Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор основных литературных данных по гидродинамике и массообмену длятрубчато-решетча-тых тарелок провального типа,
1.1. Конструктивные особенности и основные гидродинамические характеристики провальных тарелок
1.2. Гидродинамические режимы, предельные и рабочие нагрузки
1.3. Гидравлическое сопротивление сухих и орошаемых тарелок
1.4. Высота и плотность газожидкостного слоя
1.5. Массообмен на трубчатых тарелках
ГЛАВА 2. Опытные установки и методики проведения экспериментов
ГЛАВА 3. Обработка опытных данных и обобщение результатов исследований по гидродинамике трубча-то-решетчатых тарелок
3.1. Гидродинамическая обстановка на орошаемых трубчатых тарелках
3.2. Анализ экспериментальных данных по предельным нагрузкам
3.2.1. Влияние плотности орошения
3.2.2. Влияние давления (плотности газовой фазы)
3.2.3. Влияние свободного сечения тарелки
3.2.4. Влияние диаметра аппарата
3.3. Обобщение экспериментальных данных по предельным нагрузкам
Обобщение экспериментальных данных по сопротивлению тарелок и относительной плотности барботажного слоя 84
Конструкция и особенности работы модифицированной трубчато-решетчатой тарелки с сеткой .
Основные уравнения для расчета гидродинамики 91
Обработка опытных данных по эффективности и масиооомену на труочато-решетчатых тарелках 100
Сравнительные исследования эффективности труочатых тарелок в процессе абсорбции углеводородных газов 100
Исследование работы абсорбера с трубчатыми тарелками в режиме деметанизатора Ю6
Массообмен на трубчатых провальных тарелках в процессе абсорбции углеводородных газов П2
Внедрение результатов исследований в производство 121
Выводы 131
Литература
- Гидродинамические режимы, предельные и рабочие нагрузки
- Высота и плотность газожидкостного слоя
- Влияние давления (плотности газовой фазы)
- Конструкция и особенности работы модифицированной трубчато-решетчатой тарелки с сеткой
Введение к работе
директивами ХХУІ съезда КПСС по одиннадцатому пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР предусматривается дальнейшее совершенствование топливно-энергетической базы страны и придается особое значение всемерной экономии всех видов топливных ресурсов.
Важной задачей в этом плане является максимальная утилизация попутного нефтяного газа, значительная часть которого в настоящее время бесполезно сжигается на факелах. Резкое снижение потерь попутного газа может быть достигнуто лишь при значительном сокращении сроков строительства и ввода в эксплуатацию газоперерабатывающих заводов (ГПЗ), где осуществляется подготовка газа к дальнему транспорту и получение из него ценных индивидуальных компонентов. Таким образом совершенствование технологических схем и аппаратурного оформления ГПЗ является актуальной технической задачей.
Массообменные процессы при переработке газа являются важнейшей технологической стадией, а колонные аппараты для их проведения составляют по металлоемкости среди прочего оборудования сорок и более процентов. В этой связи применение колонн с высокоэффективными и высокопроизводительными тарелками является одним из важных направлений интенсификации и оптимизации установок газоразделения.
Среди извесных типов контактных устройств значительный интерес представляют трубчато-решетчатые тарелки провального типа, которые по производительности в 2 - 2,5 раза превосходят применяемые на ГПЗ нормализованные колпачковые или клапанные тарелки с переливами, а их конструкция позволяет проводить массообменные процессы в неадиабатических условиях со съемом или
подводом тепла на каждой контактной ступени. Применение трубчатых тарелок на ГПЗ позволит значительно интенсифицировать мае-сообменное оборудование за счет уменьшения веса и габаритов колонн, снижения энергозатрат на разделение и получения дополнительной продукции.
Однако внедрение данных контактных устройств на ГПЗ сдерживается из-за отсутствия надежных и исчерпывающих данных по гидродинамике и эффективности этих тарелок в процессах разделения углеводородов.
