7 Конструкция абсорбера и десорбера

Конструкция абсорбера и десорбера

Процесс абсорбции, десорбции и разделения углеводородных газов на маслоабсорбционных и газофракционирующих установках осуществляется в колонных аппаратах представляющих собой стальные цилиндрические сосуды, в которых установлены тарелки или засыпана насадка.

Схемы абсорбера и десорбера приведены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1 - Схема абсорбера:

1 - жалюзийная насадка; 2 - люк; 3 - для регулятора уровня; 4 - для указателя уровня; 5 - дренаж; 6 – вход газа; 7 – выход гликоля; 8 - вход гликоля; 9 – выход газа

Рисунок 2 - Схема десорбера:

1 - вход гликоля; 2 - выход гликоля из испарителя; 3 - для термометра сопротивления; 4 - вход гликоля в испаритель; 5 - дренаж; 6 - выход гликоля; 7 - для орошения; 8 - выход паров воды; 9 – люк

В нижней его части размещены каплеотделитель с глухой тарелкой или нижняя скруберная секция.

Каплеотделитель представляет собой вертикальный жалюзийный сепаратор. В средней части абсорбера над глухой тарелкой размещены колпачковые тарелки, над которыми установлена верхняя скруберная секция.

В нижней скруберной секции улавливаются масло, вода, углеводородный конденсат, увлекаемые газовым потоком из промысловых газопроводов или компрессорных станций. В верхней скруберной секции улавливаются капельки концентрированного раствора абсорбента (гликоля), уносимого очищенным газом. Иногда перед верхней скруберной секцией устанавливают сетчатые или уголковые отбойники.

В газовой промышленности наиболее широко распространены барботажные (тарельчатые) и реже насадочные абсорберы. Барботажные аппараты отличаются большим разнообразием конструкций, характеризуются контактом сплошной жидкостной фазы с диспергированной газовой фазой.

Насадочные абсорберы отличаются достаточной эффективностью, но малой интенсивностью; рабочие нагрузки насадочных аппаратов ограничены условиями захлебывания. Барботажные аппараты оборудованы барботажными тарелками. На барботажной тарелке газ пробулькивает (барботирует) через слой жидкости, распыляется на мелкие пузырьки, которые образуют слой пены с большой удельной поверхностью.

Барботажные тарелки обеспечивают хороший контакт между фазами. Они могут работать в широком диапазоне нагрузок по парам и жидкости, легче поддаются очистке. Барботажные колонны имеют меньшие габариты, чем насадочные.

В зависимости от способа слива жидкости, а также от конструкции абсорбционные тарелки подразделяются на ситчатые, колпачковые, клапанные, трубчатые и другие.

8 Конструкция тарелок: колпачковых, клапанных и балластных, ситчатых пятислойных щелевых, решетчатых, трубчатых

В колпачковых барботажных тарелках проходы для газа покрывают колпачками, края которых погружены в жидкость. Колпачки бывают различной формы: круглые, квадратные, шестигранные, в виде желобов, S – образных элементов и другие (рисунок 3, 3´).

Уровень жидкости на тарелке устанавливается сливной перегородкой. Избыток жидкости переливается через перегородку по сливной трубе и перетекает на нижележащую тарелку. Толщина слоя жидкости, через которую осуществляется барботаж, регулируется сливной перегородкой.

Тарелки с круглыми колпачками имеют коэффициент полезного действия до 74%, с желобчатыми колпачками – до 50%.

За последние годы желобчатые колпачковые тарелки стали заменяться решётчатыми, ситчатыми и тарелками других типов, обеспечивающими большую интенсивность массобмена, высокие скорости газа в свободном сечении колонны, меньшие гидравлические сопротивления и вес тарелки, простоту изготовления и эксплуатации. Применение тарелок новых типов позволяет также уменьшить расстояние между тарелками с 450 – 600 мм для колпачковых тарелок до 300 – 400 мм.

Рисунок 3 – Схема работы колпачковых тарелок:

1 – тарелка; 2 - колпачки; 3 – сливная перегородка; 4 - потрубки для прохода паров; 5 – сливной карман

Рисунок 3´ - Общий вид двух верхних тарелок колпачковой колонны:

1 - патрубок для выхода паров из колонны; 2 – выходная перегородка; 3 – входная перегородка; 4 – патрубок для ввода орошения; 5 - колпачок

Производительность абсорберов, оборудованных тарелками новых типов, как показывает практика, в 1,5 – 2 раза выше желобчатых и на 30 – 40% выше колпачковых.

Сетчатые тарелки изготовляются из стального листа толщиной 3-5 мм с отверстиями диаметром 3-6 мм для прохода газа. Суммарная площадь отверстий – площадь свободного сечения – составляет до 40% от площади всей тарелки. Контакт между газом и жидкостью происходит на тарелке. Жидкость перетекает с тарелки на тарелку по сливным трубам; уровень её поддерживается сливной перегородкой. Сетчатые тарелки имеют КПД до 74%. (рисунок 4).

Сетчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонта. Гидравлическое сопротивление этих тарелок сравнительно невелико. Сетчатые тарелки устойчиво работают в широком интервале скоростей газа, причем в определенном диапазоне нагрузок по газу и жидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью.

Рисунок 4 – Схема работы колонны с сетчатыми тарелками и сливными устройствами

Вместе с тем сетчатые тарелки чувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают отверстия. В случае внезапного прекращения поступления газа с сетчатых тарелок сливается вся жидкость и для возобновления процесса требует вновь запускать колонну.

Разновидностью абсорберов с сетчатыми тарелками являются так называемые пенные аппараты, тарелки которых отличаются от сетчатых конструкцией переливного устройства. При одинаковом числе тарелок эффективность пенных аппаратов выше абсорберов с сетчатыми тарелками. Однако вследствие большой высоты пены на тарелках гидравлическое сопротивление пенных абсорберов значительно, что ограничивает область их применения.

Клапанные и балластные тарелки (рисунок 5) представляют собой по существу видоизмененные конструкции сетчатых тарелок, приспособленные для работы в условиях значительно меняющихся скоростей газа. Принцип действия клапанной тарелки состоит в том, что свободно лежащий над отверстием в тарелке круглый клапан с изменением расхода газа своим весом автоматически регулирует площадь зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа и тем самым скорость газа при его истечении в барбатажный слой. Высота подъема клапана ограничивается высотой кронштейна (ограничителя 2) и не превышает 8 мм. Принцип действия пластинчатых клапанов тот же, что и круглых. Они имеют форму неравного уголка, одна из полок которого (длинная) закрывает прямоугольное отверстие в тарелке. Круглые клапаны имеют диаметр 50 мм отверстия под клапаном делают диаметром 20-35 мм при шаге между ними 75-150 мм.

Рисунок 5 – Клапанные колпачки

Балластные тарелки имеют то же устройство, что и клапанные, но у них между легким круглым клапаном 1 и кронштейном-ограничителем 2 установлен на коротких стойках, опирающихся на тарелку, более тяжелый, чем у клапанных тарелок, балласт 3. Клапан начинает подниматься при небольших скоростях газа. С дальнейшим увеличением скорости газа клапан упирается в балласт и поднимается вместе с ним. Балластные тарелки отличаются более равномерной работой и полным отсутствием провала жидкости во всем интервале скоростей газа.

К достоинствам клапанных и балластных тарелок относятся сравнительно высокая пропускная способность по газу и гидродинамическая устойчивость, постоянная и высокая эффективность в широком интервале нагрузок по газу.

Решётчатые провальные тарелки (рисунок 6) аналогичные по устройству сетчатым тарелкам и отличаются от последних лишь отсутствием сливных устройств. Диаметр отверстий в этих тарелках равен 4-10 мм, а суммарная площадь сечения всех отверстий по отношению к сечению колонны составляет 10-25%. Разновидность этих тарелок – многослойные тарелки провального типа.

Рисунок 6 – Схема работы колонны с решётчатыми (провальными) тарелками

Применение тарелок данной конструкции дает возможность в значительной степени уменьшить недостатки тарелок провального типа.

Пятислойная щелевая тарелка правильного типа (рисунок 7). Каждый слой тарелки перфорирован щелевидными отверстиями (направления щелей в соседних слоях взаимоперпендикулярны), размеры отверстий подобраны таким образом, чтобы геометрическая характеристика нижнего слоя совпадала с геометрической характеристикой однослойной тарелки. Диаметр отверстий дырчатой однослойной тарелки 7 мм, шаг 15 мм, свободное сечение 15,5%. Свободное сечение каждого верхнего слоя многослойной тарелки по отношению к нижнему постоянно возрастает на 6-8%. При данном соотношении геометрических размеров в КраснодарНИПИнефти экспериментальным путем определили оптимальное расстояние между слоями – 50 мм. При этом получили максимум эффективности. Оптимальное число слоев, равное пяти, определялось диапазоном рабочих нагрузок, т.е. минимальной скоростью захлебывания. При других соотношениях геометрических размеров можно получить другие оптимальные числа слоёв и расстояния между ними.

Рисунок 7 – Тарелка провального типа

Рисунок 7´ – Решетчатая тарелка

Решётчатые тарелки (рисунок 6) представляют собой стальные листы с продольными щелями шириной 3-12 мм. Площадь свободного сечения щелей 15-20%. Шаг между щелями 13 мм и больше. Щели служат одновременно для прохода газа и жидкости, поэтому на таких тарелках обычно отсутствуют переливные перегородки и сливные трубы. Решётчатые тарелки имеют КПД до 60%.

