книги / Переработка нефтяных и природных газов

тарелками: колпачковыми, клапанными, ситчатыми, трубчаторешетчатыми и др.

Эффективность^'работы абсорбционных и ректификационных колонн зависит от конструктивных особенностей и геометрических размеров тарелок, технологических условий проведения процесса и физических свойств взаимодействующих фаз. На эффективность работы оказывает также влияние количество и характер механи­ ческих примесей, циркулирующих в системе (склонность их к ад­ гезии на твердых поверхностях и т. д.). Поэтому сравнительная оценка эффективности массообменных аппаратов с различными контактными устройствами является сложной практической за­ дачей — обобщающие рекомендации по этому вопросу пока от­ сутствуют.

Первые отечественные газоперерабатывающие заводы были оснащены абсорбционными Jn ректификационными колоннами с круглоколпачковыми и желобчатыми тарелками — был заим­ ствован опыт нефтеперерабатывающей и других смежных отрас­ лей промышленности. В 60-х годах на зарубежных нефте- и газо­ перерабатывающих заводах получили распространение клапан­ ные тарелки, так как они имели более высокую производитель­ ность и обеспечивали хорошую эффективность разделения в широ­ ком диапазоне изменения нагрузок (диапазон устойчивой работы тарелок типа «Глитч» составляет 5—8*). Клапанные тарелки при­ мерно в 1,5 раза легче колпачковых, для изготовления и монтажа их требуется значительно меньше времени, стоимость изготовле­ ния клапанных тарелок на 30—40% меньше стоимости колпач­ ковых.

В зависимости от характера движения жидкости и газа (пара) клапанные тарелки могут быть с противоточным, перекрестным или прямоточным движением взаимодействующих фаз. Противоточные тарелки не имеют специальных устройств для перетока жидкости, они работают по принципу трубчато-решетчатых и дру­ гих провальных тарелок, на которых жидкость и газ (пар) про­ ходят через одни и те же отверстия и контактируют между собой в условиях противотока. Тарелки с перекрестным и прямоточным движением фаз имеют специальные устройства для перетока жид­ кости, поэтому при нормальной их работе газ (пар) движется через отверстия, над которыми располагаются клапаны, а жид­ кость движется горизонтально по тарелке от приемного к слив­ ному карману.

На рис. V.16 приведена схема работы клапанной прямоточной нормализованной тарелки конструкции ВНИИнефтемаша, кото­ рая выпускается на отечественных машиностроительных заводах. Тарелка условно названа прямоточной, так как фактически по мере увеличения нагрузки по газу (пару) она работает в режимах

* Определяется отношением скорости «захлебывания» к скорости вступления тарелки в работу.

391

Жидкость

Схема работы клапанной тарелки конструкции БНИИисфтемаш:

а — при малых нагрузках по газу (пару); б — при средних; в — при высоких нагрузках по газу (пару).

противотока, перекрестного тока и прямотока. Такая комбина­ ция движений достигается за счет того, что дисковый клапан тарелки имеет один короткий и два длинных направляющих стержня, расположенных (в плане) под углом 120°, а центр тя­ жести клапана смещен в сторону длинных стержней.

В литературе отсутствуют данные об эффективности тарелок типа «Глитч» и тарелок конструкции ВНИИнефтемаш, на основа­ нии которых можно было бы составить мнение о преимуществах тех и других контактных устройств. Практика показывает, что при больших плотностях орошения и высоких давлениях клапан­ ные нормализованные тарелки недостаточно эффективны. Большой недостаток этих тарелок — возможность «заклинивания» клапа­ нов в одном из рабочих положений, в результате чего значитель­ ная часть жидкости перетекает с тарелки на тарелку без доста­ точного контакта с газом (паром). Поэтому эффективность «прямо­ точных» тарелок оказывается в ряде случаев намного ниже полу­ ченной в стендовых условиях. Диапазон устойчивой работы «пря­ моточных» клапанных тарелок (при L/G — const) не превышает 3—5. В этом диапазоне эффективность (к. п. д.) тарелок может из­ меняться на 30—40%.

После появления клапанных тарелок их стали использовать в аппаратах различного назначения, включая абсорберы, абсорб- ционно-отпарные колонны, деметанизаторы и др. В этих аппара­ тах процессы массообмена протекают, как правило, при больших соотношениях потоков жидкость—газ. Производительность «пря­ моточных» клапанных тарелок определяется в этих условиях на­ грузкой по жидкости, поэтому стремление обеспечить нормаль­ ную работу контактных устройств приводит к необходимости увеличения диаметра аппарата при наличии значительного за­ паса по скорости газа (пара). В нижней части абсорбционно-от- парных колонн, например где фактическая скорость газа (пара) составляет 50—60% от скорости «захлебывания», интервал эф­ фективной работы тарелок оказывается в связи с этим в 1,3— 1,5 раза ниже, чем при оптимальных условиях эксплуатации, т. е.

392

Рис. V.18.

рельчатом расстоянии 450—600 мм. Поэтому применение таре­ лок МД позволяет увеличить число теоретических ступеней раз­ деления на единицу высоты массообменного аппарата и обеспечить за счет этого реализацию процесса при более низком флегмовом числе, а следовательно, и при более низких энергетических за­ тратах (при разделении пропан-пропиленовой фракции в аппарате с тарелками МД экономия энергозатрат составляет 30—50%). Ниже приведена сравнительная оценка эффективности разделе­ ния пропан-пропиленовой фракции в колонне с клапанными и ситчатыми многопоточными тарелками МД [37]:

Из приведенных данных следует в частности, что применение тарелок МД позволило увеличить в 1,5 раза производительность колонны и на 30% уменьшить флегмовое число. Имеющиеся в ли­ тературе данные свидетельствуют о целесообразности использо­ вания тарелок МД не только при больших, но и при низких соот­ ношениях взаимодействующих потоков (L/G).

