ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 3, с. 247-252
УДК 66.015.23
МОДЕРНИЗАЦИЯ МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ НОВЫМИ НАСАДКАМИ В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ © 2015 г. М. И. Фарахов, А. Г. Лаптев*, М. М. Башаров**
ООО Инженерно-внедренческий центр "Инжехим", г. Казань *Казанский государственный энергетический университет **ОАО Нефтеперерабатывающий комплекс "ТАНЕКО", г. Казань tvt_kgeu@mail.ru Поступила в редакцию 19.07.2014 г.
Рассмотрены примеры решения актуальной проблемы по модернизации промышленных массооб-менных аппаратов на предприятиях нефтехимического комплекса с использованием контактных насадок "Инжехим". Представлены гидравлические и массообменные характеристики насадок и проведено сравнение с аналогами. Показаны научно-технические разработки по контактным устройствам ректификационных и абсорбционных аппаратов и их внедрение на ряде промышленных предприятий РФ. Результатами внедрений являются повышение качества выпускаемой продукции, производительности и снижение энергозатрат.
Ключевые слова: массообменные насадки, колонные аппараты, модернизация, энергосбережение. БО1: 10.7868/80040357115030033
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что для создания современных технологий и аппаратурного оформления, конкурентоспособных по сравнению с лучшими мировыми аналогами, необходима сильная фундаментальная и прикладная наука с широким использованием методов физического и математического моделирования и конструирования высокоэффективных аппаратов [1—3].
В настоящее время в нефтехимическом комплексе активно работают отечественные фирмы: НПП "Машины и аппараты химических технологий" (Екатеринбург); группа компаний "Мирри-ко" (Казань); НПФ "Миксинг" (Санкт-Петербург); группа компаний "Катализ" (Москва); компания "ПЕТОН" (Уфа); инженерно-внедренческий центр "Инжехим" (Казань); ЗАО "ПИРО" (Москва); НПО "Химмаш" (Ново-черкаск); "Техномаш" (Дзержинск) и ряд других. В разработке новых проектов, а также модернизации оборудования принимают участие и зарубежные фирмы: "SULZER", "Кох-Глитч" и др. [4, 5].
Инженерно-внедренческий центр "Инжехим" (ИВЦ "Инжехим") создан в 1991 г. преподавателями и научными сотрудниками Казанского химико-технологического института (КХТИ, в настоящее время КНИТУ) с целью скорейшего внедрения в промышленность оригинальных научных разработок и новых инженерных решений.
Приоритетным направлением деятельности ИВЦ "Инжехим" является разработка, изготовление и внедрение в промышленность контактных массообменных насадок, барботажных тарелок, газосепараторов, статических смесителей, фильтров и тонкослойных отстойников.
Целью данной статьи является попытка сформулировать основные тенденции по конструированию контактных насадок, сопоставить гидравлические и массообменные характеристики новых насадок и оценить возможные области их использования в промышленных аппаратах.
МАССООБМЕННЫЕ НАСАДКИ
С начала 2000-х годов в практике отечественных и зарубежных предприятий сложилась тенденция к замене устаревших контактных элементов (барботажных тарелок, насадок и т.п.) модернизированными или вновь разработанными видами насадок и тарелок, обладающими более широким интервалом устойчивой работы, большей эффективностью и позволяющими проводить процесс разделения с меньшими энергозатратами.
Новые виды насадок и тарелок должны удовлетворять определенным технологическим требованиям: высокой эффективностью (для насадок по возможности более низким значением ВЭТТ, а тарелок — высокой эффективностью по Мерфри, более высокими значениями коэффициентов массопередачи и степени извлечения);
Рис. 1. Блочная регулярная насадка.
Рис. 2. Рулонная регулярная насадка ШМ.
Рис. 3. Нерегулярные насадки: (а) — "Инжехим-02"; (б) — "Инжехим-04".
небольшим обратным перемешиванием; низким гидравлическим сопротивлением; высокой пропускной способностью; малой удерживающей способностью; простотой монтажа в колонну.
Кроме того, одними из важнейших требований являются простота технологии и доступность изготовления насадок и тарелок, коррозионная стойкость, низкая материалоемкость и стоимость. В настоящее время в связи с ростом курса евро и доллара отечественные разработки становятся дешевле и доступнее зарубежных. Известны российские насадки "ГИАП", "ГИПХ", "ПЕ-ТОН", "Кедр", "Инжехим" и др. Обзор конструкций насадок приведен в монографиях [6, 7].
Так, например, ИВЦ "Инжехим" разработал и выпускает широкий спектр регулярных насадок [7]. Помимо регулярных насадок с традиционной прямоугольной формой (рис. 1) блоков ИВЦ выпускает насадку с секторно-кольцевой формой блоков (рис. 2).
Такая насадка хорошо вписывается в колонну даже при существенном отклонении ее формы от идеальной вследствие "эластичности" своей формы. Кроме того, основное перераспределение жидкости между слоями происходит по радиальным окружностям, а не по хордам, что позволяет избежать проблемы байпасирования потока жидкости вдоль стенок колонны и сохранить равномерный профиль распределения жидкости на большой высоте насадочного слоя. Насадка имеет
удельную поверхность от 140 до 600 м2/м3 с гладкой, пуклеванной (шероховатой) или микропросечной поверхностью. Более двух десятков колонн, оснащенных такой насадкой при модернизации, успешно эксплуатируются в ОАО "Нижнекамскнефте-хим" и ОАО "Казаньоргсинтез" [8].