Исследованию гидродинамических и массообменных характеристик обычных и модифицированных трубчато-решетчатых тарелок с сеткой в условиях разделения углеводородных смесей с целью разработки надежных методов расчета колонн с тарелками данного типа и посвящена настоящая работа.
диссертация состоит из пяти глав.
В первой главе приводится литературный обзор отечественных и зарубежных исследований по трубчатым тарелкам провального типа, анализ которых показал, что гидродинамика и массообмен на данных тарелках в условиях разделения углеводородов исследованы крайне мало, а результаты работ, выполненных на модельных смесях, также немногочисленный часто противоречивы.
Во второй главе даны характеристики объектов исследования и приводится описание экспериментальных стендов, а также методики исследований на этих стендах.
В третьей главе приводятся результаты исследований по гидродинамике обычных и модифицированных трубчатых тарелок с сеткой. Проведено обобщение экспериментальных данных по предельным нагрузкам, сопротивлению и относительной плотности газожидкостного слоя.
В четвертой главе приведены результаты исследований по эффективности обычных и модифицированных трубчато-решетчатых тарелок, выполненные в процессах абсорбции углеводородных газов. Приводятся результаты исследований абсорбера с трубчатыми тарелками в режиме деметанизатора со съемом теплоты абсорбции на каждой контактной ступени. Проведено обобщение экспериментальных данных по эффективности трубчатых тарелок в процессе абсорбции.
В пятой главе приводятся результаты внедрения выполненных исследований в производство.
Работа выполнена на кафедре нефтезаводского оборудования Московского института нефтехимической и газовой промышленности имени И.М.Губкина (МИНХ и ГП) и во Всесоюзном научно-исследовательском и проектном институте по переработке газа (БНИПИгазпереработка).
Гидродинамические режимы, предельные и рабочие нагрузки
Исследованию гидродинамики беспереливных решетчатых и дырчатых тарелок посвящено большое количество работ. Исследования проводились в аппаратах различного диаметра от лабораторных до промышленных размеров, при атмосферном и повышенном давлении и в широком диапазоне изменения физических свойств систем, конструктивных и расходных параметров. Таким образом, гидродинамика этих тарелок изучена достаточно полно и в литературе приводится большое количество уравнений для гидравлического расчета колонн с тарелками данного типа.
Значительно меньше изучена гидродинамика трубчато-решет-чатых провальных тарелок. Среди известных исследований необходимо прежде всего отметить работы, выполненные Молокановым Ю.К. и рядом исследователей под руководством Касаткина А. Г. и Аэро-ва М.Э. Рассмотрим характерные особенности барботажного процесса на провальных тарелках, установленные в этих исследованиях.
Наиболее удобной формой обобщения экспериментальных дан ных по гидродинамике провальных тарелок является интерпретация в логарифмических координатах зависимостей сопротивления и высо ты газожидкостного слоя от скорости газа в полном сечении ко лонны д . Типичная зависимость Д (см.рис.I.I) получена Касаткиным А.Г. и др. /40/ при исследова нии гидродинамики барботажного слоя на трубчатых провальных та релках со свободным сечением \0 =0-26%, изготовленных из дере вянных, винипластовых и стальных прутков . Опыты проводились при атмосферном давлении в колоннах диаметром 80,120 и 400 мм на системах воздух-вода, керосин, водные растворы глицерина и хлористого кальция. Отмечены следующие режимы, возникающие на трубчатых тарелках. При скорости газового потока, меньшей ско рости в точке "А", сопротивление тарелки невелико и жидкость на тарелке не задерживается. Сопротивление в этом режиме опре деляется, в основном, сопротивлением сухой (неорошаемой) тарел ки. При скорости газа (пара), соответствующей точке "А", жид кость начинает задерживаться на тарелке и сопротивление ее резко возрастает до точки "В". В интервале скоростей "В-С" тарелка находится в устойчивом режиме работы, который характеризуется существованием барботажного слоя и непрерывным ростом сопротивления с увеличением скорости газового потока. При скорости газа выше точки "С" сопротивление тарелки и высота газожидкостного слоя резко возрастают, что приводит к нарушению нормального режима работы и, в конечном итоге, к захлебыванию аппарата. Таким образом, предельные нагрузки трубчатых тарелок ограничены, с одной стороны, скоростью образования на тарелке барботажного слоя WmLn , с другой - скоростью захлебывания Wmax . Рабочая скорость газа (пара) должна находиться между указанными предельными скоростями.
