Содержание к диссертации
Введение
1. Разработка системы классификации контактных устройств с точки зрения организации контакта ФАЗ 15
1.1. Различные характеристики контактных устройств массообмеиных процессов, рассматриваемые при разработке ресурсо-энергосберегающих технологий 16
1.2. Характеристики современных регулярных насадочных контрактных устройств 23
1.3. Сравнительный анализ тарельчатых и насадочных контактных устройств колонных аппаратов 28
1.4. Реконструкция колонного оборудования в процессах ректификации с заменой тарелок на регулярную насадку 31
1.5. Конструктивные и технологические особенности насадочных колонн с различной организацией контакта фаз 43
1.6. Анализ существующей классификация контактных устройств и результатов внедрения конструкций массообмеиных аппаратов с точки зрения организации контакта фаз 50
1.7. Предлагаемая классификация контактных устройств с учётом организации контакта фаз 56
1.8. Методология и метод исследования 61
Основные выводы по главе 1: 65
2. Испытание перекрёстноточных насадочных модулей на горячем промышленном стенде 66
2.1. Описание принципиальной технологической схемы горячего промышленного стенда для испытания перекрёстноточных насадочных модулей 67
2.2. Типы конструкций перекрёстноточных насадочных модулей, установленных в полной ректификационной колонне горячего промышленного стенда 69
2.3. Основные характеристики компонентов сырья, использованного на промышленном стенде 73
2.4. План экспериментальных исследований на промышленном стенде 75
2.5. Методика экспериментальных исследований перекрёстноточных насадочных модулей
2.5.1. Методика, используемая при отборе проб на промышленном стенде 78
2.5.2. Лабораторный анализ проб и обработка его результатов
2.6. Программа проведения исследований на промышленном стенде 81
2.7. Пуск и освоение горячего промышленного стенда для исследования регулярных перекрёстноточных насадочных модулей 83
2.7.1. Основные результаты исследований перекрёстноточных насадочных
модулей на промышленном стенде з
2.8. Обработка основных результатов промышленных испытаний методом
математического моделирования 86
Основные выводы по главе 2 92
3. Разработка и внедрение технологии вакуумной перегонки мазута с многоуровьшвым отбором масляных дистиллятов и гибкой схемой оргагшзациициркуляционных орошений 93
3.1. Повышение качаства и расширение ассортимента баовых основ масел при фракционировании мазута в перекрестноточных насадочных колоннах 95
3.1.1. Повышение качества и расширение ассортимента вырабатываемых масляных дистиллятов за счет их многоуровневого отбора 95
3.1.2. Анализ преимуществ перекрестноточных каплеуловителей и разработка перекрестноточных насадочных зон питания 106
3.1.3. Влияние количества флегмы на нижних блоках укрепляющей секции на качество продуктов разделения в вакуумной насадочной колонне 114
3.1.4. Анализ разделительной способности перекрестноточных насадочных колонн при одно- и двухуровневом теплосъеме 118
3.2. Результаты разработки и промышленного внедрения технологии фракционирования мазута в одной перекрестноточной насадочной колонне с одним верхним циркуляционным орошением 128
3.2.1. Поэтапная реконструкция тарельчатой вакуумной колонны К-4 установки АВТ-2 на насадочный вариант 128
3.2.2. Результаты опытного пробега и лабораторного исследования проб сырья и продуктов блока вакуумной перегонки мазута установки АВТ-2 133
3.2.3. Оценка тепломассообменной эффективности и других технологических характеристик контактных устройств колонны К-4 АВТ-2 путем математического моделирования технологического режима 134
3.2.4. Основные результаты полной реконструкции колонны К-4 установки АВТ-2 в перекрестноточный насадочный аппарат 140
3.3. Разработка технологии фракционирования мазута с многоуровневым отбором масляных дистиллятов и многоуровневым теплосъёмом в колонне К-4 установки АВТ-3 146
3.3.1. Математическое моделирование существующей технологии фракционирования мазута на установке АВТ-3 147
3.3.2.Разработка технологии сухой глубоковакуумной перегонки мазута с гибкой схемой циркуляционных орошений и вариативной разделительной способностью секций укрепления масляных дистиллятов 150
3.3.3. Предлагаемая технология фракционирования мазута с многоуровневым отбором масляных дистиллятов и инвариантным теплосъёмом в вакуумной колонне К-4 154
3.3.4. Результаты промышленного обследования работы вакуумной колонны К-4 установки ЭЛОУ-АВТ-3 после реализации технологии сухой глубоковакуумной перегонки мазута 157
3.3.4.1. Фиксирование показателей работы вакуумной перекрестноточной насадочной колонны К-4 при изменении схемы её работы 159
3.3.4.2. Лабораторные исследования сырья и продуктов разделения вакуумной колонны К-4, полученные в период обследования 163
3.3.4.3. Математическое моделирование различных схем работы вакуумной перекрёстноточной насадочной колонны К-4 164
3.3.5. Основные результаты реконструкции вакуумной колонны К-4 установки ЭЛОУ-АВТ-3 172
3.4. Технико-эксплуатационные характеристики вакуумных колонн, оборудованных регулярными насадками различных типов 176
Основные выводы по главе 3 185
4. Разработка и промышленная реализация энергосберегающей технологии атмосферной перегонки 189
4.1. Анализ вариантов реализации технологий фракционирования нефти при атмосферном давлении в противоточных насадочных аппаратах 190
4.2. Разработка и реализация технологий частичного отбензинивания нефти, базирующихся на применении перекрёстноточных насадочных контактных устройств 192
4.2.1. Результаты первого этапа реконструкции перекрёстноточной насадочной колонны К-1 установки ЭЛОУ-АВТ
ОАО «Орскнефтеоргсинтез» 193
4.2.2. Второй этап разработки и реализации технологии частичного отбензинивания К-1 на установке ЭЛОУ-АВТ 201
4.2.3. Исследования по разработке энергосберегающей технологии частичного отбензинивания нефти на установке ЭЛОУ-АВТ-3 211
4.2.4. Способы снижения энергозатрат на стадии частичного отбензинивания нефти 225
4.3. Разработка и реализация технологий фракционирования частично
отбензиненной нефти в перекрёстноточных насадочных основных атмосферных
колоннах 231
4.3.1. Результаты реконструкции первой насадочной перекрёстноточной колонны К-2 установки АТ-5 ОАО «Орскнефтеоргсинтез» 232
4.3.2. Результаты реконструкции перекрёстноточной насадочной колонны К-2 установки ЭЛОУ-АВТ-3 239
4.3.3. Результаты реконструкции перекрёстноточной насадочной колонны К-2 установки ЭЛОУ-АВТ 247
