечения максимальной заправки баков ракеты или самолета) приводит к выпадению кристаллов воды и последующей забивке фильтров и жиклеров двигателя в полете.

Таким образом, к средствам очистки жидких углеводородов, например, ракетных горючих от микропримесей воды и кислорода, предъявляются требования оперативности, высокой производительности, обеспечивающей промышленные нужды химических предприятий, аэродромов и стартовых комплексов, а также глубокой очистки (концентрация примесей не должна превышать 0,0005...0,0002% масс). При использовании на аэродромах и стартовых площадках ракет средства очистки должны обеспечивать минимальное время подготовки топлив к заправке (очистка плюс охлаждение до заданной температуры).

Известен способ десорбции примесей из жидкости барботированием через ее слой очищенного инертного газа (см. В.М.Рамм. Абсорбция газов, М.: Химия, 1976, с.262, 266-269) или распыления в газе жидкости.

Устройства для осуществления этого способа содержат массообменную камеру с трубопроводами заправки и слива жидкости, коллектор подачи инертного газа под слой жидкости и трубопровод дренажа инертного газа с десорбированной примесью из объема массообменной камеры (см. авт. св. СССР №194773, 1964, №549164, 1974, №161039, 1965, №556648, 1976, №735284, 1977, №797474, 1977; заявка Японии №51-5830 кл 13 (7) 1326, 1971 г, пат. Великобритании 1717832 кл B1 F 1971; пат. США 3775307 кл. 21=-14 и др.).

Описанный способ обладает следующими недостатками.

Барботирование через слой очищаемого продукта газа-носителя не позволяет обеспечить высокую производительность процесса, так как скорость массообмена зависит от скорости обновления фаз и в данном случае ограничена скоростью всплытия пузырько⠘30 см/с (см. В.М.Рамм. Абсорбция газов, с.82-84, 442). Так как массопередача между пузырьком и жидкостью ограничена концентрационным пределом очистки газа - носителя, а поверхность пузырьков газа быстро приходит в тепловое и диффузионное равновесие с окружающей жидкостью, способ не позволяет получить достаточно глубокую очистку жидких углеводородов. Так, например, по данным статьи А.С.Разборщука и др. Обезвоживание реактивных топлив в топливозаправщике, опубликованной в Межвузовском сборнике "Эксплуатационные свойства топлив, смазочных материалов и технических жидкостей, применяемых в гражданской авиации" №1, 1975, способ обеспечивает очистку топлива до 0,002% вместо требуемых 0,0002%.

Недостатки устройств, для осуществления способа определяемые их конструкцией, приводят к значительным затратам труда и энергии на очистку жидких углеводородов (барботажный способ для получения концентрации 0,002% требует барботирования в течение 170-190 часов), требуют применения ингибиторов, предотвращающих выпадение кристаллов и уменьшающих осмоление, что неприемлемо при получении особо чистого продукта с качествами, необходимыми для проведения процессов синтеза и питания современных теплонапряженных ЖРД с высокими удельными характеристиками.

Известна технология газлифтной подготовки (в том числе очистки), включающая дегазирование и обезвоживание углеводородной жидкости путем барботирования всей массы жидкости инертным газом под вакуумом (см. авт. св. СССР №710577, 793600 и проспект к экспонату 05.01.106 представленному ГИПХом на ВДНХ на выставке "Изобретательство и рационализация 83").

Установка для реализации технологии содержит массообменную камеру (трубу), корпус, коллектор подачи инертного газа-носителя, установленный в нижней части массообменной трубы, магистраль подачи загрязненной жидкости, магистраль отвода очищенной жидкости с центробежным насосом, каплеуловитель и вакуумнасос (эжектор), соединенный всасывающей полостью с трубопроводом дренажа из массообменной трубы и полости корпуса.

Указанная технология (способ) имеет следующие недостатки.

