Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Осушка и разделение углеводородных газов в топливно-энергетическом комплексе 12
1.1. Способы энергосбережения на предприятиях ТЭК 13
1.2. Состав и основные характеристики углеводородных газов 21
1.3. Требования, предъявляемые к углеводородным газам при их транспортировке по магистральным трубопроводам 24
1.4. Проблемы и задачи осушки и разделения углеводородных газов
1.4.1. Осушка углеводородных (природных) газов 26
1.4.2. Разделение углеводородных газов, с целью получения товарного этилена 30
1.5. Контактные устройства колонных аппаратов 35
Выводы 44
ГЛАВА 2. Сравнительные массообменные энергетические характеристики контактных устройств 45
2.1. Алгоритм расчета КПД тарелки с учетом неравномерностей распределения уровня высоты столба жидкости и скорости газа (пара) 45
2.2. Конструкция разработанной структурированной контактной газожидкостной тарелки 62
2.3. Экспериментальное исследование гидравлических характеристик структурированной контактной газожидкостной тарелки 66
2.4. Разработка программы для ЭВМ «Предпроектный расчет тарельчатого абсорбера с ситчатыми тарелками» 83
2.5. Массообменные и энергетические характеристики насадочных контактных устройств 84
Выводы 101
ГЛАВА 3. Энергосберегающая модернизация аппаратов осушки углеводородного газа 104
3.1. Технологическая схема осушки углеводородного (природного) газа 104
3.2. Варианты модернизации абсорбера при осушке углеводородного (природного) газа Заполярного ГНКМ 106
3.3. Варианты модернизации десорбера при регенерации абсорбента в схеме осушки углеводородного (природного) газа Заполярного ГНКМ 111
Выводы 115
ГЛАВА 4. Энергосбережение на ректификационной установке выделения этилена 117
4.1. Проблемы, производства этилена на заводе «Этилен» ОАО «Казаньоргсинтез» 117
4.2. Анализ работы установки разделения углеводородных газов (этан этиленовой смеси) завода «Этилен» ОАО «Казаньоргсинтез» 120
4.3. Варианты энергосберегающей модернизации колонны разделения углеводородных газов (этан-этиленовой смеси) 126
Выводы 131
Заключение 133
Список использованной литературы
- Требования, предъявляемые к углеводородным газам при их транспортировке по магистральным трубопроводам
- Конструкция разработанной структурированной контактной газожидкостной тарелки
- Варианты модернизации десорбера при регенерации абсорбента в схеме осушки углеводородного (природного) газа Заполярного ГНКМ
- Анализ работы установки разделения углеводородных газов (этан этиленовой смеси) завода «Этилен» ОАО «Казаньоргсинтез»
Введение к работе
Актуальность работы. Поставленная Президентом и Правительством РФ задача по модернизации экономики и промышленности предполагает повышение качества выпускаемой продукции, снижение энергозатрат и экологическую безопасность производств.
Одними из наиболее энергоемких процессов на предприятиях топливно- энергетического комплекса (ТЭК) являются процессы ректификации углеводородных смесей, а также абсорбции влаги из природного газа и регенерации насыщенного влагой абсорбента.
Большинство действующих в настоящее время теплоиспользующих установок проектировались в 60-70 гг. прошлого столетия. За это время появились новые высокоэффективные контактные устройства, которые взамен устаревшим позволяют повысить качество разделения смесей, снизить гидравлическое сопротивление колонн и, что особенно важно, уменьшить энергозатраты на единицу выпускаемой продукции. Современные контактные устройства, используемые в новых или модернизируемых тепломассообменных аппаратах, предлагаются преимущественно зарубежными фирмами Sulzer, Koch-Glitsh, Цзэхуа и др. Контактные устройства имеют большую стоимость и длительные сроки поставок.
В связи с этим работа по исследованию и использованию на предприятиях ТЭК энергосберегающих и не уступающих по эффективности зарубежным отечественных контактных устройств актуальна.
Объекты исследования. Тепломассообменные установки процессов осушки (абсорбция и десорбция - удаления поглощенной влаги из абсорбента методом ректификации) и разделения углеводородных газов предприятий ТЭК.