Область применения данной насадки: атмосферные и вакуумные колонны для перегонки нефтяного и газового сырья, работающие при малых плотностях орошения; колонны разделения гликолей.
ИВЦ "Инжехим" также разработал и запатентовал несколько видов нерегулярных насадок (рис. 3).
Все они отличаются технологичностью изготовления, простотой конструкции и обеспечивают высокие массообменные характеристики и низкое гидравлическое сопротивление.
Технические характеристики насадок "Инже-хим-02" и "Инжехим-04" представлены на табл. 1.
Нерегулярные насадки "Инжехим-02" (рис. 3а) и "Инжехим-04" (рис. 3б) образованы изогнутыми полосами, смещенными относительно друг друга. Края насадки изогнуты для исключения плотного прилегания отдельных элементов друг к другу. Жидкость, омывающая элементы насадки, стекает с них преимущественно в виде пленки. Это происходит за счет того, что геометрия насадки имеет гладкий гидравлический профиль и не со-
МОДЕРНИЗАЦИЯ МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ НОВЫМИ НАСАДКАМИ
249
держит ломаных поверхностей и других деталей, которые могли бы быть центром образования отдельных капель и струй. Пленочный характер стока жидкости с элементов насадки обеспечивает высокие массообменные характеристики насадки при минимальном значении уноса и способствует снижению гидравлического сопротивления. Несложная конструкция насадки позволяет изготавливать ее методом листовой штамповки, что снижает себестоимость ее изготовления.
Насадки применяются для колонн, работающих как под разрежением, так и при атмосферном и избыточном давлениях. Кроме того, эти насадки способны работать с загрязненными средами.
На рис. 4 даны сравнительные характеристики по перепаду давления различных насадок без орошения, 7—9 насадки "Инжехим".
На рис. 5 представлен перепад давления насадок при большой плотности орошения. Из рисунка следует, что захлебывание колец начинается при Щ > 1 м/с, а насадок "Инжехим" при Щ0 > 1.8 м/с.
Сравнительные характеристики с различными типами насадок в табл. 2.
На рис. 6 даны сравнительные зависимости высоты единицы переноса для различных типов насадок от скорости газа. Приведены линии 1—4 из работы [9]. Известно, что чем меньше значение ког, тем эффективнее работает насадка. Также важной характеристикой работы насадочных колонн является высота эквивалентная теоретической тарелки (ВЭТТ). Чем меньше значение ВЭТТ, тем выше качество разделения смеси. На рис. 7 даны зависимости ВЭТТ от фактора скорости в колонне для нерегулярных металлических насадок. Как следует из приведенных сравнительных массооб-
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Щ0, м с-1
Рис. 4. Гидравлическое сопротивление сухой насадки: 1, 2, 3 — кольца Рашига в укладку, ¡1 = 50, 80, 100 мм; 4, 5 — кольца Рашига внавал, 1 = 25, 50 мм; 6 — кольца Палля, аI = 50 мм; 7 — рулонная насадка (с сегментными отверстиями); 8 — рулонная просечная насадка; 9 — рулонная насадка с шероховатой поверхностью.
Таблица 1. Технические характеристики насадок "Инже-хим-02" и "Инжехим-04"
Насадка "Инжехим-02" "Инжехим-04"
Материал насадки Листовая сталь толщиной 0.5 мм
ач, м2/м3 134 149
Бсв, м3/м3 0.967 0.96
Число элементов в 1 м3 21800 61300
а, м 0.029 0.026
менных характеристик различных насадок (табл. 2 и рис. 6, 7), современные конструкции обеспечивают примерно одинаковые показатели и выбор типа насадки необходимо приводить также с использованием технико-экономического анализа, доступности поставщика, его опыта работы на рынке и репутации.
ВНЕДРЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Замена устаревших контактных устройств на действующих предприятиях на новые высокоэффективные может быть выполнена во время плановых капитальных ремонтов оборудования в течение 10—15 дней. При этом, как правило, сохраняется существующая технологическая схема установки с основным и вспомогательным оборудованием.
Зарубежными фирмами, а также ИВЦ "Инже-хим" выполнена модернизация колонных аппа-
2 345678 910 2 3
Щ0, м/с
Рис. 5. Гидравлическое сопротивление слоя орошаемой насадки в зависимости от фиктивной скорости газа. Плотность орошения 80 м 3/(м2 ч): 1 — насадка "Инжехим-04"; 2 — металлические кольца "В1а1еек1" 50 х 50 мм; 3 — металлические кольца Рашига 50 х 50 мм.
Таблица 2. Сравнительные характеристики металлических нерегулярных насадок
Наименование насадки Б, м3/м3 ач, м2/м3 АР, Па/м Пропускная способность, отн. % Эффективность, отн. %
Кольца, 50 мм
Рашига 0.95 110 1000 100 100
Палля 0.96 100 630 120 125
Белецкого 0.95 112 850 120 125
"Хайпек" 0.95 111 650 120 150
"Флексиринг" 0.96 102 420 126 -
"Германия" 0.97 106 600 123 -
"Хифлоу" 0.98 96 410 138 127
"ГИАП" 0.96 101 470 133 137
"Каскадные" Глитч
Миникольца, 38 мм
0.97 0.97
188 174
Седлообразные
320
139
144
"Инталокс", 20 мм 0.95 108 320 144 132
"Нуттер", 20 мм 0.98 95 410 127 -
"Лев
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.