Вакуумирование газового пространства всего аппарата приводит к увеличению дополнительных затрат на проведение процесса. Барботаж всей массы очищаемой жидкости инертным газом, одновременно с вакуумированием газового пространства над ней, увеличивает количество газовых пузырьков малого диаметра, образующихся в слое жидкости, что увеличивает суммарную поверхность массообмена и, соответственно, его скорость. Однако поскольку скорость обновления поверхности массообмена на границе пузырька при этом не возрастает (пузырьки всплывают со скоростью 30 см/с) производительность очистки увеличивается незначительно (в 5 раз по сравнению с барботажными способами). Глубина очистки в указанной технологии определяется прежде всего степенью очистки инертного газа-носителя и ограничена равновесным состоянием пузырька с жидкостью, что не позволяет получить без значительных затрат требуемой глубины очистки. Увеличение степени вакуумирования до давления равновесного требуемой остаточной концентрации примесей неприемлемо, так как вызывает испарение летучих компонентов углеводорода (равновесное содержанию воды 0,0002% давление составляет 0,00005 кгс/см², в то время как давление насыщенных паров керосина РГ-1 при той же температуре 0,0001 кгс/см²).

Технология в целом обладает сложностью, невысокой производительностью, требует значительных затрат на реализацию, не позволяет получить продукт требуемого качества и с заданной температурой (охлажденный).

Установка для реализации технологии вследствие использования в ней вакуумнасоса (эжектора), соединенного всасывающей полостью с газовым пространством массообменной трубы требует значительных затрат (например эжектирующего газа) на отсасывание дренажных газов и вакуумирование всего пространства аппарата. Другие недостатки установки, определяемые ее конструкцией (схемой), не позволяют достигнуть глубокой очистки жидкого углеводорода и высокой производительности процесса, а так же приводят к необходимости использования дополнительного теплообменного оборудования для охлаждения продукта до требуемой температуры.

Известен способ осушки углеводородного ракетного горючего, основанный на барботировании через него инертного газа, характеризующийся тем, что, с целью сокращения времени сушки, барботирование проводят до удаления из горючего капель свободной воды, а окончательную сушку ведут подачей химически нейтральной криогенной жидкости под слой горючего при барботировании.

Описанное в материалах заявки устройство для осуществления способа содержит бак с компонентом ракетного топлива, снабженный коллекторами наддува-дренажа и заправки - слива, а также размещенными в нижней части бака коллектором ввода газообразного носителя на барботаж и коллектором подачи криогенной нейтральной жидкости под слой компонента.

Указанный способ обладает следующими недостатками.

Несмотря на увеличение в способе скорости обновления фаз и температурного градиента на границе между кипящими каплями криогенной жидкости и осушаемым продуктом (что, соответственно, приводит к увеличению производительности и глубины очистки по сравнению с другими известными техническими решениями), величина суммарной поверхности массообмена в способе ограничена, что, соответственно, ограничивает его производительность.

Необходимость перед подачей криогенной жидкости под слой углеводорода вести предварительную осушку барботированием газа увеличивает время подготовки, не позволяет вести процесс в непрерывном варианте, например, в процессе заправки.

Очистка углеводорода барботированием газа и последующей обработкой каплями криогенной жидкости ограничивает глубину очистки концентрацией растворенного газа, равновесной давлению в массообменной камере (т.е. ограничивает качество выдаваемого продукта).

Целью настоящего изобретения является дальнейшее повышение производительности и улучшение качества очищаемого продукта (увеличение глубины очистки).

Указанная цель достигается тем, что в известном способе очистки жидкого углеводорода, включающем распыление очищаемого продукта в среде инертного газа, сбор распыленного продукта, подачу под его слой нейтральной криогенной жидкости, снижение давления в слое продукта, отвод дренажного газа и слив очищенного продукта, согласно изобретению перед распылением продукт электрически заряжают, например, статической электризацией в процессе транспортировки, а давление снижают в процессе слива закруткой сливаемого продукта с одновременным эжектированием вихря отводимым дренажным газом.

В известном устройстве (схеме) для очистки жидкого углеводорода, содержащем массообменную камеру, патрубок ввода загрязненного продукта с распылителем, патрубок слива очищенного продукта с центробежным насосом, эжектор, дренажный трубопровод с каплеуловителем, соединенный с газовой турбиной, установленной на одном валу с центробежным насосом, и коллектор подачи криогенной жидкости в массообменную камеру, согласно изобретению распылитель электрически изолирован от массообменной камеры, сливной патрубок снабжен завихрителем с тангенциальным вводом продукта, осевая часть завихрителя соединена с всасывающей полостью газового эжектора, установленного в дренажном трубопроводе за турбиной, при этом в патрубке ввода загрязненного продукта установлен ультразвуковой газоструйный излучатель, соединенный с источником сжатого газа.