Отмечено, что при небольших плотностях орошения, большом свободном сечении тарелки и большой ширине щели перелом в точке "С" отсутствует (кривая 2). Аналогичные зависимости получены и другими исследователями как для трубчатых /73,116/, так и для решетчатых тарелок /2,22,40,46,74/.
В работе /40/ приводится также зависимость высоты газожидкостного слоя от скорости газа в щелях Tin т (Wo) , которая получена в колонне диаметром 120 мм на системе вода-воздух при атмосферном давлении (см.рис.1.2). Характерной особенностью данной зависимости является то, что лишь в начале интервала устойчивой работы высота слоя интенсивно растет с увеличением скорости газового потока, в дальнейшем она практически постоянна. При значениях W Wmax вновь наблюдается резкое увеличение высоты слоя, приводящее к захлебыванию аппарата.
Оптимальным режимом работы провальных тарелок, при котором достигается максимальный съем продукции с единицы объема аппарата, считается режим, близкий к захлебыванию /22/. Исходя из этого, величину допустимой расчетной скорости рекомендуется принимать равной (0,8-0,85) Wmax
Для расчета предельных скоростей VVmm и Yvmax решетчатых, дырчатых и трубчато-решетчатых провальных тарелок Касаткиным А.Г. и др. предложено следующее уравнение: У=Д-ехр" х (1Л) Коэффициент А для трубчатых тарелок принимается равным 4 и 16 для Wnun W Wfliax соответственно (для решетчатых и дырчатых тарелок А=2,95 и 10) /40/. Из уравнения (I.I) следует, что при прочих равных условиях допустимая скорость газа (пара) для трубчатых тарелок в 1,5 раза больше, чем для решетчатых, при несколько большем диапазоне устойчивой работы.
Ширину щели рекомендуется принимать в рассмотренной работе равной СХ =3-6 мм при доле свободного сечения Г0 =0,15-0,25.
Анализ уравнения (I.I) показывает, что основными параметрами, определяющими предельные нагрузки провальных тарелок, являются: свободное сечение и ширина щели, отношение плотностей и массовых потоков взаимодействующих фаз, вязкость жидкой фазы, влияние которой сравнительно невелико. Отмечается также, что гидравлическое моделирование провальных тарелок возможно при диаметре колонны 120 мм. В этой связи считается, что диаметр колонны практически не влияет на предельные нагрузки тарелок данного типа.
Высота и плотность газожидкостного слоя
Как и гидродинамика;эффективность и массообмен на трубчатых тарелках изучены значительно меньше, чем на дырчатых и решетчатых провальных тарелках. Причем приводимые в литературе сведения носят противоречивый характер.
По данным одних исследователей гидродинамическая обстановка на контактном устройстве оказывает сильное влияние на интенсивность массообменного процесса и с увеличением нагрузки эффективность провальной тарелки либо увеличивается, либо уменьшается, либо носит четко выраженный экстремальный характер /14,72, 73,97/. По данным других исследователей влияние гидродинамических факторов невелико и эффективность тарелки, в области ее устойчивой работы, слабо зависит от нагрузки /58-60,67,68/.
