Реконструкция абсорбционной колонны с целью повышения эффективности ее работы

 

На рис. 11 показана схема работы колпачка при неполном (а) и полном (б) открытии прорезей, причем в последнем случае колпачок работает наиболее эффективно» Сечение и форма прорезей колпачка имеют второстепенное значение, но желательно устройство узких прорезей, так - как при этом газ разбивается на более мелкие струйки, что способствует увеличению поверхности соприкосновения фаз. Для создания большей поверхности контакта фаз на тарелках обычно устанавливают значительное число колпачков, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга.

Колпачковые тарелки изготовляют с радиальным или диаметральным переливами жидкости. Тарелка с  радиальным переливом жидкости (рис. 11, а) представляет собой стальной диск 1, который крепится на прокладке 2 болтами 3 к опорному кольцу 4. Колпачки 5 расположены на тарелке в шахматном порядке. Жидкость переливается на лежащую ниже тарелку по периферийным сливным трубкам 6, движется к центру и сливается на следующую тарелку по центральной трубке 7, затем снова течет к периферии и т. д.

 

Тарелка с диаметральным переливом жидкости (рис. 11, б) представляет собой срезанный с двух сторон диск 1, установленный на опорном листе 2. С одной стороны тарелка ограничена приемным порогом 3, а с другой – сливным порогом 4 со сменной гребенкой 5, при помощи которой регулируется уровень жидкости на тарелке. В тарелке этой конструкции периметр слива увеличен путем замены сливных трубок сегментообразными отверстиями, ограниченными перегородками 6, что снижает вспенивание жидкости при ее переливе.

Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости. К их недостаткам следует отнести сложность устройства и высокую стоимость, низкие предельные нагрузки по газу, относительно высокое гидравлическое сопротивление, трудность очистки. Поэтому колонны с колпачковыми тарелками постепенно вытесняются новыми, более прогрессивными конструкциями тарельчатых аппаратов.

Клапанные тарелки. Принцип действия этих тарелок (рис. 12,а) состоит в том, что клапан 2, свободно лежащий над отверстием в тарелке 1, с изменением расхода газа увеличивает подъем и соответственно площадь зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа. Поэтому скорость газа в этом зазоре, а значит и во входе в слой жидкости на тарелке, остается приблизительно достоянной, что обеспечивает неизменно эффективную работу тарелки. Гидравлическое сопротивление тарелки при этом увеличивается незначительно. Высота подъема клапана определяется высотой ограничителя 7 (рис. 12,б). Диаметр отверстий под клапаном составляет 35 – 40 мм, а диаметр самого клапана 45 – 50 мм.

 

 

 

 

1.4 Распыливающие абсорберы

В абсорберах этого типа тесный контакт между фазами достигается путем распыливания или разбрызгивания различными способами жидкости в газовом потоке.

Полый распыливающий абсорбер (рис. 13) представляет собой колонну, в верхней части корпуса 1 которой имеются форсунки 2 для распыливания жидкости (главным образом механические). В распыливающих абсорберах объемные коэффициенты массопередачи быстро снижаются по мере удаления от форсунок вследствие коалесцениции капель и уменьшения поверхности фазового контакта. Поэтому оросители (форсунки) в этих аппаратах обычно устанавливают на нескольких уровнях.

К достоинствам полых распыливающих абсорберов относятся: простота устройства, низкое гидравлическое сопротивление, возможность работы с загрязненными газами, легкость осмотра, очистки и ремонта. Недостатки этих аппаратов: невысокая эффективность, значительный расход энергии на распыление жидкости, трудность работы с загрязненными жидкостями, необходимость подачи больших количеств абсорбента для увеличения количества капель и соответственно – поверхности контакта фаз, низкие допустимые скорости газа, значения которых ограничены уносом капель жидкости.

Распыливающие абсорберы применяются главным образом для поглощения хорошо растворимых газов, т.к. вследствие высокой относительной скорости фаз и турбулизации газового потока коэффициенты массоотдачи в газовой фазе (bг) в этих аппаратах достаточно высоки.