Цель работы - снижение энергозатрат на единицу выпускаемой продукции путём разработки научно-обоснованных технических решений по энергосберегающей модернизации тепломассообменных контактных устройств теплоиспользующих установок при проведении процессов осушки (абсорбция и десорбция) и разделения углеводородных газов ректификацией.
Задачи:
разработать конструкцию и провести экспериментальные исследования гидравлических характеристик барботажного контактного устройства для процессов осушки и разделения углеводородных газов.
составить алгоритм расчета эффективности разделения смеси на тарелке с учетом неравномерности распределения уровня жидкости по полотну тарелки и скорости газа (пара) в сечении входа на контактное устройство.
сравнить эффективность насадочных и тарельчатых контактных устройств с использованием энергетического коэффициента, фактора интенсивности тепломассообмена и КПД по Мерфри, выбрать наиболее эффективные из них.
показать примеры энергосбережения на ректификационных и абсорбционных установках за счет модернизации тепломассообменных контактных устройств на предприятиях ТЭК.
Научная новизна.
Выполнены экспериментальные исследования на лабораторном стенде и сделаны обобщения по гидравлическим характеристикам разработанной конструкции структурированной контактной газожидкостной тарелки (СКГ).
Получены данные и расчетные выражения для перепада давления сухой и орошаемой тарелки, статического столба жидкости и предельным нагрузкам.
Предложен алгоритм расчета эффективности разделения смеси на тарелке СКГ, позволяющий учитывать неравномерности распределения уровня жидкости по полотну тарелки и скорости газа (пара) в сечении входа на контактное устройство.
Выполнена комплексная оценка энергоэффективности и массообмена различных контактных устройств, используемых для энергосберегающей модернизации аппаратов осушки и разделения углеводородных газов предприятий ТЭК. Получены значения энергетического коэффициента, фактора интенсивности и КПД по Мерфри процессов разделения смесей.
Практическая значимость.
Разработана и запатентована конструкция структурированной контактной газожидкостной тарелки (СКГ).
Получены обобщенные выражения для расчета перепада давления тарелки СКГ.
Разработан алгоритм расчета эффективности разделения смеси для промышленных тарелок различных конструкций, позволяющий производить расчет эффективности разделения с учетом неравномерностей распределения газа (пара) и жидкости.
Выбраны высокоэффективные насадочные и тарельчатые контактные устройства аппаратов осушки и разделения углеводородных газов, обеспечивающие снижение энергозатрат.
Показаны примеры энергосбережения в процессах абсорбционной и десорбционной осушки углеводородного (природного) газа за счет замены устаревших контактных устройств в колоннах на более эффективные. Установлено, что снижение расходов энергии, необходимой для подачи газа в абсорбер при замене тарельчатых контактных устройств на новую тарелку составляет 15-32 %, а при замене на насадки - 41-89 %. Расходы тепла в десорбционной колонне при этом уменьшаются на 4-7 %.
Предложена энергоэффективная модернизация колонны получения товарного этилена. Замена контактных устройств высокоэффективными тарельчатыми или насадочными контактными устройствами приводит к снижению расходов тепла в колонне на 7 % (6960 Гкал в год) и 8 % (7680 Гкал в год) соответственно. Ожидаемый экономический эффект от внедрения за счет энергосбережения составляет 4077864 и 4499712 руб. в год; срок окупаемости - 1 год 1 месяц и 2 года 5 месяцев.
Методы исследования.
Поставленные задачи решались путем сочетания теоретических и экспериментальных методов исследования.
Гидравлические испытания разработанной тарелки СКГ проводились на лабораторном стенде в ООО ИВЦ «Инжехим».
Для расчета тарельчатого абсорбера с ситчатыми тарелками использовано программное приложение «Предпроектный расчет тарельчатого абсорбера с ситчатыми тарелками», разработанное автором, с использованием MathCad.
Положения, выносимые на защиту:
конструкция разработанной тарелки СКГ;
результаты экспериментальных исследований разработанной тарелки СКГ;
расчетные выражения, полученные для новой тарелки СКГ для перепада давления сухой и орошаемой тарелки, статического столба жидкости;
алгоритм расчета эффективности разделения смеси на тарелке СКГ;
разработанные научно-технические решения по энергосберегающим модернизациям теплоиспользующих установок предприятий ТЭК.