4.3.4. Результаты реконструкции перекрёстноточной насадочной колонны К-2 установки АВТ-2 255
4.3.5. Результаты обследования технологии первичной перегонки нефти с применением перекрёстноточных насадочных систем на установке ЭЛОУ-АВТ-3 262
Основные выводы по главе 4 269
5. Разработка и промышленная реализация энергосберегающих технологий при повышенных давлениях, базирующихся на использовании насадочных контактных устройств . 272
5.1. Технологические и конструктивные особенности аппаратов под повышенным давлением с диспропорциональными и переменными нагрузками 273
5.1.1. Технологические особенности процессов стабилизации влияющие на выбор направления их совершенствования 274
5.1.2. Технологические особенности процессов газофракционирования, влияющие на выбор направления их совершенствования 277
5.1.3. Анализ работы современных конструкций массообменных контактных устройств в условиях процессов под повышенным давлением с диспропорциональными и переменными нагрузками 278
5.1.4. Перспективы разработки энергосберегающих технологий в условиях процессов под повышенным давлением 285
5.2. Интенсификация фракционирующего оборудования установок чёткой ректификации прямогонных бензиновых фракций 286
5.2.1. Расчётный анализ технологических возможностей действующей установки вторичной перегонки бензиновой фракции 286
5.2.2. Разработка технологии чёткой ректификации бензиновой фракции в системе колонн с частично-связанными материальными и тепловыми потоками 297
5.2.3. Предложения по совершенствованию технологии разделения прямогонных бензинов на основе перекрёстноточных насадочных колонн 300
5.2.4. Расширение технологических возможностей установок чёткой ректификации бензиновой фракции за счет получения дополнительных высокооктановых компонентов и сырья процесса изомеризации 304
5.3. Совершенствование процессов стабилизации прямогонных бензинов на основе перекрёстноточных насадочных контактных устройств 308
5.3.1. Результаты промышленного обследования колонны стабилизации прямогонного бензина, оборудованной клапанными прямоточными тарелками 308
5.3.2. Совершенствование технологии стабилизации на основе принципиально новых контактных устройств 313
5.3.3. Внедрение и промышленное обследование энергосберегающей технологии стабилизации прямогонного бензина на установке 22-4 ОАО «Орскнефтеоргсинтез» 319
5.3.4. Результаты математического моделированияработы колонны стабилизации с целью оценки тепломассообменной эффективности установленных насадочных модулей 320
5.3.5. Основные результаты реконструкции колонны стабилизации прямогонного бензина в перекрестно-противоточный насадочный аппарат 322
5.4. Исследования по применению перекрёстноточных насадок при разработке технологии стабилизации гидроочищенных бензинов 324
5.4.1. Исследования по оценке технологических возможностей действующих стабилизаторов гидроочищенных бензинов 326
5.4.1.1. Граничные условия выделения стабильных гидрогенизатов, определяющие материальный баланс процесса 326
5.4.1.2. Определение эффективности работы колонны стабилизации гидрогенизата оборудованной S-образными тарелками 328
5.4.2. Разработка технологии стабилизации гидрогенизата, базирующейся на применении перекрёстноточных насадок - 335
5.4.2.1. Исследования по выбору давления в колонне стабилизации 337
5.4.2.2. Исследования по уровню ввода сырья в колонну стабилизации 338
5.4.2.3. Оптимизация энергозатрат в процессе стабилизации гидрогенизата 340
5.4.2.4. Увеличение выхода стабильного гидрогенизата за счёт увеличения разделительной способности перекрёстноточной насадочной колонны 341
5.4.2.5. Разработка конструкции перекрёстноточных насадочных модулей на основе конструктивно-технологического подхода 3 5.4.3. Предлагаемая технология стабилизации гидроочищенного бензина в перекрёстноточной насадочной колонне 343
5.4.4. Основные результаты внедрения перекрёстноточных насадочных колонн в процессах стабилизации гидрогенизатов каталитического риформинга 3 5.4.4.1. Результаты внедрения технологии стабилизации гидрогенизата каталитического риформинга, базирующейся на применении перекрёстноточных насадочных контактных устройств 345
5.4.4.2. Результаты промышленного обследования технологии стабиолизации гидрогенизата каталитического риформинга, базирующейся на применении клапанных тарелок фирмы «Глитч» 348
5.4.4.3. Технико-эксплуатационные показатели колонн стабилизации гидрогенизатов каталитического риформинга, оборудованных насадочными и тарельчатыми контактными устройствами 350
5.5. Разработка энергосберегающих технологий для установок
газофракционирования 352
5.5.1. Разработка энергосберегающей технологии получения пропановой фракции высокой чистоты для ОАО «Ярославнефтеоргсинтез» 353
5.5.2. Результаты реализации технологии получения пропановой фракции на установке ГФУ в одной перекрёстноточной насадочной колонне 364
5.5.3. Разработка энергосберегающей технологии газоразделения при получении пропан-бутановой фракции на Оренбургском ГПЗ 368
5.5.4. Внедрение разработанной технологии получения пропан-бутановой фракции на Оренбургском ГПЗ 382
Основные выводы по главе 5 390
6. Расчётные исследования по эффективности контактных устройств в укрепляющей и отгонной секциях колонны и общие рекомендации по использованию перекрестноточных насадочных контактных устройств 394
6.1. Исследования по эффективности контактных устройств различного типа 396
6.2. Общие рекомендации по использованию различных типов перекрёстноточных насадок 402
6.3. Влияние диффузии на эффективность работы контактных устройств ректификационных колонн 409
Основные выводы по главе 6: 416
Основные выводы 417
Литература
- Реконструкция колонного оборудования в процессах ректификации с заменой тарелок на регулярную насадку
- Основные характеристики компонентов сырья, использованного на промышленном стенде
- Анализ преимуществ перекрестноточных каплеуловителей и разработка перекрестноточных насадочных зон питания
- Результаты первого этапа реконструкции перекрёстноточной насадочной колонны К-1 установки ЭЛОУ-АВТ
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Энергосбережение в настоящее время является одной из приоритетных задач эффективного развития промышленности. Поскольку процессы ректификации очень энергоёмкие и наиболее распространенные массообменные процессы в химической технологии, то их энергоэффективность часто определяет экономику производства в целом.