В предлагаемом способе электрическое заряжение очищаемого жидкого углеводорода перед распылением позволяет сформировать в газовом пространстве аппарата (в потоке инертного газа) распределение мелкодисперсных поверхностно заряженных частиц. В связи с тем, что молекулы воды полярны, наличие поверхностного заряда увеличивает их поверхностную концентрацию, что способствует ускорению диффузии примесей из ядра капли к периферии. Увеличение поверхностной концентрации воды на каплях под действием электродиффузии, в свою очередь, увеличивает концентрационную диффузию воды с поверхности капель в поток отходящего газа, что увеличивает скорость и глубину удаления примесей воды.

Заряжение жидкого углеводорода путем статической электризации в процессе транспортировки по трубопроводам к распылителю позволяет наиболее простыми средствами без дополнительных затрат (например, на монтаж электродов) получить требуемый электрический заряд капель.

Снижение давления в слое продукта в процессе слива путем закрутки с одновременным эжектированием вихря позволяет обеспечить выделение растворенного газа в объеме вращающейся жидкости, начиная с радиуса, на котором в статическое давление становится меньше равновесного давления растворенного газа. Поскольку газовыделение происходит в поле центробежных сил, превышающих гравитационные, отслаивание пузырьков газа с остатками примесей происходит интенсивно за время пребывания в завихрителе порции жидкости. При этом величина снижения давления зависит только от геометрической характеристики центробежного устройства, а эжекция производится только для отсоса выделившегося газа и не требует применения высокопроизводительных эжекторов (вакуум-насосов).

Использование для эжектирования и привода насоса паров криогенной жидкости, испарившейся в слое углеводорода в процессе очистки, позволяет энергию, отобранную от внешней среды и очищаемого продукта, использовать для привода перекачивающего насоса и вакуумнасоса (эжектора), полностью исключает соответствующие дополнительные затраты в известной технологии.

В целом новая совокупность признаков предлагаемого способа позволяет реализовать новые ранее не использовавшиеся свойства (в том числе электродиффузию в процессах массопереноса и отбор тепловой энергии от очищаемой жидкости и внешней среды для энергообеспечения повышения качества технологии), а так же обеспечить непрерывное одновременное протекание массопереноса в различных точках пространства с большой суммарной поверхности массообмена (этап 1 - массообмен с заряженных капель; этап 2 - массообмен с каплями криогенной жидкости; этап 3 - массообмен с зародышами пузырьков в поле центробежных сил при эжектировании).

В устройстве для осуществления способа электрическое изолирование распылителя от массообменной камеры позволяет наиболее просто и эффективно получить (за счет статической электризации продукта при его протекании через изолированные участки тракта распылителя) распределение поверхностно заряженных капель очищаемой жидкости в потоке дренажного газа, что увеличивает производительность и глубину очистки на предварительном (первом) этапе.

Установка в сливном патрубке завихрителя с тангенциальными входными отверстиями, осевая часть которого соединена с эжектором, позволяет, в соответствии с законом сохранения импульса, снизить давление в слое жидкости пропорционально радиусу вращения, обеспечить газовыделение в объеме вращающейся жидкости в поле интенсивных центробежных сил, что способствует быстрому удалению примесей из сливаемой жидкости в газовую часть вихря и их эжектирование.

Соединение осевой части завихрителя с всасывающей полостью газового эжектора, установленного в дренажном трубопроводе после турбины, соединенной валом с перекачивающим насосом, позволяет максимально использовать энергию, полученную криогенной жидкостью в массообменной камере, исключить дополнительные затраты на энергообеспечение аппарата в процессе подготовки (очистка и охлаждение) топлива.

Установка в патрубке ввода ультразвукового газоструйного излучателя, соединенного с источником сжатого газа, позволяет перед распылением пересытить жидкость газом относительно давления в массообменной камере и обеспечить в процессе распыления газовыделение избыточного газа внутри капель, что увеличивает поверхность массообмена и производительность аппарата.

Примером конкретного исполнения предлагаемого изобретения может служить устройство, представленное на чертеже.