Личное участие автора заключается в:
разработке конструкции, выполнении экспериментальных гидравлических испытаний тарелки СКГ и получении расчетных выражений для перепада давления сухой и орошаемой тарелки, статического столба жидкости;
составлении алгоритма расчета эффективности разделения смеси на тарелке СКГ, учитывающего неравномерности распределения уровня жидкости по полотну тарелки и скорости газа (пара) в сечении входа на контактное устройство;
разработке научно-технических решений и выполнении расчетов по энергосберегающим модернизациям теплоиспользующих установок предприятий ТЭК: абсорбции избыточной влаги из углеводородных (природных) газов, ректификации для регенерации абсорбента и выделения этилена.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается проведенными гидравлическими испытаниями тарелки СКГ на сертифицированном стенде.
Использованием апробированных выражений для определения коэффициентов массоотдачи по уравнениям, полученным Дьяконовым С.Г., Елизаровым В.И. и Лаптевым А.Г., и для расчета КПД по Мерфри, представленных в работах Александрова И.А. и Дытнерского Ю.И.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: V, VI, VII, VIII Межд. молод. науч. конф. «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2010, 2011, 2012, 2013); VI Межд. науч.-технич. конф. «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, 2013); XV асп.-маг. науч. семинаре, посвященном «Дню энергетика» (г. Казань, 2012); Межд. науч.-практич. конф. молодых ученых и специалистов «Молодежь, наука, будущее: технологии и проекты» (г. Казань, 2012); IV Межд. науч.-практич. конф. молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2012); Всерос. науч.-практич. конф. «Актуальные инженерные проблемы химических и нефтехимических производств и пути их решения» (г. Нижнекамск, 2012); VII ежегодной Межд. науч.-практич. конф. «Повышение эффективности энергетического оборудования-2012» (г. Санкт-Петербург, 2012); VIII шк.-семинаре молод. уч. и спец. академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассобмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (г. Казань, 2012); XVII Межд. науч.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2011); Городской науч.-практич. конф. «Энергоэффективная и энергосберегающая политика в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве» (г. Нижнекамск, 2011); Межд. науч.-техн. конф. «Энергетика, информатика, инновации - 2011» (г. Смоленск, 2011); Межд. молодеж. науч. шк. «Энергия и человек» (г. Томск, 2011); XVIII Межд. молод. науч. конф. «Туполевские чтения» (г. Казань, 2010); XXIII Межд. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях - МММТ 23» (г. Саратов, 2010); VI Всерос. науч.-техн. студ. конф. «Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии» (г. Казань, 2010); V Всерос. науч.-практ. конф. «Повышение эффективности энергетического оборудования» (г.
Иваново, 2010); X Межд. симпозиуме «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (г. Казань, 2009).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 25 работ, из них 1 патент, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 2 статьи в журналах из перечня ВАК, 1 статья в журнале «Вестник КГЭУ» и 20 материалов докладов на различных конференциях и семинарах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 173 наименований, справки об использовании результатов работы. Общий объем диссертации изложен на 193 страницах и включает 39 рисунков, 19 таблиц и 6 приложений.
Требования, предъявляемые к углеводородным газам при их транспортировке по магистральным трубопроводам
Деление месторождений на газовые и газоконденсатные в газопромысловой практике достаточно условно [41, 54, 118, 156]. При небольшом содержании в пластовой углеводородной смеси высокомолекулярных компонентов С5+, приблизительно до 1 г/м , месторождение относят к чисто газовому. В продукции газовых месторождений содержание конденсата минимально; при подготовке к транспорту таких газов не требуется их обработка с целью извлечения тяжелых углеводородов [29, 156, 173].
В отличие от чисто газовых месторождений газоконденсатные разрабатываются для получения не только газа, но и высокомолекулярных компонентов - газового конденсата [156].
К искусственным газам относятся газы, получаемые путем переработки топлива, а также выделяющиеся при технологических процессах на химических, металлургических и других предприятиях.
Природные смеси углеводородов состоят из многих десятков и даже сотен индивидуальных углеводородов, различающихся физико-химическими свойствами и представляющих как газы, так и жидкости, причем в стандартных условиях многие из последних переходят в твердую фазу [41].