Значительно более эффективными аппаратами являются прямоточные распыливающие абсорберы,  в которых распыленная жидкость захватывается и уносится газовым потоком, движущимся с большой скоростью (20-30 м/сек и более), а затем отделяется от  газа в специальной камере. К аппаратам такого типа относится абсорбер Вентури (рис. 14), основной частью которого является труба Вентури. Жидкость поступает в конфузор 1 трубы, течет в виде пленки и в горловине 2 распыливается газовым потоком. Далее жидкость выносится газом в диффузор 3, в котором постепенно снижается скорость газа, и кинетическая энергия газового потока переходит в энергию давления с минимальными потерями. Сепарация капель происходит в камере 4.

К распыливающим относятся также механические абсорберы, в которых разбрызгивание жидкости производится с помощью вращающихся устройств, т.е. с подводом внешней энергии для образования возможно большей поверхности контакта фаз между газом и жидкостью.

Механические абсорберы компактнее и эффективнее распыливающих абсорберов других типов. Однако они значительно сложнее по устройству и требуют больших затрат энергии на осуществление процесса.

Во многих случаях в системах газ – жидкость для диспергирования одной фазы в другой оказывается достаточным использование энергии потока газа, взаимодействующего с жидкостью, и подвод внешней энергии для этой цели нецелесообразен.

 

2. Технико-экономическое обоснование

Реконструкция барботажной (тарельчатой) абсорбционной колонны поз. К-7 предназначеной для очистки углеводородных газов стабилизации установки от сероводорода раствором моноэтаноламина (МЭА).

Реконструкция заключается в замене колпачковых тарелок на клапанные, которая позволит снизить гидравлическое сопротивление в абсорбере. Чем меньше гидравлическое сопротивление, тем меньше требуется мощности для прокачивания газа через абсорбер – следовательно, меньшие энергозатраты. Так же клапанные тарелки, по сравнению с колпачковыми, имеют более высокую эффективность и на 20 – 40% большую производительность. Обеспечивают работу в сравнительно широком диапазоне нагрузок по потоку паров и жидкости.

Преимущества клапанных тарелок: более легкое изготовление, меньшая металлоемкость, широкий диапазон работы по скорости газа.

 

3. Технологические расчеты.

Расчет гидравлического сопротивления тарелок абсорбера

 

Гидравлическое сопротивление тарелок абсорбера определяют по формуле:

 

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки ΔP складывается из трех слагаемых:

 

Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) тарелки:

 

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя (пены) на тарелке:

 

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

 

 

3.1 Гидравлическое сопротивление для клапанных тарелок

 

 

 

Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) тарелки:

 

где - коэффициент сопротивления сухой тарелки = 3,6;

- плотность газа (сероводорода);

Fс – доля свободного сечения тарелки = 0,636 м2/м2 при t = 100мм;

 – скорость газа определяется  по формуле:

 

G – масса клапана = 0,04 кг;

- плотность сероводорода  при н.у. = 1,54 ,

 

Р – давление в абсорбере, МПа;

Т – температура в абсорбере 50 = 323 К.

S0 – площадь отверстия под клапаном

 

D – диаметр отверстия под колпачком.

Находим скорость газа:

 

Сопротивление сухой тарелки:

 

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя (пены) на тарелке:

 

ρx – плотность смеси раствора МЭА (моноэтаноламина) с водой.

 

- массовые доли компонентов  смеси.

h0 – высота светлого слоя жидкости которая определяется по формуле:

 

- вязкость раствора;

m – показатель степени, равный 0,054,6hпер

hпер – высота переливной перегородки = 30 мм;

 – поверхностное натяжение  раствора и воды соответственно;

q – линейная плотность орошения которая равна

  , где

Q – объемный расход жидкости = 0,00278 м3/с;

Lс – периметр слива = 1,238 м.

Так как состав раствора МЭА состоит из воды и 5-15% моноэтоноламина, то поверхностное натяжение раствора МЭА можно взять по воде и следовательно будет равна = 1.

Тогда формула определения светлого слоя жидкости будет выглядеть так:

 

 

Находим сопротивление газожидкостного слоя:

 

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

 

σ – поверхностное натяжение = 67,9110-3 Н/м;

dэ – диаметр отверстия под клапаном;

 

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки:

 

Гидравлическое сопротивление абсорбера с клапанными тарелками:

 

 

3.2 Гидравлическое сопротивление для колпачковых тарелок

 

 

 

Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) тарелки:

 

где - коэффициент сопротивления сухой тарелки = 5;

Fс – доля свободного сечения тарелки = 10,9%;

 – скорость газа определяется  по формуле:

 

dк – диаметр колпачка = 80 мм;

hк – расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной

тарелки = 0,45 м.

