4.2.3 Технологические процессы

Гелиевый завод входит в состав Оренбургского газового комплекса по добыче и переработке природного газа. Находятся в эксплуатации три очереди гелиевого завода мощностью по перерабатываемому сырью в год:

I очередь II очередь III очередь

3 млрд. нм³ 9 млрд. нм³ 3 млрд. нм³

нм³ - объём газа при нормальных условиях (t=0°С, Р=760 мм.рт.ст.)

В основу технологической схемы завода заложено применение гелиевых установок единичной мощностью 3 млрд. нм³ перерабатываемого газа в год.

Генеральным проектировщиком завода является ОАО “Институт ЮжНИИгипрогаз” (г. Донецк).

Товарной продукцией завода является гелий газообразный, этановая фракция, ШФЛУ, сжиженные газы, жидкий азот, жидкий кислород.

Природный газ на гелиевый завод поступает с газоперерабатывающего завода (используется газ Оренбургского и Карачаганакского газоконденсатных месторождений).

На I очередь ГЗ природный газ поступает очищенный от сероорганических соединений на установках У-190, У-192 ГПЗ.

На II очередь природный газ после газоперерабатывающего завода подается на установку подготовки газа в отделения У-510, У-520, где производится его очистка от сероорганических соединений и глубокая осушка (до точки росы минус 70 °С).

5. Самостоятельное задание

5.1 Выпарные аппараты  

Процесс выпаривания заключается в удалении из раствора большей части растворителя и получении концентрированного раствора. Выпаривание следует вести так, чтобы при заданной производительности получить сгущенный раствор требуемой концентрации без потерь сухого вещества и при возможно меньшем расходе топлива. Процесс выпаривания осуществляют в аппаратах однократного действия (однокорпусный выпарной аппарат) или многократного действия (многокорпусный выпарной аппарат). В последнем случае расход топлива на выпаривание значительно снижается.

Если температура поступающего раствора значительно ниже температуры кипения, то целесообразно его предварительно подогреть в отдельном теплообменнике, чтобы выпарной аппарат работал только как испаритель, а не выполнял частично роль подогревателя, так как в последнем случае коэффициент теплопередачи аппарата несколько снижается. Чем выше концентрация начального раствора, тем меньше расход тепла на его упаривание.

В литературе описано большое количество конструкций аппаратов, применяемых как ранее, так и сейчас в химической, сахарной и других отраслях промышленности. Строгой и общепринятой классификации выпарных аппаратов нет, однако их можно классифицировать по ряду признаков:

по расположению поверхности нагрева — на горизонтальные, вертикальные и реже наклонные;

по роду теплоносителя — с паровым обогревом, газовым обогревом, обогревом высокотемпературными теплоносителями (масло, даутерм, вода под высоким давлением), с электрообогревом (чаще всего применяют паровой

обогрев, поэтому в дальнейшем внимание будет уделено аппаратам с паровым обогревом);

по способу подвода теплоносителя — с подачей теплоносителя внутрь трубок (кипение в большом объеме) или в межтрубное пространство (кипение внутри кипятильных труб);

по режиму циркуляции — с естественной и искусственной (принудительной) циркуляцией;

по кратности циркуляции — с однократной и многократной циркуляцией;

по типу поверхности нагрева — с паровой рубашкой, змеевиковые и, наиболее распространенные, с трубчатой поверхностью различной конфигурации.

К конструкции выпарных аппаратов должны быть предъявлены следующие требования:

- простота, компактность, надежность, технологичность изготовления, монтажа и ремонта;

- стандартизация узлов и деталей;

- соблюдение требуемого режима (температура, давление, время пребывания раствора в аппарате), получение полупродукта или продукта необходимого качества и требуемой концентрации, устойчивость в работе, по возможности более длительная работа аппарата между чистками при минимальных отложениях осадков на теплообменной поверхности, удобство обслуживания, регулирования и контроля за работой;

- высокая интенсивность теплопередачи, малый вес и невысокая стоимость одного квадратного метра поверхности нагрева.

В промышленности наиболее часто применяют вертикальные выпарные аппараты. Их достоинства: компактность, естественная циркуляция (благодаря наличию циркуляционной трубы), значительная кратность циркуляции, малая занимаемая площадь, большое паровое пространство,

удобство обслуживания и ремонта. Для большей компактности эти аппараты в последнее время изготовляют с удлиненными трубками (3-3,5 м).

Для упаривания кристаллизующихся растворов применяют аппараты с коническим днищем с углом наклона больше угла естественного откоса кристаллизующейся массы.

Некоторое распространение имеют пленочные аппараты с однократной циркуляцией раствора.