Любые смеси углеводородных газов подвергают разделению для: выделения наиболее ценных компонентов; удаления вредных, либо балластных компонентов, затрудняющих транспортирование газов [72].
Процессы переработки углеводородных газов можно разделить на 2 основные группы: первичные и вторичные. К первичным отнесены процессы выделения из природных и нефтяных газов отдельных компонентов и фракций. К вторичным отнесены процессы глубокой переработки отдельных компонентов или фракций, выделяемых из газовых смесей (пиролиз индивидуальных углеводородов, производства моторных топлив из конденсата, производства газовой серы и т.д.).
Продукты их переработки применяют практически во всех отраслях промышленности, на всех видах транспорта, в военном и гражданском строительстве, сельском хозяйстве, энергетике, в быту и т.д. [15]
В данной главе показаны способы энергосбережения на предприятиях ТЭК, состав и требования, предъявляемые к углеводородным газам при их транспортировке по магистральным трубопроводам. Рассмотрены проблемы и задачи осушки и разделения углеводородных газов на теплотехнологических установках предприятий ТЭК, а также контактные устройства колонных аппаратов.
На современном этапе развития человечества все созданные людьми производства функционируют как технологические системы, потребляющие и перерабатывающие природные ресурсы планеты Земля. Определяющую роль при этом играют природные ресурсы углеводородов, на использовании которых построена значительная часть энергетики, даже наиболее развитых стран. К началу 21-го столетия суммарные запасы углеводородов в недрах Земли по разным оценкам составили от 1,33-10 т до 10 т [19, 156].
Современную мировую экономику невозможно представить без энергии, транспорта, света, связи, радио, телевидения, вычислительной техники, средств автоматизации, космической техники и т.д., основой развития которых является топливно-энергетический комплекс (ТЭК). Уровень развития ТЭК отражает социальный и научно-технический прогресс и часто определяет политику государства [16].
Топливно-энергетическим комплексом называется совокупность производств, процессов, материальных устройств по добыче топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), их преобразованию, транспортировке, распределению и потреблению как первичных ресурсов, так и преобразованных видов энергоносителей. В состав ТЭК входят взаимодействующие и взаимообусловленные подсистемы: отрасли топливной промышленности (угольная, нефтяная, газовая), добывающая подсистема и электроэнергетика, преобразующая топливно-энергетические ресурсы в энергоносители.
Нефть и газ - уникальные и исключительно полезные ископаемые. Продукты их переработки применяют практически во всех отраслях промышленности, на всех видах транспорта, в сельском хозяйстве, энергетике, в быту и т.д. Из нефти и газа вырабатывают разнообразные химические материалы, такие как пластмассы, синтетические волокна, каучуки, лаки, полиэтилен и многое другое [16].
Тенденции в развитии производства ТЭР непосредственно связаны с развитием всего мирового хозяйства и соответственно с ростом численности населения и душевого потребления конечных топливно-энергетических ресурсов. Численность населения в настоящее время достигла 6 млрд. человек, а к 2030 году она составит 8,25 млрд. человек. В то же время душевое потребление конечных ТЭР будет постоянно нарастать. В результате суммарное потребление конечной энергии в мире за ближайшие тридцать лет возрастет почти в 1,5 раза.
В свою очередь удовлетворение потребностей в отдельных видах ТЭР определяется их конкурентоспособностью по отношению друг к другу. При этом конкурентоспособность того или иного ресурса на мировом рынке зависит от цен, которые складываются под влиянием затрат, связанных с их добычей, переработкой, транспортировкой, технологическими и экологическими качествами их использования [14].
Показателями, характеризующими преимущество природного и попутного газа перед другими видами ТЭР, являются чистота и однородность химического состава, высокая теплота сгорания, удобство транспортировки и распределения при помощи газопроводов, удобство использования и т.д. [116]
Все технологические процессы на предприятиях ТЭК связанны с использованием энергии. В стоимостном выражении потребление энергии химического производства продукции предприятий ТЭК распределяются следующем образом: в химических реакторах - 5-40 %, в массообменных процессах - 30-80 %, в тепловых процессах - 60-90 % [31].