Устройство содержит массообменную камеру (расходный бак горючего объемом 15,3 м³) 1, патрубок Ду 50 ввода загрязненного продукта 2, с распылителем 3, электрически изолированным от остальных металлоконструкций втулкой 4 из фторопласта. Длина трактов распылителя 3 от втулки 4 до отверстий выбрана из условия обеспечения достаточного для интенсификации массообмена уровня электризации и для расхода очищаемого керосина РГ-1 ˜10 кг/с составляет 2 м. Определение оптимальной длины, диаметра скорости потока и величины электростатического заряда на каплях производят путем экспериментального подбора или по известным зависимостям, например, I=DI₃l.

где: I - ток потока,

I ₃ - ток заряда,

=3,14 коэффициент,

D - диаметр трубопровода,

l - длина трубопровода.

(см. "Статическое электричество в химической промышленности" под ред. Н.Г.Дроздова, Л.: Химия, 1971 )

Устройство так же содержит патрубок слива 5 с центробежным насосом 6, соединенным трубопроводом Ду 50 через запорный орган 7 с патрубком 2, дренажный трубопровод 8 с каплеуловителем 9, соединенный с газовой турбиной 10, установленной на одном валу с подкачивающим насосом 6, коллектор 11 подачи жидкого азота в массообменную камеру (бак) 1 от резервуара жидкого азота 12. В патрубок 2 перед втулкой 4 установлен газоструйный ультразвуковой излучатель 13. Проходное сечение излучателя составляет 15 мм ², расчетное давление азота на входе в излучатель 6...8 ати, расстояние между кромками сопла и резонатора в излучателе - 8 мм, что позволяет осуществлять пересыщение 10 кг в секунду керосина в поле ультразвука с частотой 10 кГц.

В патрубок слива 5 перед насосом 6 установлен цилиндрический вертикальный завихритель 14 диаметром 200 мм с тангенциальными входными отверстиями 20 мм в нижней части, и радиальным отводным кольцевым каналом в верхней части.

В средней по высоте части завихрителя 14 над входными тангенциальными отверстиями установлена кольцевая перегородка 15 с осевым отверстием 80 мм. Осевая (разовая) часть завихрителя 14 верхней точкой соединена трубопроводом 16 с всасывающей полостью газового эжектора 17, установленного в дренажном трубопроводе 8 за турбиной 10.

Размеры эжектора 17 выбраны из условия обеспечения давления во всасывающей полости 0,5 кгс/см² при расходе дренажного газа 0,3 кг/с. К насосу 6 через муфту 18 подключен дополнительный электрипривод 19.

В тракт устройства установлены датчики уровня заправки 20 (УЗК-43), концентрации примесей блок 22 с командным блоком 23 и устройством отображения информации 24.

Устройство работает следующим образом.

Через трубопровод 2 в массообменную камеру 1 подают керосин с расходом 20 кг/с (от хранилища при работе на "проток" и от насоса 6 при работе на "закольцовку"). В процессе движения по трубопроводу 2 в керосин через ультразвуковой излучатель 13 вводят газообразный азот, который интенсивно растворяется в жидкости под действием ультразвуковых колебаний (частота 10...20 кГц). Давление в трубопроводе 2 при этом составляет на 2...4 ати больше, чем давление в баке 1, что в совокупности с действием ультразвука приводит к перенасыщению керосина газом в 2...3 раза относительно концентрации равновесной баковому давлению (давление в баке 1˜3...4 кгс/см², а давление в трубопроводе 2˜6...8 кгс/см²).

В результате движения потока керосина, содержащего гетерогенные включения микропузырьков газа, по изолированному участку тракта распылителя 3 и в процессе последующего распыления происходит статическая электризация жидкости и образование в объеме бака 1 в потоке отходящего дренажного газа распределения поверхностно заряженных капель. После выхода капель из отверстия ( 2 мм) распылителя 3 давление в них резко снижается, что приводит к объемному газовыделению насыщающего газа внутри капель, их раздроблению и уносу с выделившимся газом части примесей.

Вследствие дополнительного дробления газовыделением и предварительного электрозаряжения в пространстве бака 1 образуется мелкодисперсное облако электрически заряженных капель, в котором на большой по величине поверхности массообмена происходит очистка жидкости электродиффузией. Электрический поверхностный заряд капель приводит, вследствие полярности молекул воды, к увеличению их диффузионного потока из ядра капель на поверхность, что в свою очередь увеличивает поверхностную концентрацию воды, концентрационный массоперенос и как следствие глубину и скорость очистки жидкости в каплях.