Разработка ресурсо- и энергосберегающих технологий должна базироваться на использовании контактных устройств с высокой эффективностью, и низким перепадом давления. Для решения этих вопросов в процессах вакуумной перегонки мазута весьма успешно на данный момент применяются насадочные контактные устройства. Новые перспективные типы массообменных устройств - перекрёстноточные насадки, в отличие от противоточных, наряду с низким перепадом давления обладают большей гибкостью конструктивного оформления, значительно расширяющей диапазон их эффективного использования. В данной диссертационной работе рассмотрены актуальные исследования по разработке и реализации ресурсо-энергосберегающих технологий в многотоннажных процессах нефте- и газопереработки под различными давлениями, базирующихся на применении перекрёстноточных насадок.
Степень разработанности темы. На основе систематизации данных по ректификации непрерывных и многокомпонентных смесей на контактных устройствах различных типов, с точки зрения организации взаимодействия потоков пара и жидкости, проанализированы преимущества применения перекрёстноточных насадок, позволяющие одновременно обеспечивать высокую эффективность массообмена, низкий перепад давления и широкий диапазон устойчивой работы и интенсифицировать все основные типы процессов разделения.
Работа выполнена в рамках: комплексной программы Республики Башкортостан «Энергосбережение и повышение энергетической
эффективности на 2010-2014гг.»; программы повышения энергоэффективности ОАО Газпромнефть; программы Интеграции науки и Высшего образования России на 2002-2006гг., корпоративного гранта ОАО НК «Роснефть» в 2011г.
Цель работы разработка и внедрение энергосберегающих технологий, базирующихся на использовании перекрестноточных насадочных контактных устройств в процессах под различными давлениями.
Основные задачи исследования
Обосновать преимущества перекрёстноточной организации контакта фаз и уточнить классификацию контактных устройств с целью формирования общих подходов к интенсификации процессов массообмена.
Провести испытания различных типов перекрестноточных насадочных модулей в промышленных условиях с целью оценки пределов их устойчивой и эффективной работы и изучения возможностей их работы в областях малоэффективных для других типов контактных устройств.
Разработка и исследование ресурсе- и энергосберегающих технологий фракционирования, базирующихся на использовании перекрестноточных насадочных контактных устройств в процессах нефтегазопереработки, оценка эффективности перекрестноточных насадок в широком интервале давлений от 0,05 до 2МПа.
Разработка, исследование, промышленная апробация и внедрение новых типов перекрестноточных и перекрёстно-противоточных насадочных модулей, сравнительная оценка технико-эксплуатационных характеристик перекрестноточных насадок с противоточными насадками и тарелками различных типов.
Научная новизна
Предложена коррекция существующей классификации контактных устройств ректификационных колонн, учитывающая особенности организации контакта фаз в насадочных и тарельчатых системах.
На основе анализа особенностей изменения коэффициентов диффузии по высоте ректификационных колонн, теоретически обоснованы причины
5 уменьшения эффективности массообмена на контактных устройствах отгонной секции по сравнению с укрепляющей секцией.
Разработаны принципиально новые типы насадочных контактных устройств с перекрестно-противоточной организацией контакта фаз типа «заполненный квадрат», обеспечивающие возможность реализации принципа секционирования.
Впервые доказана возможность одновременной оптимизации тепломассообменных и гидравлических характеристик в одном перекрёстноточном либо перекрёстпо-противоточном насадочном контактном устройстве.
Разработаны новые высокопроизводительные и одновременно высокоэффективные конструкции перекрестноточных насадок: «многоходовая полоса», «квадрат в квадрате», позволяющие расширить диапазон их эффективного применения.
Предложен комплексный метод к решению проблем энергосбережения на установках АВТ, заключающийся в одновременной реализации технических решений по оптимизации схемы работы колонн, совершенствовании схемы теплообмена установки и выборе эффективных контактных устройств с низким гидравлическим сопротивлением.
Для перекрестноточных насадок предложен и обоснован конструктивно-
технологический метод, позволяющий минимизировать энергозатраты на
процесс разделения и реализовывать работу конструкции при выбранной
технологии, а не изменять технологию для более эффективного применения
конкретной конструкции контактного устройства.
В диапазоне давлений от 0,05 до 2МПа сформирована база данных по
массообменным и гидродинамическим характеристикам перекрестноточных
насадочных модулей, полученная в условиях промышленной эксплуатации,
обоснована целесообразность их применения и разработаны общие
рекомендации по использованию различных типов перекрестноточных
насадок в ректификационных колоннах технологических установок
нефтеперерабатывающих заводов. Обоснована и доказана возможность реализации перекрёстноточного
насадочного аппарата с вариативной разделительной способностью секций и
гибкой схемой организации циркуляционных орошений. Практическая значимость работы. Разработаны новые конструкции перекрёсгаоточных и перекрёстно-противоточных насадок: многоходовая полоса, квадрат в квадрате и заполненный квадрат, позволяющие расширить диапазон их эффективного применения по пару в два раза (до F-фактора 7Па ' ) по жидкости в 1,5 раза (до плотности орошения 193м3/м2ч).
Успешно реконструировано с заменой тарельчатых контактных устройств на перекрёстноточные насадочные 13 колонн с увеличением разделительной способности в 1,3-3,1 раза на четырёх нефтеперерабатывающих предприятиях страны.