В разработанной Генеральной схеме развития газовой отрасли РФ до 2030 г. большая роль отведена развитию газоперерабатывающих и газохимических производств, в частности, разработке энергосберегающих технологий глубокой переработки углеводородного сырья, поиску технических решений по созданию новых и совершенствованию существующих производств [42, 140].
Конструкция разработанной структурированной контактной газожидкостной тарелки
Автором предложен алгоритм расчета КПД тарелки с учетом продольной неоднородности потоков: 1. Полотно тарелки делится на п условных секций равных числу рядов контактных элементов, расположенных на полотне тарелки от приемной планки к сливной (і = 1, 2, ... , п). 2. Задается начальное приближение скорости газа и высоты статического столба жидкости в средней зоне контактного устройства. Принимаются равными средней скорости газа в колонне W, = WK и среднего значения высоты статического столба жидкости hCTI = hCJ. 3. Относительно средней зоны для каждой г-ой зоны, рассчитываются значения скорости газа (пара) отверстиях тарелки W0l и высоты статического столба жидкости hCTI в сечении тарелки S,. 4. По определенным соотношениям, относительно средней зоны, в зависимости от типа контактного устройства вычисляются параметры для /-ой зоны: W, - скорость газа (пара) в / -ой зоне, м/с; S0l - площадь отверстий занятых 9 9 газовым потоком, м ; S, -площадь тарелки в /-ой зоне, м ; АР, - гидравлическое сопротивление /-ой зоны, Па. 5. Вычисляются значения коэффициентов массоотдачи в жидкой и газовой (паровой) фазах с учетом неравномерностей для /-ой зоны и для всего контактного устройства. 6. Вычисляется общее число единиц переноса. 7. Определяется локальный КПД тарелки. 8. Вычисляется коэффициент продольного перемешивания в зависимости от типа контактного устройства и число Пекле. 9. Вычисляется КПД тарелки по Мерфри по диффузионной модели с учетом уноса жидкости. Данный алгоритм позволяет выбирать вариант реконструкции контактного устройства при изменении условий работы. Определение эффективности стандартных ситчатых и клапанных тарелок по предложенному алгоритму По предложенному алгоритму произведен расчет ситчатой (относительное свободное сечение тарелки FCB=10%; диаметр отверстия тарелки d0- 0,008 м) и клапанной прямоточной (FCB=10%; d0= 0,05 м) м3 тарелок. Процесс абсорбции аммиака водой. Расход жидкости - L-5 , м-ч диаметр колонны принимался равным 1 м. Гидравлический расчет контактных устройств проводился по широко известным уравнениям для тарельчатых контактных устройств. Более подробно методика расчета представлена в работах [10, 11,32,98, 103, 107, 129, 137-139]. На рисунках 2.4, 2.5, 2.6, 2.7 даны зависимости коэффициентов массоотдачи в газовой фазе и КПД тарелки от градиента при различной скорости газа в колонне для ситчатой и клапанной тарелок, рассчитанные по предложенному алгоритму. Влияние увеличения градиента уровня жидкости на коэффициент массоотдачи в жидкой фазе аналогично.
По графику изображенному на рисунке 2.4 для ситчатых тарелок видно, что чем ниже скорость газа, тем выше влияние неравномерностеи распределения жидкости и газа (пара) на коэффициент массоотдачи в газовой фазе. С увеличением скорости газа влияние неравномерностеи распределения жидкости и газа (пара) на коэффициент массоотдачи в газовой фазе уменьшается и при скоростях газа выше 1 м/с - отсутствует. Причем при скорости 0,2 м/с значение коэффициента массоотдачи в газовой фазе снижается на 40 %, а при 1 м/с - на 1 %; с увеличением градиента это влияние увеличивается.
На рисунке 2.5 представлено влияние увеличения градиента уровня жидкости на КПД по Мерфри для ситчатых тарелок. Видно, что при уменьшении скорости газа от 1 до 0,2 м/с КПД по Мерфри снижается на 1-17 %, а с увеличением градиента (от 10 до 20 мм) это влияние увеличивается. При скоростях газа выше 1 м/с влияние неравномерностей распределения жидкости и газа (пара) - полностью отсутствует.