Предварительно очищенные таким образом капли керосина РГ-1 собираются в баке 1.

Уровень заполнения камеры (бака) 1 керосином поддерживается открытием - перекрытием запорных органов по команде от датчиков 20 оптимальным с точки зрения массообмена с каплями жидкого азота (в данном случае диаметр капель 3...4 мм, а высота заправки составляет 4...5 м) и определяется длиной пути полного испарения вводимых капель.

Под слой жидкого углеводорода, частично очищенного на первом этапе, вводят капли жидкого азота, при этом на бак 15,3 м³ требуется расход жидкого азота ˜0,35 кг/с, а в баке за счет испарения и подогрева азота устанавливается при полностью открытом дренаже давление 4 кгс/см². Капли жидкого азота, испаряясь в среде керосина в режиме пленочного кипения, обеспечивают скоростное турбулентное обновление межфазной поверхности и высокое значение температурного градиента (190°С на 0,5 мм), что ведет к быстрой глубокой очистке углеводорода от примесей и одновременному охлаждению до заданной температуры (˜-20°С).

Очищенный на втором этапе (жидким азотом) углеводород по сливному патрубку 5 поступает в тангенциальные отверстия завихрителя 14 и образует в его полости цилиндрическую вращающуюся пелену. В средней части завихрителя углеводород (каждая его порция) переходит через отверстие перегородки 15, на указанном радиусе (в данном случае ˜40 мм) обеспечивается полная дегазация продукта и унос вместе с сепарирующимися в поле центробежных сил пузырьками остаточных примесей. За перегородкой 15 продукт через радиальный канал попадает в насос 6, а выделившийся газ с остатками примесей отсасывается эжектором 17. Датчик 21 анализирует жидкость за насосом 6 и выдает команду на перекачку продукта по кольцу или на выдачу потребителю (открытие-закрытие соответствующих запорных органов).

Привод турбины 5 насоса 6 и эжектора 17 обеспечивается потоком дренажного газа, получившим энергию из окружающей среды и углеводорода в процессе очистки (при испарении и нагревании до -20°С азота). В случае необходимости (удаление остатков продукта, выведение устройства на режим и т.д.) предусматривается приведение насоса 6 дополнительным электроприводом 19.

Как показали предварительные эксперименты, описанное устройство обеспечивает очистку 14 м³ керосина до концентрации 0,0001% (температура помутнения ˜-60°С вместо получаемой известными способами ˜-40°С) за время охлаждения (2 часа) до температуры -25°С от температуры +15°С, т.е. в 50 раз быстрее известных способов. Увеличение масштабов установки соответственно повысит количество продукта обрабатываемого в единицу времени.

Использование предлагаемого способа и устройства для его осуществления позволит повысить производительность и глубину очистки жидких углеводородов на аэродромах и в процессах синтеза.

Формула изобретения

1. Способ глубокой очистки жидкого углеводорода, включающий распыление очищаемого продукта в среде инертного газа, сбор распыленного продукта и подачу под его слой нейтральной криогенной жидкости, снижение давления продукта, отвод дренажного газа и слив очищаемого продукта, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и качества очистки, перед распылением продукт электрически заряжают, снижение давления продукта осуществляют при его сливе путем закрутки с сепарацией на газовую и жидкую фазу, и с одновременным эжектированием газовой фазы отводимым дренажным газом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что продукт заряжают статической электризацией.

3. Устройство глубокой очистки жидкого углеводорода, содержащее массообменную камеру, патрубок ввода очищаемого продукта с распылителем, патрубок слива продукта с насосом, дренажный трубопривод с каплеуловителем, подсоединенный к газовой турбине, установленной на одном валу с насосом, эжектор и коллектор подачи нейтральной криогенной жидкости, размещенной в камере, отличающееся тем, что, с целью повышения экономичности, производительности и качества очистки, распылитель снабжен электроизоляцией, сливной патрубок снабжен завихрителем с тангенциальным вводом, осевая часть которого соединена со всасывающей полостью эжектора, подключенного к дренажному трубопроводу и установленного за турбиной, и патрубок ввода очищаемого продукта снабжен газоструйным излучателем с источником сжатого газа.

РИСУНКИ