Предложен и реализован в промышленности ряд энерго и ресурсоэффективных технологий для процессов фракционирования в нефтегазопереработке. На ОАО «Орскнефтеоргсинтез» реализованы: технологии фракционирования мазута с вариативной разделительной способностью вакуумной колонны за счёт многоуровневого отбора масляных дистиллятов и гибкой схемы организации циркуляционных орошений на двух установках (АВТ-2, ЭЛОУ-АВТ-3); технологии частичного отбензинивания нефти на двух установках (ЭЛОУ-АВТ, АВТ-3, где снижен расход топлива на 17-25%, экономический эффект 30,22млн. руб в ценах 2008г); технологии атмосферной перегонки нефти на четырёх установках (АТ-5, АВТ-2, ЭЛОУ-АВТ, ЭЛОУ-АВТ-3); технологии стабилизации широкой бензиновой фракции на установке 22-4 (выход стабильного бензина увеличен на 8%; экономический эффект 35,5 млн. руб. по ценам 2004 года); стабилизации гидроочищенного бензина на блоке гидроочистки установки ЛГ-35-11-300/95 (разделительная способность колонны стабилизации гидроочищенного бензина повышена в 3,1 раза при снижении энергозатрат на 20% и увеличении отбора стабильного
7 гидрогенизата на 8%. экономический эффект 2,2 млн. руб. по ценам 2004 года). На ОАО «Ярославнефтеоргсинтез» разработана и внедрена технологій получения пропановой фракции высокой чистоты в новой колонне, на Оренбургском ГПЗ - технология получения пропан-бутановой фракции, на установке ФУС ООО «БИТУМ» (г. Салават) разработана и реализована технология атмосферной перегонки нефти в двух новых насадочных колоннах.
Результатами промышленных обследований доказана целесообразность применения перекрестноточных насадочных контактных устройств, для реализации энергосберегающих технологий фракционирования в вакуумных, атмосферных колоннах и колоннах, работающих при высоких давлениях, получены их эксплуатационные характеристики, которые могут быть использованы при реконструкции действующих и проектировании новых ректификационных колонн.
Получены одиннадцать актов по результатам внедрения перекрестноточных насадочных аппаратов в промышленности и использованию данных разработок при курсовом, дипломном проектировании и выполнении научно-исследовательских работ студентов и магистрантов. Общий экономический эффект от внедрения разработанных технологий более 70 млн. руб. Методология и метод исследования. Расчёты перекрестноточных тарельчатых и насадочных аппаратов выполнены по программе, разработанной в УГНТУ профессорами Марушкиным Б.К., Кондратьевым А. А. и Умергалиным Т.Г. В основу программы заложен модифицированный релаксационный метод расчёта процесса разделения многокомпонентной смеси, базирующийся на уравнении однократного испарения с учётом теплового баланса ступени. Программа апробирована сорокалетним опытом моделирования ректификационного оборудования с учётом теоретических и реальных ступеней контакта.
Апробация работы. Разработанные научные положения, технические и технологические результаты работы докладывались на: Межгосударственной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (г.Тюмень 1993г.), I съезде химиков, нефтехимиков, нефтепереработчиков и работников
8 промышленности стройматериалов Республики Башкортостан (г.Уфа, 1992г.), V Международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов», 1999г., г.Уфа; VI Международной конференции по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-2002», г.Нижнекамск; I Международных научных Надировских чтениях «Научно-технологическое развитие нефтегазового комплекса», республика Казахстан, г.Алматы-Атырау, 2003г.; I-IV Международных научных конференциях «Теория и практика массообменных процессов химической технологии (Марушкинские чтения)» г.Уфа (1996, 2001, 2006, 2011гг.); Научно-практических конференциях «Нефтепереработка и нефтехимия» (г.Уфа, 2002, 2003г.) и «Современное состояние процессов переработки нефти» (г.Уфа, 2004г.), «Нефтепереработка и нефтехимия» (2005г.) и «Нефтегазопереработка» (2006-2013гт.) г.Уфа; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук», г.Уфа, 2005-2012ГГ.; XIII Международной научно-практической конференции INTECH-ENERGY «Новые процессы, технологии и материалы в нефтяной отрасли XXI века» (г.Москва), X Mezinarodni Devecko-Practika konferenc Veda A Technologie: «Krok Do Buduocnosti-2014» (Praha).
Положения, выносимые на защиту. Автор защищает совокупность результатов экспериментальных и научных исследований по теоретическому обоснованию, разработке, внедрению ряда ресурсе- и энергосберегающих технологий в процессах под различными давлениями, базирующихся на применении перекрёстноточных насадочных контактных устройств. Степень достоверности полученных результатов. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы анализом научно-технической литературы, накопленного опыта оснащения ректификационных колонн перекрестноточными регулярными насадками на ряде НПЗ, результатами успешного внедрения в нефтепереработку с большим экономическим эффектом разработок соискателем энергосберегающих технологай разделения для тринадцати аппаратов работающих в пределах изменения давлений от 0,05 до 2МПа на четырёх различных НПЗ.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 115 публикациях, в том числе 2 авторских свидетельствах СССР на изобретение, 62 статьи из которых 19 опубликованы в ведущих рецензируемых журналах.
Структура и объём работы. Диссертация включает: введение, шесть глав, основные выводы, список литературы, приложения. Общий объём работы включает 560 с, в том числе: 173 рисунка и 84 таблицы, приложения на 86с. В списке литературы имеется 559 наименований.
Реконструкция колонного оборудования в процессах ректификации с заменой тарелок на регулярную насадку
Регулярные насадки отличаются упорядоченной ориентацией отдельных структурообразующих элементов в пространстве и их разделяют на две группы - с индивидуальной укладкой и блочные (в том числе рулонные).