Основное требование к контактным устройствам заключается в том, чтобы поверхность межфазного контакта, создаваемая им должна непрерывно обновляться, при этом интенсивность обновления должна быть максимальной. Это достигается увеличением относительной скорости контактирующих фаз. При этом увеличивается турбулентность двухфазного потока, что ведет к увеличению скорости обновления поверхности. Однако, этому препятствуют явления пенно- и брызгоуноса [80].
Если на тарелке характерно в основном вертикальное направление движения газа (пара) в слое жидкости (колпачковая, клапанная, ситчатая и др.), то течение жидкости по тарелке обусловлено в основном разностью уровней жидкости А на приточной и сточной сторонах тарелки. Градиент уровня жидкости в основном зависит от жидкостной нагрузки тарелки и конструктивных особенностей ее элементов [137].
В [137] для уменьшения градиента уровня жидкости рекомендуют следующие мероприятия: организация каскада по ходу движения жидкости; уменьшение длины пути жидкости в пределах контактной зоны (многопоточные тарелки); наклон полотна тарелки в сторону слива (до 5 %); устранение или ориентация вдоль потока жидкости тех конструктивных элементов крепежных устройств, которые мешают течению жидкости; сочетание прямоточных и обычных барботажных устройств; правильный выбор размеров контактных элементов и переливных устройств и их взаимного расположения на тарелке.
Все перечисленные мероприятия направлены в основном на более тщательный монтаж контактных устройств. Кроме того они показывают, что каждый случай должен быть рассмотрен в отдельности.
Для повышения эффективности работы барботажной тарелки по всей ее площади автором предложено разделить полотно тарелки на 3 условные секции (рисунок 2.8). Каждая секция имеет различное относительное свободное сечение тарелки, уменьшающееся по направлению движения жидкости по тарелке, что компенсирует влияние градиента уровня жидкости: а - 12 %, б - 10 %, в - 8 %. Это способствует равномерному распределению потока жидкости по полотну тарелки, устранению застойных зон вблизи приемной планки и обуславливает интенсификацию процессов тепло- и массообмена [106, 108].
Варианты модернизации десорбера при регенерации абсорбента в схеме осушки углеводородного (природного) газа Заполярного ГНКМ
Выполнен расчет десорбера для регенерации насыщенного раствора ДЭГа, используемый в схеме осушки углеводородного (природного) газа сеноманской залежи Заполярного ГНКМ с тарельчатыми и насадочными контактными устройствами [78, 81-83, 87-89, 93-95]. Характеристика рассматриваемых контактных устройств дана в разделе 3.2.
Гидравлический расчет аппарата с тарельчатыми контактными устройствами проводился аналогично расчету абсорбера. Расчет насадочного аппарата основан на вычислении высоты слоя насадки, эквивалентной одной теоретической тарелке (ВЭТТ). Результаты расчетов аппаратов с тарельчатыми и насадочными контактными устройствами рассматриваются отдельно (таблицы 3.4 и 3.5). Установлено число теоретических тарелок: для нижней части аппарата-3, для верхней-2 [20, 27, 91, 103, 107, 129, 137-139].
В таблицах Г.8-Г.13 приложения Г приведены результаты технологического расчета десорбера с ситчатыми тарелками. Расчет аппаратов с другими контактными устройствами проводился по аналогии [27, 91, 94, 95, 129, 139].
Содержание диэтиленгликоля в растворе удовлетворяет условиям регенерации (0,99 масс, долей) во всех вариантах расчета аппарата.
По приведенным данным видно, что при сравнении аппаратов с тарельчатыми контактными устройствами тарелка СКГ обладает более высоким значением КПД и меньшей металлоемкостью (в аппарате 13 тарелок). Количество теплоты, получаемого в кипятильнике (испарителе) от греющего пара в аппарате с данными контактными устройствами меньше, чем в аппарате со стандартной клапанной и ситчатой тарелок на 3 % и 4 % соответственно. Фактор интенсивности составляет 840, что выше на 9 %, чем в аппарате со стандартной клапанной и на 23 % со стандартной ситчатой тарелками.
При сравнении аппаратов с насадочными контактными устройствами, аппарат с насадкой «Инжехим» обладает меньшей металлоемкостью и гидравлическим сопротивлением колонны. Количество теплоты, получаемого в кипятильнике (испарителе) от греющего пара в аппарате с данной насадкой меньше на 4 %, чем в аппарате с насадкой из колец Рашига. Фактор интенсивности составляет 1578, что выше на 23 %, чем в аппарате насадкой из колец Рашига.