Исследование гидродинамики и эффективности ректификационных колонн с трубчато-решетчатыми тарелками проведено Аэровым М.Э. и др. /14/. Получены значения КПД тарелки по Мерфри при различных нагрузках по пару для системы четыреххлористый углерод-бензол и проведено сравнение полученных данных с эффективностью решетчатых провальных тарелок. Зависимости сопротивления и КПД сравниваемых тарелок от нагрузки приведены на рис. 1.3, откуда следует, что трубчатые и решетчатые тарелки обладают, примерно одинаковой эффективностью, зависимость которой от нагрузки имеет экстремальный характер. Аналогичная зависимость получена Мин-нулиным М.Н. /73/ при исследовании двойных трубчато-решетчатых тарелок в процессе ректификации смеси бензол-толуол при полном возврате флегмы. Опытные данные приведены на рис. 1.4 в виде зависимости КПД колонн 1 к от фактора скорости F . КПД рассчитывался как отношение числа теоретических контактов, необходимых для данного разделения, к числу действительных тарелок в колонне.
Исследованию эффективности трубчатых спиральных тарелок в процессе абсорбции углеводородных газов в изотермических условиях посвящена работа /97/. Эффективность процесса абсорбции оценивалась по коэффициентам извлечения пропана, бутанов и высших углеводородов в зависимости от плотности орошения и скорости газа в полном сечении колонны. Графическое изображение данной зависимости приведено на рис. 1.5, откуда следует, что коэффициент извлечения ключевого компонента пропана увеличивается с ростом плотности орошения и уменьшается с увеличением скорости газовой фазы. Необходимо отметить, что такая методика проведения эксперимента и обработки полученных данных не дает полного представления о зависимости эффективности процесса от гидродинамической обстановки на тарелках абсорбера, так как влияние расходов технологических потоков ( L,u ) и кратности орошения ( и/ G- ) происходит одновременно. В работе /97/ приводится также зависимость КПД колонны по пропану от скорости газа и плотности орошения (см.рис. 1.6). КПД рассчитывался как отношение числа теоретических тарелок, найденных по методу Крейсера и соответствующих данному извлечению пропана, к числу действительных тарелок в аппарате. Из рис. 1.6 следует, что КПД колонны практически не зависит от плотности орошения и сильно зависит от скорости газового потока. Зависимость nK f(W) имеет монотонно возрастающий характер, достигая максимальных значений в режимах, близких к захлебыванию.
Подробный анализ работ по массообмену на провальных тарелках проведен в диссертационной работе Маунг Хла Мьинта /72/. Рассмотрев различные уравнения по массопередаче /50,51,71,83,96, 120,121/ и отметив их достоинства и недостатки, автор предлагает проводить обработку экспериментальных данных по массообмену на трубчатых тарелках с помощью следующего критериального уравнения: где Id - и—F - критерий гидравлического сопротивления; Ь=Ьи. Степень Г\ при критерии Пекле, как и в ряде других исследований /3,77,87/, была принята равной 0,5.
Для экспериментального определения частжх коэффициентов масоотдачи исследования проводились на системах, сопротивление массопередачи у которых сосредоточено главным образом в одной фазе, а сопротивлением в другой фазе можно пренебречь. Так мас-соотдача в жидкости изучалась в процессе десорбции кислорода из воды воздухом; массоперенос в газовой фазе изучался в процессе абсорбции амииака водой. Коэффициенты массоотдачи относились к единице площади тарелки.
Влияние давления (плотности газовой фазы)
Данные зависимости существенно отличаются от рассмотренных ранее (см.рис. I.I, 1.2) и полученных на модельных смесях при атмосферном давлении. Так при сравнительно небольших плотностях орошения ( L - 40 м3/м ч) образование слоя на тарелке не сопровождалось скачкообразным увеличением ее сопротивления и момент вступления тарелки в работу определялся визуально. Точка захлебывания во всех случаях четко выявлялась в результате графической обработки опытных данных, причем режиму захлебывания соответствовал некоторый интервал скоростей. Отличительной особенностью зависимости Л„ " (W) является непрерывный рост высоты слоя с увеличением скорости газа как в интервале "В-С", так и режиме захлебывания. Зависимость H», (W) для указанных режимов изображается в логарифмических координатах прямыми отрезками ломаной линии, перегиб которой соответствует началу захлебывания.