Регулярная насадка с индивидуальной укладкой состоит из отдельных элементов (кольца, треугольные призмы с постоянным или переменным по высоте сечением), которые располагают в корпусе колонны слоями. В смежных по высоте слоях для предотвращения образования сквозных каналов они смещены друг относительно друга. Для упрощения монтажа такой насадки отдельные элементы могут быть предварительно собраны в контейнеры, которые затем устанавливают в корпусе колонны. Широкого применения в промышленности насадки с индивидуальной укладкой не получили, так как это резко увеличивает трудоемкость и себестоимость монтажа.
Блочные насадки представляют собой пакет вертикальных пластин, параллельных оси колонны. Пластины состоят из просечно-вытяжного листа с горизонтальными гофрами. На гофрах имеются отогнутые выступы с отверстиями, направленными вниз. Эти выступы обеспечивают определенное расстояние между пластинами. Жидкость стекает по гофрам в виде пленки, причем пленочное движение сохраняется при любых нагрузках по жидкости и газу. Благодаря этому обеспечивается стабильная характеристика эффективности в широком диапазоне нагрузок. Газ движется снизу вверх в зазорах между гофрированными листами, причем расстояние между листами обеспечивает низкое гидравлическое сопротивление насадки [187, 205, 206, 243, 475, 557-559].
На рисунке 1.1 приведены варианты регулярной блочной насадки. Известны регулярные насадки фирмы "Sulzer", представляющие собой пакет гофрированных листов. Гофрирование листов выполнено под фиксированным к вертикальной оси углом (чаще 30 или 45) и на смежных листах направлено в противоположные стороны. Имеются модификации такой насадки, изготавливаемые из различных материалов: стального рифленого листа, пластмассы, керамики, фарфора, стекла, графитового волокна. Для колонн диаметром от 200 до 12000мм фирма "Sulzer" рекомендует насадку Меллапак, выпускаемую 12 типов. На рисунке 1.1а показан элемент насадки Меллапак 250. У (число характеризует величину удельной поверхности насадки в м /м , а У указывает на то, что гофрирование листов выполнено под углом 45).
Конструкция блочной регулярной насадки Инталлокс, разработанная фирмой "Norton", представлена на рисунке 1.1.6 и образована из стальных гофрированных листов. Каждый лист при гофрировании делится на несколько участков (рисунок 1.1.6)- три участка с отгибкой металла в противоположные стороны. В местах перехода выполняются просечки, что способствует эффективному обновлению поверхности массообмена.
Насадка Ваку-пак разработана совместно ВНИИнефтемашем и фирмой "Apparate-und Anlagenbau Germania" (рисунок 1.1.в). Она образована из вертикальных гофрированных пластин, изготовленных из просечно-вытяжного листа. Поверхность пластин имеет арочные просечки, направленные вниз и ориентированные в противоположные стороны с обеих сторон пластин. За счет этих просечек обеспечивается зазор в 20мм между соседними гофрированными пластинами. Такая насадка имеет удельную поверхность 115м2/м3, свободный объем 98% и объемную массу 150кг/м3. Среди регулярных насадок получили распространение сетчатые насадки, к которым относится и насадка, разработанная Г.М. Панченковым (рисунок 1.1.г). Насадка Панченкова представляет сотканную из пучка металлических проволочек ленту, поверхность которой гофрирована в форме шеврона с углом при вершине 120. Такую насадку в колонне устанавливают в виде рулонов высотой 100мм, расположенных друг над другом и плотно прилегающих к стенке колонны. [13, 36, 210, 363-366].
Насадка ВАКУПАК была испытана на холодном и горячем стендах при ректификации системы толуол-ксилол при давлении 15,06; 50,39кПа и атмосферном. Результаты испытания приведены на (рисунок 1.2 и 1.3). [363]
Отличаясь высокой производительностью, низким перепадом давления и большим сроком службы, насадка ВАКУПАК обеспечивает надежную работу колонн самого разного назначения от вакуумных для перегонки мазута до абсорберов, работающих при высоком давлении.
По рабочим характеристикам насадка ВАКУПАК очень близка к насадке Меііараск 125У. Высота, эквивалентная одной теоретической тарелке, - ВЭТТ составляет 0,5-1,1м. Такая эффективность достаточна для успешного конкурирования с тарельчатыми контактными устройствами в большей части процессов переработки нефти, особенно в процессах с жесткими ограничениями по перепаду давления и высокими требованиями к производительности аппарата.
Однако часто для реализации процессов четкого разделения, а также при реконструкции действующих колонн, когда требуется без наращивания их высоты существенно повысить качество продуктов, необходима более эффективная насадка с меньшей ВЭТТ. Для этой цели НІЖ «Кедр-89» разработала новую объемно-структурированную насадку КЕДР. [291-293, 363-365]. Повышение эффективности новой насадки достигнуто в результате увеличения удельной поверхности в единице объема слоя насадки и повышения эффективности использования этой поверхности путем оптимальной организации потоков контактирующих фаз. Насадка представляет собой пакет вертикальных листов с двунаправленным гофрированием, обеспечивающим обеим фазам возможность перехода в смежные каналы, образованные гофрами. Для улучшения смачивания насадки и создания более равномерной пленки жидкости на поверхности листов перед гофрированием наносят мелкое рифление.
Удельная поверхность новой насадки - 267-400м2/м3. Чтобы избежать чрезмерного увеличения удельной металлоемкости, новую насадку изготавливают из листа высоколегированной стали толщиной 0,2мм. Насадки КЕДР и КЕДР М имеют при удельной поверхности соответственно 267 и 400м2/м3 удельную металлоемкость 210 и 314кг/м3.
Результаты исследования насадки КЕДР сравнивали с литературными данными о насадке Меііараск 250У, близкой по удельной поверхности, а также с данными ее испытаний на стенде РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина. На рисунке 1.4 приведена зависимость перепада давления от F- фактора для «сухой» насадки КЕДР и при разной плотности ее орошения.