В таблице 3.6 представлены данные по снижению расхода теплоты в колонне регенерации абсорбента (десорбере) с различными вариантами модернизации колонны: - вариант 1 - замена стандартных клапанных тарелок на тарелку СКГ; - вариант 2 - замена стандартных ситчатых тарелок на тарелку СКГ; - вариант 3 - замена стандартных ситчатых тарелок на насадку «Инжехим»; - вариант 4 - замена стандартных клапанных тарелок на насадку «Инжехим»; - вариант 5 - замена колец Рашига на насадку «Инжехим».
В результате сравнения колонн осушки углеводородного (природного) газа наиболее энергосберегающими вариантами модернизации является 2 и 3. Они позволяют снизить затраты на тепловую энергию от греющего пара в кипятильнике (испарителе) на 4-7 %.
Рассмотрены следующие варианты модернизации колонн аппаратов осушки углеводородного (природного) газа (абсорбера и десорбера) сеноманской залежи Заполярного ГНКМ: - вариант 1 - замена стандартных клапанных тарелок на тарелку СКГ; - вариант 2 - замена стандартных ситчатых тарелок на тарелку СКГ; - вариант 3 - замена стандартных ситчатых тарелок на насадку «Инжехим»; - вариант 4 - замена стандартных клапанных тарелок на насадку «Инжехим»; - вариант 5 - замена колец Рашига на насадку «Инжехим». Расчеты аппаратов с тарельчатыми контактными устройствами по алгоритму расчета КПД тарелки представленному в главе 2 показывают, что структурированная контактная газожидкостная тарелка обладает более высоким значением КПД, меньшим значением общего гидравлического сопротивления колонны и меньшей металлоемкостью (фактор интенсивности 840,3).
При сравнении аппаратов с насадочными контактными устройствами, абсорбер и десорбер с насадкой «Инжехим» обладает меньшей металлоемкостью и гидравлическим сопротивлением колонны (фактор интенсивности 1578).
Колонны абсорбционной осушки газа сравнивались по общему гидравлическому сопротивлению колонны, которое характеризует энергетические затраты на проведение процесса, в частности на электрическую энергию необходимую для подачи исходного сырья в аппарат. В результате расчёта выявлено, что 1 и 4 варианты модернизации являются наиболее энергосберегающими. Они позволяют снизить затраты на электрическую энергию при подаче углеводородного газа на осушку на 32 % (98 684 кВт в год) и 89 % (274 442 кВт в год) соответственно. Ожидаемый экономический эффект 253 619-705 315руб. в год, срок окупаемости 3 года и 5 лет 7 месяцев.
Сравнение колонн регенерации абсорбента (десорбера) проводилось по затратам на тепловую энергию от греющего пара в кипятильнике (испарителе). Найдено, что в этом случае предпочтительнее 2 и 3 варианты, т.к. расход тепла снижается на 4-7 %, итого 102-174 Гкал в год. Ожидаемый экономический эффект 59 714-102 001 руб. в год, срок окупаемости - 2 года 1 месяц и 2 года 4 месяца.
Анализ работы установки разделения углеводородных газов (этан этиленовой смеси) завода «Этилен» ОАО «Казаньоргсинтез»
Рассмотрено 3 варианта реконструкции колонны, которые позволяют повысить качество разделяемой смеси и уменьшить энергозатраты в колонне. Вариант 1 Для увеличения производительности и эффективности массообменных тарелок создаются специальные конструкции переливных устройств, которые создают вторую зону контакта фаз. Переливы не доходят до основания нижележащей тарелки и имеют снизу отражательную пластину, которая обеспечивает распределение жидкости в межтарельчатом пространстве в виде пространственной пленки, струй и капель. Контакт газа (пара) с жидкостью происходит сначала в барботажном слое на тарелке, а затем в межтарельчатом пространстве. Для создания второй зоны контакта фаз предложено установить на каждой тарелке колонны К-303 в отверстиях клапанов (клапаны удаляются) вдоль сливной планки трубчатые ударные распылители жидкой фазы (подробное их описание дано в [18, 57]).