Более подробно остановимся на интервале устойчивой работы "В-С". Сравнительные испытания решетчатых и трубчатых тарелок с f =24$, выполненные на абсорбционном стенде в колонне диаметром 400 мм /23/, показали, что режимы, возникающие на данных тарелках во многом идентичны. Гидродинамическая обстановка на решетчатых тарелках в условиях абсорбции углеводородных газов подробно изучена и описана в работе /22/, поэтому здесь лишь назовем режимы, возникающие в интервале "В-С", и дадим им краткую характеристику. По мере увеличения скорости газового потока между режимами подвисания и захлебывания наблюдались также режимы аэрации, пульсации и волнообразования. В режиме аэрации барбо-тажный слой имеет разреженную структуру в виде аэрированной жидкости. В режиме пульсации слой на тарелке становится плотным в виде сплошной газожидкостной системы с четко выраженной пульсацией и перемешиванием жидкости в горизонтальной и вертикальной плоскостях; слив жидкости с тарелки становится пульсационным. Режим волнообразования возникает вследствие резкого увеличения интенсивности колебательных процессов в слое, что приводит к возникновению волн. При этом наблюдается явно выраженная неравномерность слива жидкости по сечению тарелки, который происходит преимущественно то с одной, то с другой стороны. Наблюдаются также интенсивные колебания перепада давлений на тарелках и уровня жидкости в нижней части аппарата, хотя колонна в целом работает устойчиво. В данной работе не ставилась цель определить границы существования указанных режимов, отметим лишь,что эти границы могут смещаться в ту или другую сторону в зависимости от геометрических характеристик тарелок, плотности орошения и некоторых других факторов.
Скорости газового потока, сиответствующие началу каждого режима, носят названия скоростей подвисания, аэрации, пульсации волнообразования и захлебывания. В дальнейшем будут рассмотрены скорости подвисания и захлебывания ( Wtnio / Wmax ), так как именно они определяют интервал устойчивой и эффективной работы трубчатых тарелок. Гидродинамические характеристики исследованных тарелок при указанных скоростях приведены в приложении П-І.
Проведенный выше анализ экспериментальных данных ряда исследователей показал, что на величину предельных нагрузок колонн с тарелками провального типа влияют следующие факторы:расходы и физические свойства взаимодействующих фаз, давление в аппарате (плотность газа), геометрические характеристики тарелок и колонн .ширина щели, свободное сечение тарелки, диаметр, величина межтарелъчатого расстояния. Рассмотрим степень влияния отдельных параметров на предельные нагрузки трубчатых тарелок, которая установлена в результате выполненных исследований.
На рис. 3.4 приведены зависимости верхних предельных нагрузок по газу от нагрузки аппарата по жидкости, полученные на абсорбере диаметром 400 мм при различных давлениях и на тарелках с различным свободным сечением. Приведенные зависимости носят название кривых захлебывания.
Во всех проведенных опытах характерной является следующая зависимость: с увеличением плотности орошения скорость захлебывания уменьшается. На графиках нанесены также линии постоянной кратности орошения ( L/CT cud: ), которые также показывают, что с увеличением L/Q. предельные нагрузки по газу интенсивно уменьшаются. Таким образом соотношение газожидкостных потоков в точках захлебывания, а следовательно и в точках подвисания, является одним из основных влияющих параметров, определяющим предельные нагрузки колонн с трубчатыми провальными тарелками.
Конструкция и особенности работы модифицированной трубчато-решетчатой тарелки с сеткой
Уравнение применимо в интервале изменения влияющих параметров: Го =0,06-0,28; О. =4-12 мм; ОСТР. =18-25 мм; с точностью ± I0J&.