Результаты испытаний (рисунок 1.4 и 1.5) насадок КЕДР и Меііараск 250У показали их близость по производительности и перепаду давления, так как удельные поверхности этих насадок очень близки. [292]
Основные характеристики компонентов сырья, использованного на промышленном стенде
В целях оптимизации и выравнивания жидкостных и паровых нагрузок по сечению блока насадки нами были предложены также конструкции насадочных блоков со скруглением острых углов [34]. Элементы насадок (конструкции УНИ) однотипны, просты, изготавливаются из сетчато-вязаного рукава, вязаной сетки, просечно-вытяжного листа. Регулярность структуры обеспечивается дистанционными прокладками. Пространственное расположение контактных элементов может быть вертикальным, наклонным (в соответствии с расчетным углом наклона) [67, 245, 380] или горизонтальным.
Таким образом, перекрёстноточные насадочные контактные устройства уже достаточно распространены в процессах ректификации и вполне конкурентоспособны с противоточными насадочными устройствами. Необходимо рассмотреть их место в общей классификации контактных устройств для обоснования возможности их применения для разработки ресурсо-энергосберегающих технологий. 1.6. Анализ существующей классификация контактных устройств и результатов внедрения конструкций массообменных аппаратов с точки зрения организации контакта фаз
Контактные устройства, по определению - это устройства на которых реализуется процесс тепло-массообмена, следовательно, в целом они имеют одинаковые функции. Однако следует отметить, что классификация по способу организации контакта фаз, получившая широкое распространение для тарельчатых контактных устройств на данный момент не распространена для насадочных контактных устройств. Согласно существующей классификации, тарелки делятся на противоточные, прямоточные, перекрестноточные и перекрёстно-противоточные, а насадки делятся на регулярные и нерегулярные (рисунок 1.19 [13]).
Нерегулярные насадки представляют дискретные насадочные контактные элементы (кольца, сёдла и т.д.), которыми хаотично заполнен объём ректификационного пространства колонны. Регулярные насадки - это конкретно оформленные макроструктуры в виде стандартизованных пакетов из сетки, гофрированных и просечно-вытяжных листов, обеспечивающих организованную структуру взаимодействия пара и жидкости в объёме. Принятая классификация насадок учитывает лишь конструктивные особенности формирования контактного устройства и не учитывает специфики организации контакта фаз.
Учитывая возможность применения достижений исследователей тарельчатых контактных устройств к насадкам, а так же одинаковые функции контактных устройств, вполне закономерно предположить, что насадки по организации контакта фаз также должны делиться на противоточные, перекрёстноточные и перекрёстно-противоточные (рисунок 1.20). Такой дополнительный подход к классификации современных насадочных контактных устройств, продиктован на данный момент практикой развития и совершенствования массообменного оборудования, поскольку насадочные колонны различных типов уже существуют, а в общую классификацию контактных устройств они не включены.
Таким образом, выполнение основных требований теории массообмена привело к созданию принципиально разных контактных устройств, развивающихся в данный момент в различных направлениях. Тарельчатые контактные устройства обладают хорошими КПД, меньшей металлоемкостью, но, как правило, более высоким гидравлическим сопротивлением и низкой энергоэффективностыо, по сравнению с насадками. Насадочные контактные устройства не всегда характеризуются высокой эффективностью, но, как правило, характеризуются хорошей энергоэффективностыо, то есть меньшим перепадом давления.
Возникает вопрос, почему тарельчатые и насадочные контактные устройства, обладая одинаковыми функциями, развиваются практически в противоположных направлениях. Видимо, различный механизм взаимодействия потоков пара и жидкости привёл к тому, что общие направления развития некоторое время не рассматривались в литературе. Но различный механизм взаимодействия потоков (барботажный и струйный) характерен и для различных представителей одной группы - тарельчатых контактных устройств. Отсюда следует, что механизм взаимодействия потоков не может быть камнем преткновения для создания единой теории контактных устройств. Необходимо уточнить существующую классификацию, изменить акценты и обозначить наиболее важные критерии в методологии развития конструктивного оформления контактных устройств, которые, возможно, позволят объяснить причины столь различных технико-эксплуатационных характеристик, на данный момент, и понять перспективы и направления дальнейшего развития конструктивного оформления контактных устройств, для создания высокоэффективных контактных устройств с малым гидравлическим сопротивлением. На наш взгляд, таким критерием, позволяющим объединить хотя бы три основных показателя работы контактных устройств, таких как производительность, эффективность взаимодействия и гидравлическое сопротивление, является организация контакта фаз не в целом по аппарату, а на каждом контактном уровне.
Взаимосвязь перепада давления и эффективности тарельчатых контактных устройств, обсуждалась ранее в работах исследователей [298]. В этих работах было установлено, что наиболее удачным сочетаниям этих характеристик обладают перекрёстноточные тарельчатые контактные устройства. Однако, согласно литературным данным, для тарелок, как для контактных устройств, на данный момент существует отдельная классификация с точки зрения организации контакта фаз [13].
К противоточным регулярным насадкам, относятся все насадки, внедряемые на данный момент в нашей стране ведущими мировыми научно-инжиниринговыми фирмами (Кох-Глитч, Зульцер, и т.д.), а так же противоточные насадки отечественных производителей массообменного оборудования: насадки Вниинефтемаш, фирмы ОАО НПК «Кедр» и т.д. Достаточно подробно результаты их внедрения рассмотрены в предидущем разделе.
Перекрестноточные насадочные аппараты впервые были применены в процессах охлаждения воды в градирнях и процессах абсорбции газа [543, 544]. Исследованием преимуществ перекрестноточной организации контакта фаз и результатов внедрения данного типа аппаратов в процессах массообмена посвящен ряд работ зарубежных исследователей Л.Тибодо, К.Питтевей и др.[523,543, 544]. Из отечественных аналогов интересна работа Рощина Б.Е., Шендерова, Дильмана [298], в которой отмечается, что традиционные противоточные насадочные и перекрестноточные тарельчатые массообменные колонны обладают рядом особенностей, ограничивающих их производительность и эффективность. С одной стороны, повышение нагрузок в этих аппаратах приводит к уносу или захлебыванию, лимитирующему их пропускную способность. С другой стороны, взаимодействие фаз в этих конструкциях колонн характеризуется сравнительно небольшими относительными скоростями и весьма стабильными структурами межфазных поверхностей (при барботажном режиме). Между тем, именно эти факторы во многих случаях являются решающими для повышения интенсивности процессов переноса. Отсюда понятна актуальность создания контактных устройств, в которых увеличение локальных относительных скоростей не сопровождалось бы ограничением пропускной способности аппарата и приводило бы к образованию газожидкостных структур с развитой, но существенно нестабилизированной (т.е. интенсивно обновляемой) межфазной поверхностью.