Рисунок 1 - Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой Основная особенность этой конструкции заключается в возможности снижения потерь полезной разности температур от гидростатической депрессии. Подаваемый в нижнюю часть трубок аппарата раствор вскипает; при этом образуется много паровых пузырьков, увлекающих за собой раствор. Парожидкостная эмульсия, выходящая из трубок, ударяется о поверхность сепаратора с изогнутыми лопатками, получает вращательное движение и отбрасывается центробежной силой к периферии, благодаря чему происходит довольно совершенная сепарация пара. Таким образом, выпаривание происходит в тонком слое при однократной циркуляции раствора. При большой длине кипятильной трубки (более 5 м) возможны разрыв и высыхание пленки жидкости в верхней части трубки с понижением при этом коэффициента теплоотдачи.

Проведенные специальные заводские опыты показали, что пленочные аппараты не характеризуются большой интенсивностью теплоотдачи при кипении. Некоторым преимуществом пленочного аппарата является однократная циркуляция с быстрым прохождением раствора через трубы, что предохраняет растворы, чувствительные к высокой температуре, от порчи. Недостатки этих аппаратов: значительная длина трубок, затрудняющая ремонт, малая аккумулирующая способность, не обеспечивающая постоянную

производительность и затрудняющая получение раствора равномерной концентрации. Труба, отводящая упаренный раствор на следующий корпус, должна иметь гидравлический затвор соответствующей высоты для предотвращения возможного прорыва пара в трубное пространство следующего корпуса. Эти аппараты дороже обычных вертикальных аппаратов.

Выпарной аппарат с выносной поверхностью нагрева целесообразно применять для пенящихся растворов, так как в основном в нем происходит самоиспарение перегретой в трубах жидкости при поступлении ее в сепаратор. При этих условиях жидкость испаряется спокойно, и при достаточных

Рисунок 2 – Аппарат с однократной циркуляцией раствора

размерах сепарато­ра не происходит уноса капелек жидкости и пены со вторичным паром.

Рисунок 3 – Выпарной аппарат с выносной поверхностью нагрева

В некоторых случаях применяют аппараты с

принудительной циркуляцией. В этих аппаратах жидкость движется по трубкам с большой скоростью (2—3 м/с) под давлением; зона кипения находится у верхнего конца трубок. Благодаря значительной скорости движения раствора в трубках отложения на поверхности теплообмена меньше, чем в обычных вертикальных аппаратах. Аппараты с принудительной циркуляцией целесообразно применять в определенном интервале тепловых нагрузок и, главным образом, при упаривании вязких жидкостей, когда естественная циркуляция затруднена. В этих условиях достигается более высокий коэффициент теплоотдачи к кипящей жидкости, чем в обычных аппаратах, что позволяет соответствующим образом уменьшить поверхность нагрева аппарата по сравнению с вертикальным аппаратом с естественной циркуляцией раствора. С другой стороны, на привод циркуляционного насоса требуются довольно

значительные затраты мощности, поэтому целесообразность применения подобных аппаратов следует обосновать соответствующим технико-экономическим расчетом.

Рисунок 4 – Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией

  Выше указано, что в ряде случаев целесообразно проводить упаривание растворов в тонкой пленке в роторных аппаратах; особенно это касается вязких и термолабильных растворов. Раствор подается дозировочным насосом в верхнюю часть аппарата, откуда он стекает в виде тонкой пленки по внутренней стенке цилиндрического корпуса. Теплоноситель (вода, пар, дифенильная смесь) подается в рубашку аппарата. При отекании по стенке аппарата раствор захватывается лопатками и приводится в движение; при этом образуется пленка, отталкиваемая центробежной силой к внутренней стенке аппарата. Полученную на стенках пасту лопасти снимают и направляют на дно; затем паста удаляется через патрубок и секторный затвор. Окружная скорость ротора 2—3,5 м/с. Аппарат характеризуется высокой интенсивностью теплоотдачи. Незначительное время пребывания раствора в аппарате (10—15с) обеспечивает высокое качество продукта, что особенно важно для термолабильных растворов. Расход мощности на привод ротора при диаметре аппарата 600 мм составляет 3,0 кВт. Наряду с положительными качествами аппарат имеет некоторые недостатки — небольшую поверхность нагрева, а потому и сравнительно малую производительность. Наличие вращающегося ротора усложняет и удорожает аппарат. Кроме того, трудно обеспечить малые и одинаковые зазоры между лопастями и корпусом аппарата.

Основное расчетное уравнение для выпарных аппаратов:

Цель расчета – определение F – площади поверхности нагрева.

 

Q – количество тепла,затрачиваемое на нагрев раствора.

K – коэффициент теплопередачи.

 

-         п олезная разность температур.

T – температура греющего пара; T' – температура вторичного пара; v –температурные потери.

5.2 Битум

Би́ту́мы (от лат. bitumen — горная смола, нефть) — твёрдые или смолоподобные продукты, представляющие собой смесь углеводородов и их азотистых, кислородистых, сернистых и металлосодержащих производных. Битумы не растворимы в воде, полностью или частично растворимы в бензоле, хлороформе, сероуглероде и др. органических растворителях; плотностью 0,95—1,50 г/см³.