Полученное уравнение по виду напоминает уравнение (I.II), предложенное в работе /127/ для расчета у провальных дырчатых тарелок.
Для определения относительной плотности пены в точках захлебывания опытные данные были представлены в виде зависимости иРж Tv /Gr) .которая приведена на рис. 3.15. Значения (\ рассчитывались по уравнению:
Анализ приведенной зависимости показал, что опытные данные аппроксимируются выражением: P = 0/i6(L/G) " «.та Точность полученного уравнения составляет - 15 %.
Основным недостатком трубчато-решетчатых тарелок является сравнительно узкий диапазон устойчивой и эффективной работы, который составляет 1,85-2,6 в зависимости от плотности орошения и величины свободного сечения тарелки. Причем, нашими исследованиями установлено, что с увеличением Го , а следовательно и пропускной способности тарелки, диапазон устойчивой работы уменьшается. Это затрудняет реализацию указанных выше преимуществ трубчатых тарелок в тех случаях, когда аппарат работает в условиях изменяющихся газожидкостных нагрузок.
С целью устранения указанного недостатка разработана усовершенствованная трубчатая тарелка, конструкция которой защищена авторским свидетельством /8/. Расширение диапазона устойчивой работы и повышение эффективности достигается установкой сверху трубчатой решетки металлической сетки, размер ячейки которой выбирается в зависимости от величины свободного сечения тарелки. Расширение диапазона происходит за счет более раннего вступления тарелки в работу, при этом верхние предельные нагрузки остаются на том же уровне, что и у обычной трубчатой тарелки.
Рассмотрим особенности работы тарелки с сеткой на примере сравнительных испытаний обычных и модифицированных трубчатых тарелок (jl =18$), выполненных на системе вода-воздух в колонне диаметром 400 мм. Металлическая сетка из проволоки dop =0,8 мм с размером ячейки Ъ =3x3 мм плотно укладывалась сверху трубчатой решетки. На рис. 3.16, 3.17 приведены зависимости сопротивления и высоты слоя от скорости газа и плотности орошения. Анализ полученных данных показывает, что характер зависимостей ДГ= t (Wj,nn= ТІМ для сравниваемых тарелок во многом идентичен, однако у тарелок снабженных сеткой, диапазон устойчивой работы, ограниченный режимами образования барботажного слоя и захлебывания значительно шире. При этом верхняя предельная нагрузка практически не снизилась. Существенным является и то,что сопротивление орошаемой тарелки и высота газожидкостного слоя в режимах, развитого барботажа, значительно возрастают. терные особенности в работе тарелок, снабженных сеткой. При скорости газового потока, меньшей скорости в точке "В", жидкость на тарелке не задерживается, сопротивление ее невелико и примерно равно сопротивлению сухой тарелки. При скорости Wmcn сопротивление тарелки скачкообразно возрастает и на сетке образуется барботажный слой в виде мелких пузырей. По мере увеличения скорости газового потока размер пузырей увеличивается и тарелка начинает работать в режиме развитого барботажа, который по диапазону существования является наиболее продолжительным. Дальнейшее увеличение скорости газа приводило к режимам пульсации, волнообразования и захлебывания. Характеристика указанных режимов рассмотрена выше. Здесь лишь отметим, что барботажный слой на тарелках с сеткой имеет более турбулентную и однородную структуру.
Более раннее вступление модифицированной тарелки в работу объясняется тем, что сетка способствует равномерному распределению газожидкостных потоков по сечению аппарата и повышает однородность барботажного слоя. В этой связи байпасирование потоков газа и жидкости прекращается значительно раньше, чем на обычных трубчатых тарелках, а,следовательно,и раньше образуется газожидкостной барботажный слой.
В результате опытов с сетками различных размеров, выполнен ных на тарелках с различным свободным сечением, было установле но, что для расширения диапазона устойчивой работы и сохранения производительности тарелки, необходимо следующее сочетание разме ров ячейки о и величины свободного сечения