Анализ преимуществ перекрестноточных каплеуловителей и разработка перекрестноточных насадочных зон питания
Программа проведения промышленных испытаний в основном была выполнена. Параметры технологических режимов предварительно рассчитанные по программе УГНТУ, в основу которой заложен модифицированный метод релаксации были реализованы на реальной бинарной системе толуол-ортоксилол. Это ещё раз подтвердило адекватность выбранного метода расчёта и метода исследования вцелом. Вследствие сложности обеспечения стабильной работы мощного насосного оборудования на малых производительностях не были реализованы только варианты с низким расходом сырья 1т/ч, которые были заменены вариантами с более высокой по производительностью по сырью на уровне 4т/ч. В целом, было проведено двадцать различных опытов. Основные показатели реализованных технологических режимов, полученные за период работы промышленного стенда представлены в таблице приложений П2.3.
Для возможности проведения сравнительного анализа результатов исследований с планом и программой проведения экспериментов в таблице П2.3 и в следующих материалах по результатам исследований, номера опытов приведены с двойной нумерацией (прежняя нумерация по плану экспериментов в соответствии с таблицей П2.1и дополнительная графа с новой нумерацией опытов). Следует отметить, что для дополнительно проведённой серии исследований с увеличенными расходами сырья 4т/ч указаны номера выше девятнадцати.
Хотелось бы отметить, что технологические режимы, представленные в таблице Ш.З, были выбраны не в целях получения максимальной разделительной способности, а в целях раширения области изменения эффективности разделения (КПД). В этой связи нас больше интересовала граница области рабочих, и нерабочих диапазонов для перекрёстноточных насадочных контактных устройств различного типа. Такие гранично предельные режимы не могут быть реализованы при обследовании на реальных промышленных объектах, где мы вынуждены ограничивать себя требованиями получения качественных продуктов фракционирования. В этой связи только горячий промышленный стенд даёт возможность получения низкой, средней, высокой эффективности разделения, граничащей с предельно допустимой областью неустойчивой работы и резким снижением эффективности в принципе. Таким образом, именно расширение области эффективной работы контактных устройств данного типа представляло основной интерес при данных промышленных испытаниях.
Анализ базы данных по концентрациям компонентов для двадцати семи пробоотборных точек каждого из режимов исследования, полученным по откорректированному тарировочному графику показал, что характерные устойчивые зависимости зафиксированы не для всех опытов предусмотренных в программе. В некоторых опытах из-за неточного соблюдения методики отбора и анализа проб была потеряна часть лёгкой фазы (толуола). Для некоторых опытов вследствие разных причин (нестабильной температуры высокотемпературного органического теплоносителя, подаваемого в термосифонный кипятильник и т.д.) не был обеспечен устойчивый технологический режим. Вследствие того, что выбранный нами метод математической обработки результатов исследования (программа расчёта процесса ректификации УГНТУ) обеспечивал возможность работы только со статическими параметрами, математическое моделирование динамического режима не дало адекватных результатов. Однако, вцелом было зафиксировано десять технологических режимов с логичными и вполне объяснимыми результатами позволившими после математического моделирования сделать выводы о пределах изменения КПД и о зависимости эффективности модулей (КПД) от их конструктивного оформления, а так же от удельных нагрузок по пару и жидкости. 2.8. Обработка основных результатов промышленных испытаний методом математического моделирования
В целях определения общего характера зависимости КПД от удельных паровых и жидкостных нагрузок (F-фактора и плотности орошения) на четвёртой заключительной стадии исследований была проведена обработка результатов промышленных испытаний методом математического моделирования каждого из полученных режимов с определением среднего КПД по секциям колонны, и КПД для каждого контактного устройства.
При этом были выбраны следующие критерии математического моделирования: технологические режимные параметры (температуры по высоте ректификационной колонны К-1, расходы потоков дистиллята, остатка и орошения); качество дистиллята и остатка ректификационной колонны К-1; качество уходящих потоков пара и жидкости для двенадцати перекрёстноточных насадочных модулей.
После этапа математического моделирования для полученных значений эффективности (КПД) каждого насадочного модуля исходя из общих парожидкостных нагрузок и сечений для прохода пара и жидкости (таблица 2.1) нами были рассчитаны значения удельных паровых и жидкостных нагрузок (F-фактор, плотность орошения соответственно). F= yv4p, где F- F-фактор (фактор удельной паровой нагрузки), Па0 5; w- скорость потока пара, м/с; р- плотность пара, кг/м3; П=У/Б, где 77-плотность орошения, м3/(м2ч); V- объёмный расход жидкости, м3/ч; S- сечение для прохода жидкости, м2. Поскольку для правильного выбора конструкции используемых насадочных модулей при проектировании необходимы области эффективной и устойчивой работы перекрёстноточных насадочных контактных устройств различного типа, то на следующем этапе обработки результатов экспетиментальных исследований нами были построены зависимости КПД от F-фактора и плотности орошения для исследуемых насадочных модулей.
Следует отметить, что наши результаты подтвердили ранее полученные результаты [32, 168,171,210-215,232,391] по повышению КПД при увеличении паровых и жидкостных нагрузок. Влияние плотности орошения на эффективность насадочных модулей (КПД) типа «одна полоса» при разных значениях F-фактора показана на рисунке 2.12. Данные для построения рисунка были получены при анализе КПД насадочных модулей типа «одноходовая (или одна) полоса» отличающихся по геометрическим размерам, расположенных в укрепляющей секции колонны. Из графика видно, что при значениях F-фактора ниже 2Па0 5 и плотностях орошения ниже 8-9м3/м2ч диапазон изменения КПД не стабильный. Гарантированно высокий и стабильный результат по КПД (на уровне 85-90%) обеспечивается при величинах F-фактора больше 2Па 5 и плотностей орошения больше 6-9м /м2ч.