Классификация

Природные битумы — полезные ископаемые органического происхождения с первичной углеводородной основой. К ним относятся естественные производные нефти, образующиеся при нарушении консервации её залежей в результате химического и биохимического окисления. По составу, зависящему от состава исходных нефтей и условий их преобразования, условно подразделяются на несколько классов: мальты, асфальты, асфальтиты, кериты и антраксолиты. Добычу проводят главным образом карьерным или шахтным способом (Битуминозные пески).

Искусственные (технические) битумы — это остаточные продукты переработки нефти, каменного угля и сланцев. По составу сходны с природными битумами.

Добыча и переработка природных битумов

Процесс добычи и комплексной переработки природных битумов производится в следующей последовательности:

- добыча битумосодержащей породы

- разделение битумосодержащей породы на органическую и минеральные части

- транспортировка битума

- переработка битума

В зависимости от условий залегания и физических свойств сырья разработка месторождений природных битумов осуществляется следующими способами:

- карьерным и шахтным очистным, при которых породу извлекают на поверхность, где из неё экстрагируют битум растворителем или горячей водой с добавкой эмульгирующих составов

- шахтным дренажным, при котором природные битумы добываются в шахте самотеком через систему восходящих дренажных скважин, пробуренных из горных выработок

- скважинным внутрипластовым, при котором природные битумы добываются путем термического или иного воздействия на битумонасыщенные породы через скважины, пробуренные с поверхности

Рудничными (карьерным и шахтным) способами разрабатываются месторождения с битумонасыщенностью вмещающих пород не менее 10% и глубиной залегания 60 — 90 метров. Коэффициент извлечения битума при этом до 85 — 90%. Примером такой добычи является Ярегское нефтяное месторождение в Республике Коми.

Скважинными способами разрабатываются месторождения жидких природных битумов (битуминозная нефть) с глубиной залегания, как правило, более 100 метров. При скважинных способах коэффициент нефтеотдачи достигает в среднем 30%. В Татарстане битуминозную сверхвязкую нефть в экпериментально-показательном и пока убыточном проекте добывают на

Ашальчинском месторождении. Здесь пробурено несколько пар дугообразных с выходом на дневную поверхность скважин. В паре скважины параллельны, располагаясь друг над другом на расстоянии несколько метров. Одна из скважин предназначена для закачки пара, прогревающего пласт. Другая для откачки нефти, ставшей менее вязкой под воздействием прогрева.

Природные битумы не являются сами по себе товарным продуктом, как нефть или газ. Для получения из них товарного продукта нужны дополнительные технологические процессы. В качестве товарного продукта переработки природных битумов может рассматриваться «синтетическая нефть» — вид сырья, альтернативный природной нефти. Кроме того, являясь многокомпонентным полезным ископаемым, природные битумы помимо углеводородов нередко содержат нафтеновые кислоты, сульфокислоты, простые и сложные эфиры, серу, редкие цветные металлы (ванадий, никель, рений) в кондиционных концентрациях. Минимальная концентрация ванадия в природных битумах, при которой выгодна его промышленная добыча составляет 120 г/т, а никеля — 50 г/т.

Свойства и методы получения

- Нефтяные битумы

- Битумы твёрдых горючих ископаемых

Мировые запасы природного битума составляют около 580 млрд т, добыча 115 млн.т (на 1981).

Применение

- Битумные лаки

- Битумные материалы

Интересные факты

Битум является аморфным веществом, то есть в твёрдом состоянии проявляет свойства жидкости. Чтобы доказать это, в 1927 г. сотрудник Квинслендского университета Томас Парнелл поместил битум в воронку и стал ждать, когда он вытечет. Эксперимент удался: первая капля упала через восемь лет, за что Парнелл и удостоился Шнобелевской премии.

Битум — древнейший строительный и отделочный материал. О свойствах природного битума — «земляной смолы», применявшейся для скрепления наконечников древних копий и делающей посуду водонепроницаемой, древний человек знал ещё в эпоху неолита. Битумная посуда предшествовала глиняной. Битум использовали в строительстве для изоляции достаточно редкого для Месопотамии дерева. Природный битум часто использовался как связующее вещество при создании мозаик из полудрагоценных камней и раковин (Урский штандарт, мозаичное панно из аль-Убейда).

В древнем мире монополия на природный битум изначально принадлежала Месопотамии и составляла значительную часть экспорта. В Древнем Египте битумом пользовались для бальзамирования и мумификации. В Древнем Шумере эту субстанцию называли «эсир», аккадцы — «идду», арабы, проживавшие на территории Ирака, дали ей много имён: «сайали», «зифт» и «кар».