 

Сопротивление сухой тарелки:

 

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя (пены) на тарелке:

 

h0 – высота светлого слоя жидкости которая определяется по формуле:

 

 

 

Сопротивление газожидкостного слоя на тарелке:

 

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

 

σ – поверхностное натяжение;

dэ – диаметр отверстия прорезей колпачка = 6,3 10-3 м;

 

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки:

 

Гидравлическое сопротивление абсорбера с колпачковыми тарелками:

 

 

4. Прочностные расчеты

4.1 Характеристика объекта исследований

Колонна К-7 представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат постоянного сечения высотой 18940 мм с эллиптическими днищами, предназначенный для абсорбции углеводородных газов. Корпус состоит из двух частей, которые соединены между собой фланцами на высоте ~ 12 м. На корпусе расположены люки Dy 450, 400 и штуцера Dy 300, 250, 100, 80 и 50. В нижнее днище вварен центральный штуцер Dy 100. К нижнему днищу приварена цилиндрическая опора высотой ~ 1400 мм. Колонна установлена на открытой площадке, в районе нижнего люка теплоизолирована, остальная поверхность без теплоизоляции.

Аппарат изготовлен на заводе химического машиностроения Рудислибен, Тюрингия в 1962 г., эксплуатируется с 1966 года. Режим работы непрерывный.

В 1965 г. устранена деформация обечайки корпуса в нижней части колонны, заменены 2 штуцера Dy 50.

В 1993 г. при внешнем осмотре и цветной дефектоскопии сварных швов были обнаружены поры и подрез глубиной до 2 мм в швах приварки люков к корпусу.

В 2007 г. врезаны 4 штуцера Dy 50 с укрепляющими кольцами.

В августе 2008 г. проведено обследование аппарата, включающее в себя визуально-измерительный контроль наружной и внутренней поверхности, толщинометрию основных конструктивных элементов, измерение твердости металла и дефектоскопический контроль.

На внутренней поверхности колонны наблюдается коррозия, близкая к равномерной. В местах удаления внутренних устройств зарезы до глубиной до 2 мм и размером 8x7 мм. При визуальном осмотре со стороны внутренней поверхности обнаружена раковина глубиной 3 мм диаметром 3 мм в кольцевом шве приварки обечаек в районе нижнего люка. Дефект устранен согласно техническому решению №111-08 на ремонт колонны.

По результатам толщинометрии отбракованы и заменены согласно техническим условиям № 73-08 штуцера Dy 300,250,100, 80, 50.

Дефектоскопический контроль недопустимых дефектов не выявил. Твердость основного металла колонны в пределах нормы.

В августе 2008 г. согласно техническому проекту была проведена реконструкция колонны, включающая в себя наращивание корпуса путём приварки обечайки из стали 12Х18Н10Т длиной ~ 6 м в центральную часть колонны. В обечайку вварен люк Dy 500.

Основные конструктивные элементы колонны изготовлены из стали 12Х18Н10Т. Механические свойства стали приняты согласно [4].

Фактические минимальные толщины приняты согласно протоколам толщинометрии с учётом погрешности измерений, составляющей 0,1 мм. Основные параметры сосуда приведены в таблицах 1.1-1.4.

Параметр	Значение
Рабочее давление, МПа (Рраб)	0,15
Расчетное внутреннее давление, МПа (Рр)	0,15
Давление испытания, МПа (Ри)	0,25
Рабочая температура, °С (t)	50
Расчетная температура, °С (Т)	75
Рабочая среда	углеводородный газ, моноэтиламин, сероводород
Время эксплуатации, лет (t1)	42

 

Таблица 1.1 - Основные параметры эксплуатации

 

Таблица 1.2 – Основные габаритные размеры

Элемент конструкции	Внутренний диаметр D, мм	Высота Н, мм	Исполнительная толщина стенки по паспарту S, мм	Макс. значение толщины стенки по толщинометрии Smax, мм		Мин. значение толщины стенки по толщинометрии S1, мм
				2004 г.	2008 г.	2004 г.	2008 г.
Обечайка корпуса	1600	18200	6	-	6,7	5,7	5,5
Эллиптическое днище верхнее	1600	370 (с отбортовкой)	10	-	10,8	10,0	9,9
Эллиптическое днище нижнее	1600	370 (с отбортовкой)	10	-	10,3	10,1	9,3