Производство битумов окислением гудрона в колонне

1 – кипятильники; 2 – уравнительная емкость; 3 – окислительная колонна; 4 – парогенератор; 5 – сепаратор с циклоном; 6 – огнепреградитель;
7 – печь; 8 – компрессор; 9 – насосы

Готовый битум откачивается из колонны через уравнительную ёмкость 2, наличие которой облегчает поддержание постоянства откачиваемого потока, что важно для обеспечения работы системы утилизации тепла битума. Во избежание перегрева колонны в результате выделения тепла реакции окисления до безопасной в газовое пространство подают воду, которая, испаряясь, понижает температуру в колонне и разбавляет газы окисления. Если такого разбавления недостаточно для снижения концентрации кислорода до безопасной, в колонну вводят также водяной пар, вырабатываемый в парогенераторе 4 за счет избыточного тепла сырья и продукта. Для поддержания теплового равновесия процесса применяют также циркуляцию части битума через выносные холодильники. Газы окисления с верха колонны поступают в сепаратор 5. Несконденсированные газы из сепаратора через огнепреградитель 6 направляются в печь 7 для сжигания. «Чёрный соляр» с низа сепаратора 5 после отделения воды используется как топливо.
Режим работы колонн зависит от их размеров, используемого сырья и получаемого продукта. Время пребывания гудрона в зоне реакции при получении марок дорожных битумов составляет 3–5 ч, расход воздуха – от 1200 до 1500 м3/ч, температура окисления – от 210 до 280 °С, содержание кислорода в газах окисления – 3–4%. Производительность колонн обычных размеров (диаметр 3,4 м, высота 15 м) составляет 10–40 т/ч.

Последовательно установленные окислительные колонны

Расчёт материального баланса окислительной колонны
Исходными данными являются:
производительность колонны по сырью GF, т/год;
марка получаемого битума, его температура размягчения tразм, °С;
качество сырья: температура размягчения tразм, °С; плотность ρ420, кг/м3;
условия процесса: удельный расход воздуха gвозд на сырьё, м3/кг; температура t, °С; давление Р, МПа; объёмная скорость подачи сырья w.
Производительность колонны в час, кг/ч,
Gf= GF ⋅103 /(n⋅24), (1.1)
где n − число рабочих дней установки в году.
Выход готового продукта
Gб= γ⋅GF/100, (1.2)
где γ − выход битума, % масс.
Значение γ берется в зависимости от температуры размягчения го­тового продукта .

Цель материального расчета – определение расхода сырья и вспомогательных материалов для обеспечения заданной производительности по целевому продукту (иногда определение выхода целевого и побочных продуктов исходя из расхода сырья).
Общий расход воздуха, кг/ч,
Gвозд=gвозд ⋅Gf⋅ ρвозд ⁄ 1000, (1.3)
где gвозд − удельный расход воздуха, м3/т сырья; ρвозд − плотность воздуха, кг/м3.
Азот и инертные газы не участвуют в процессе окисле­ния, поэтому количество азота равно суммарному количеству азота и инертных газов, по­ступающих в колонну с возду­хом, то есть 0,77% масс., кг/ч.
GN2 = 0,77⋅ Gвозд . (1.4)
Количество подаваемого на окисление кислорода, кг/ч,
GО2 = 0,23⋅ Gвозд. (1.5)
Материальный баланс установки,
производящей дорожные
битумы окислением (пример)

Содержание свободного кислорода в газах окисления зависит от высоты слоя гудрона в колонне, расхода воздуха и температуры.
Количество остаточного кислорода в газах окисления, кг/час
(1.6)
где α − содержание свободного кислорода в газах окисления
Рассчитываются коли­чест­во и состав побочных продуктов окисления, выходя­щих из колонны. Принимают, что на образование СО2 расходуется 30 % масс. кислорода, а на образование Н2О – 65 % масс. Образование других окислов несущес­т­венно.
Количество израсходо­ван­ного кислорода, кг/ч,
(1.7)
Количество образующегося СО2
(1.8)
где − количество образующегося СО2, кг/ч; − молекуляр­ная масса СО2;
− молекулярная масса О2.

Принципиальная схема установки 1- поршневой насос; 2- окислительная колонна; 3-компрессор;
4-погружные холодильники; 5- емкость хранения; 6-выносная емкость сепарации; 7-сепаратор;
8-котел-утилизатор.
Компоновка битумного производства

Рассмотрим технологическую схему производства битума нефтяного кровельного (БНК-40/180), битума нефтяного дорожного (БНД-60/90 и БНД-90/130).
Марка выходного продукта зависит от температуры в зоне реакции, которая может составлять от 150-280°С и времени протекания реакции от 3-7 часов.
Гудрон подается специализированным поршневым насосом в среднюю часть окислительной колонны. Уровень заполнения колонны поддерживается в районе 70% от объема аппарата.
Подача гудрона в окислительную колонну
Подача сырья

Воздух прокачивается компрессором через опускную трубу, которая проходит по всей длине аппарата, где нагревается отходящим продуктом.
Воздух поступает в маточник, который равномерно распределяет воздух по сечению колонны. При контакте сырья с техническим воздухом происходит реакция окисления.
Закачка воздуха в колонну компрессором
Подача в маточник
Подача воздуха

Битум, по окончанию реакции, выводится с низа колонны, поршневым насосом прокачивается через погружные холодильники. Часть охлажденного битума возвращается обратно в колонну в качестве рецеркулята. Балансовое количество продукта поступает в емкости хранения, с последующей отгрузкой на авто- и железнодорожный транспорт.
Прокачка битума через погружные холодильники
Охлаждение битума