Выполнен расчет гидродинамических характеристик трубчатых контактных устройств. Установлено, что эффективность клапанной тарелки с учетом второй зоны контакта фаз увеличивается на 7-8 %. Это обеспечит повышение предельной нагрузки по жидкой фазе до 235 т/ч верха колонны и до 220 т/ч низа колонны. Всего для колонны требуется 4532 (длина 1 трубки 0,15 м, наружный диаметр 0,038 м) трубчатых контактных устройства.
Известно, что одной из причин невысокой разделительной способности массообменных тарелок является негоризонтальность монтажа. В результате расчетов установлено влияние формы приемной планки на КПД тарелки, что подтверждается экспериментально [57, 98, 103]. Получено, что приемная планка выпуклой формы приводит к увеличению эффективности клапанной тарелки. Кроме того в случае отклонения плоскости контактного устройства от горизонтального положения частично компенсирует снижение эффективности по сравнению работы тарелки с плоской планкой.
Для улучшения структуры потока жидкости на тарелке предложено изменить форму приемной планки, что повышает КПД тарелки на 8-9 % [18, 57]. Увеличение относительного свободного сечения тарелки за счет дополнительных отверстий в полотне повышает ее эффективность на 4-5 %. Сочетание всех трех разработанных вариантов реконструкции увеличивает эффективность разделения смеси на 20-22 %.
Однако, данный вариант реконструкции не снижает возросший унос жидкости (с 0,025 до 0,14 кг/кг) в колонне, а это в свою очередь снижает содержание готового продукта - этилена. Поэтому этот вариант реконструкции в дальнейшем не рассматривался.
Предложено заменить клапанные тарелки в верхней части колонны К-303 (тарелки с 82-й по 103-ю удаляются) на тарелки СКГ [21, 52, 108]. В этом случае перепад давления уменьшится на 5 %. Также возможно ведение процесса при меньшем флегмовом числе, что дает экономию греющего агента в кипятильнике. Содержание этилена в верхнем продукте удовлетворяет требованиям действующего производства.
Для реконструкции колонны требуется 20 тарелок, диаметром 3,2 м. Результаты расчета колонны К-303 до модернизации и после при увеличенной нагрузке в 1,6 раз (260 тыс. тонн этилена в год) представлены в таблице 4.8. При замене контактных устройств на новые высокоэффективные тарелки СКГ фактор интенсивности повышается на 2 % и составляет 81,2, эксергетический КПД увеличивается на 16 % - 0,25.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения составит при проектной нагрузке (160 тыс. тонн этилена в год) - 2 531 088 руб/год, а при увеличении производительности в 1,6 раз - 4 077 864 руб/год, срок окупаемости 1 год 9 месяцев и 1 год 1 месяц соответственно. Снижение расхода тепла в колонне К-303 составит при проектной нагрузке 0,54 Гкал/ч, а при увеличенной нагрузке -0,87 Гкал/ч (таблицы 4.9 и 4.10).
В связи с тем, что при увеличении производительности колонны К-303 значительно возрастает унос жидкости, что снижает эффективность разделения, предложено заменить клапанные тарелки в верхней части колонны (тарелки с 82-й по 103-ю удаляются) на насадочные элементы «Инжехим» [21, 52, 108].
Предлагается в верху колонны создать одну секцию высотой 10 метров с новой насадкой, которая обеспечит высокую эффективность разделения (в колонне будет 30 теоретических тарелок вместо 25 до реконструкции). Кроме этого перепад давления в колонне снижается на 10 % и возможно ведение процесса при меньшем флегмовом числе, что дает экономию греющего агента в кипятильнике. Содержание этилена в верхнем продукте удовлетворяет требованиям действующего производства.
Для реконструкции колонны требуется 80 м3 насадочных элементов 30x30x0,5 мм. Число элементов в 1 м3 - 46000 шт. [21 ,108] Результаты расчета колонны К-303 с насадкой «Инжехим» при увеличенной нагрузке (260 тыс. тонн этилена в год) даны в таблице 4.8. При данном варианте модернизации колонны К-303 фактор интенсивности увеличивается на 11 % (90,2), а эксергетический КПД - на 30 % (0,3).