Трубчатые тарелки представляют собой чаще всего решетку, образованную из ряда параллельных труб, присоединенных к коллектору, волнистые тарелки, состоят из гофрированных металлических листов с отверстиями 4-8 мм.

Дырчатые и решетчатые провальные тарелки отличаются простотой конструкции, низкой стоимостью изготовления и монтажа, сравнительно небольшим гидравлическим сопротивлением.

К достоинству трубчатых провальных тарелок относится легкость отвода или подвода теплоты к барботажному слою на тарелке (охлаждающий агент пропускается по трубам, из которых состоит тарелка). Эти тарелки по сравнению с дырчатыми и решетчатыми значительно сложнее по устройству и монтажу.

В широком диапазоне нагрузок работают волнистые провальные тарелки. Однако эти тарелки сложнее, чем дырчатые и решётчатые провальные тарелки.

Насадочные абсорберы (рисунок 8). В насадочной колонне насадка 1 (твердые тела различной формы) укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Жидкость с помощью распределителя 3 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерного распределения жидкости по сечению колонны обычно не достигается. Это объясняется большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у её стенок.

Рисунок 8 – Насадочный абсорбер:

1 – насадка; 2 – опорная решетка; 3 – распределитель жидкости; 4 – перераспределитель жидкости

Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большего диаметра насадку укладывают слоями (секциями) высотой 2-3 м, и под каждой секцией насадки, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости – 4. Для более полного смачивания насадки необходимо равномерное распределение орошающей жидкости, что достигается с помощью специальных оросительных устройств.

В насадочной колонне жидкость по элементу насадки течёт главным образом в виде тонкой плёнки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки.

При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой плёнка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая плёнка.

При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью.

Для того чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим основным требованиям:

- обладать большой удельной поверхностью в единице объема;

- хорошо смачиваться орошающей жидкостью;

- оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку;

- равномерно распределять орошающую жидкость;

- быть стойкой к химическому воздействию жидкости и газа, движущихся в колонне;

- иметь малую плотность;

- обладать высокой механической прочностью;

- иметь невысокую стоимость.

Насадки, в полной мере удовлетворяющих всем основным требованиям, не существует, так как, например, увеличение удельной поверхности насадки влечёт за собой снижение её свободного объёма, как следствие, снижение производительности и увеличение гидравлического сопротивления аппарата. В промышленности применяют разнообразные по форме и размерам насадки, которые в той или иной мере удовлетворяют основным требованиям при проведении конкретного процесса абсорбции. Насадку изготавливают из разнообразных материалов (керамики, фарфора, стали, пластмасс и др.), выбор которых диктуется удельной поверхностью.

Широко распространена насадка в виде тонкостенных керамических колец высотой, равной диаметру (кольца Рашига), которые колеблются в пределах от 15 до 150 мм (рисунок 9). Кольца малых размеров засыпают в абсорбер навалом. Большие кольца (размером не менее 50*50 мм) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга. Такой способ заполнения насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку – регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной насадкой, засыпающей в абсорбер навалом: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако для улучшения смачивания регулярных насадок необходимо применять более сложные по конструкции оросители.

За последние годы стали применяться спиральные насадки. Изготовленные из металлических лент и проволок, графита, различные металлические сетчатые насадки, а также насадки из стеклянного волокна (имеющие большую удельную поверхность, равную 1000 м²/м³).

Металлическую насадку применяют в аппаратах работающих под давлением. Керамические, графитовые и пластмассовые насадки применяют для высокоагрессивных химических сред.

При выборе размера насадки следует учитывать, что чем больше размер элемента насадки, тем выше пропускная способность газа (и соответственно производительность абсорбера) и ниже его гидравлическое сопротивление. Однако при абсорбции плохо растворимых газов более подходит сравнительно мелкая насадка, так как при этом улучшаются условия перемешивания жидкости.

Рисунок 9 – Элементы насадок:

а) кольца Рашига; б) кольца Палля; в) седловидная насадка

Мелкая насадка предпочтительна также при проведении процесса абсорбции при повышенном давлении, так как в этом случае гидравлическое сопротивление абсорбера не имеет существенного значения. Кроме того, мелкая насадка, обладающая большей удельной поверхностью, имеет преимущества перед крупной тогда, когда для осуществления процесса абсорбции требуется большее число единиц переноса или теоретических ступеней изменения концентраций.

Основное достоинство насадочных колонн-простота устройства и низкое гидравлическое сопротивление.

В настоящее время широко применяются абсорберы с «плавающей» насадкой. В этих абсорберах в качестве насадки используют, главным образом, легкие полые или сплошные пластмассовые шары, которые при достаточно высоких скоростях газа переходят во взвешенное состояние. Эти аппараты отличаются высокой производительностью (по пару и жидкости), интенсивностью массопередачи способностью аппарата не забиваться при проведении процесса с загрязненными жидкостями и запылёнными газами (без предварительной очистки потоков от механических примесей).