Для конструкций «одноходовая» и «двухходовая полоса», расположенных в отгонной части колонны на рисунке 2.13 показано влияние F-фактора на КПД насадочных модулей при высоких плотностях орошения 49-50м3/м2ч. Увеличение эффективности для модулей типа «одноходовая полоса» от 40 до 90% в этом случае так же наблюдается при повышении F-фактора от 1,5 до 3,5Па0 5. Для модулей типа «двухходовая полоса» впервые получены высокие значения КПД на уровне 70% и выше при запредельно высоких величинах F-фактора 4,5-7Па0 5. Это один из самых значимых результатов проведённых исследований.
Результаты первого этапа реконструкции перекрёстноточной насадочной колонны К-1 установки ЭЛОУ-АВТ
Обеспечение основных технологических проектных показателей и достижение более высоких по сравнению с проектом значений по тепломассообменой эффективности свидетельствовало об удачном выборе конструктивного оформления насадочных модулей и о высоком качестве проекта реконструкции, в целом.
Важной целью проводимого нами обследования было также сравнение эффективности насадочных модулей и разделительной способности секции фракционирования вакуумного соляра и веретенного дистиллята (секции укрепления вакуумного соляра) при различных схемах организации циркуляционных орошений.
Согласно результатам обследования КПД перекрёстноточных насадочных блоков в этой секции изменился на 0,05%: 0,85 (режим I) ; 0,9 (Пи III режим). При организации II ЦО по типовой схеме на трёх блоках, как и следовало ожидать возрос перепад давления в данной секции и укрепляющей секции в целом.
Разделительная способность исследуемой секции, оценивалась произведением флегмового числа (R) на число теоретических тарелок (N). Флегмовое число R рассчитывалось классическим способом по отношению потока жидкости, стекающей с контактной ступени g к количеству отбираемого дистиллята D (R=g/D). Разделительная способность секции укрепления вакуумного соляра R N снизилась в 1,7 раза при реализации типовой схемы разделения (рисунок 3.28 схема 2), что в итоге привело к ухудшению фракионного состава обоих дистиллятов (вакуумного соляра и I масляного дистиллята). Однако, следует отметить, что в данном случе снижение разделительной способности связано с уменьшением флегмовьгх чисел, вследствие значительного изменения материального баланса (отбора дистиллята D). Самое высокое флегмовое число (14) поддерживалось в режиме I при самом низком отборе вакуумного соляра. Во II и III режимах работы вакуумной колонны К-4, отбор вакуумного соляра увеличился в четыре раза (с 1,6т/ч до 6,6т/ч), что привело к значительному снижению флегмовых чисел и уменьшению разделительной способности в секции укрепления вакуумного соляра.
Для того, чтобы незначительно снижать флегмовые числа в секциях укрепления дистиллятов рекомендуется [2-4] при работе колонн по схемам с двухуровневым съёмом тепла основное количество тепла (около 80%) сниамать верхним циркуляционным орошением (I ЦО). Эти рекомендации были учтены нами в период обследования. Теплосъём вторым циркуляционным орошением (II ЦО) в момент обследования по обеим схемам составлял 15-19% (19% схема 1 «на проток», режим I; те же 19% схема 2 режим III; 15% схема 2, режим II ). Это доказывает возможность инвариантности съёма тепла по различным схемам в том же количестве.
Дополнительный положительный опыт по увеличению гибкости технологии фракционирования заключался в доказательстве возможности повышения производительности колонн, имеющих меньший диаметр верхней части укрепляющей секции за счёт организации дополнительного ЦО. Использование схем с одним верхним циркуляционным орошением становится фактором ограничивающим повышение их производительности особенно в условиях процессов «сухой» глубоковакуумной перегонки, так как максимальные паровые нагрузки наблюдаются, именно, в верхней секции перед зоной циркуляционного орошения. Полученный нами опыт организации дополнительного гибкого циркуляционного орошения доказал возможность варьирования схемы работы колонны, схемы теплообмена, увеличения степени использования высокопотенциального тепла, повышения производительности установки, изменения ассортимента вырабатываемой продукции даже в аппаратах имеющих ограничения по диаметру.
Таким образом, математическое моделирование результатов промышленного обследования технологии «сухой» глубоковакуумной перегонки мазута на вакуумном блоке установки ЭЛОУ-АВТ-3 ОАО «Орскнефтеоргсинтез» показало, что разработана и реализована вакуумная перекрестноточная насадочная колонна, с варьирующейся разделительной способностью секций за счёт изменения схемы организации ициркуляционных орошкений и смещения уровней отбора масляных дистиллятов, которая обеспечивает высокую стабильность и эффективность работы при изменении ассортимента вырабатываемых масленых дистиллятов. Сравнительный анализ тепломассообменой эффективности в условиях присутствия и отсутствия водяного пара показал более высокую фракционирующую способность перекрёстноточнои насадки в условиях «сухой» глубоковакуумной перегонки.
На установке ЭЛОУ-АВТ-3 ОАО «Орскнефтеоргсинтез» разработана и реализована технология «сухой» глубоковакуумной перегонки мазута в вакуумной перекрёстноточнои насадочнои колонне К-4, обеспечивающая высокий суммарный отбор двух целевых масляных дистиллятов заданного качества на уровне 15%. Высокая стабильность и устойчивость работы колонны наглядно демонстрируется малым разбросом данных на кривых ИТК продуктов разделения для всех трёх режимов обследования приведённых на рисунке 3.36. Высокая эффективность и четкость фракционирования мазута в вакуумной колонне К-4 подтверждается малым углом наклона кривых ИТК на рисунке 3.36, а так же получением 78-90С масляных дистиллятов с незначительным наложением между 95% и 5% об. точками их перегонки, согласно данных по температурным пределам выкипания приведённых в таблице 3.14.