394

В ректификационных и абсорбционных колоннах ГПЗ соотно­ шение потоков изменяется от 1 до 8. Поэтому нормализованные клапанные прямоточные тарелки не могут иметь в разных сече­ ниях одинаковый интервал эффективной работы, так как в одном случае они не догружены по газу (пару), в другом — по жидкости. Применение тарелок МД позволяет устранить этот недостаток, так как в этом случае при больших LlG можно увеличить пери­ метр слива тарелки, а при малых и средних LlG имеется возмож­ ность увеличить их свободное сечение за счет сокращения пло­ щади, занятой переливными устройствами. Фирма Юнион Карбайд Корпорейшен запроектировала 20 установок, на которых для раз­ деления пропан-пропиленовой фракции используют колонны с та­ релками МД (максимальный диаметр колонн 4,6 м, число тарелок 98—200, расстояние между тарелками 250—350 мм) [39].

Тарелки этого типа могут быть использованы в аппаратах раз­ личного назначения, включая абсорберы установок очистки газа от H2S и С02, деметанизаторы, депропанизаторы и другие аппараты газо- и нефтеперерабатывающих заводов. Особенно большой эф­ фект может быть получен при реконструкции действующих агре­ гатов, предназначенных для разделения смесей углеводородов, имеющих близкие относительные летучести.

Во ВНИИгаз была разработана многопоточная ситчатая та­ релка типа МД с отверстиями диаметром 6,3 или 10 мм, верхние кромки которых «вытянуты» на высоту 2 мм, т. е. отверстия на этих тарелках имеют примерно форму сопла. Это позволяет сни­ зить сопротивление, увеличить производительность и диапазон устойчивой работы контактных устройств, а также создает благо­ приятные условия для обработки загрязненных сред.

На Оренбургском ГПЗ тарелки конструкции ВНИИгаз ис­ пользуют в абсорбционно-отпарной колонне, предназначенной для деэтанизации широкой фракции углеводородов (диаметр аппарата 1,8/2 м, свободное сечение тарелок 2,5%, расстояние между та­ релками 600 мм, плотность пара 9,4 кг/м3). Применение в этом аппарате клапанных тарелок привело бы к необходимости увели­ чения диаметра аппарата в 1,5—2 раза и, как следствие, к сниже­ нию рабочей скорости газа (пара), а также к сокращению интер­ вала эффективной работы аппарата в 2—4 раза. Ректификацион­ ные колонны с такими тарелками работают на Казахском и Ухтин­ ском газоперерабатывающих заводах.

На Мубарекском ГПЗ в двух абсорберах установок сероочистки природного газа используют четырех- и шестипоточные тарелки МД конструкции ВНИИгаз. Диаметр аппаратов 2,5 и 3,4 м, рас­ стояние между тарелками 600 мм (такое повышенное межтарель­ чатое расстояние было принято из-за отсутствия опыта). В десяти абсорберах завода вместо насадки Рашига были смонтированы двухпоточные ситчатые тарелки с отбортовкой отверстий, так как керамические кольца Рашига «спекались» в монолитные соедине­ ния вследствие поступления в систему ингибитора коррозии и

395

механических примесей; в результате уменьшалось свободное се­ чение насадки и создавались условия для неравномерного распре­ деления жидкости и газа в зоне контакта фаз. Это приводило ^сни­ жению эффективности очистки и необходимости повышения 'цир­ куляции в системе раствора моноэтанол амина (МЭА). Замена ко­ лец Рашига на ситчатые тарелки позволила обеспечить стабиль­ ную работу аппаратов при более высокой производительности и более низкой кратности орошения (табл. V.7) [40]. Указанные мероприятия позволили .ускорить наращивание мощностей по очистке газа на Мубарекском ГПЗ.

Существует мнение [41 ], что ситчатые тарелки можно исполь­ зовать только для очистки и разделения чистых сред в колоннах диаметром не более 2,4 м при небольших изменениях нагрузок. Опыт эксплуатации газоперерабатывающих заводов свидетель­ ствует о возможности расширения области использования ситчатых тарелок — на ГПЗ они успешно применяются в абсорбцион­ ных и ректификационных аппаратах диаметром от 0,6 до 3,4 м. При этом в ряде случаев ситчатые тарелки вынуждены были по­ ставить вместо колец Рашига.

На ситчатых тарелках механические примеси и продукты окис­ ления не удерживаются — они скапливаются в нижней части абсорбера и извлекаются оттуда во время профилактического ре­ монта. Ситчатые тарелки конструкции ВНИИгаз обеспечивают нормальную работу массообменных аппаратов при трех— четырех­ кратном изменении нагрузок. Такой интервал соответствует тре­ бованиям ГПЗ тем более, что при трех- — четырехкратном сни­ жении производительности поддерживать заданный технологиче­ ский режим становится затруднительным независимо от типа

396

тарелок, так как нормальная эксплуатация установок начинает лимитироваться в этом случае работой контрольно-измеритель­ ных приборов, теплообменной аппаратуры, компрессорного и дру­ гого оборудования.

Поэтому на ГПЗ при значительном уменьшении объема подачи газа производительность однотипных технологических линий (установок) «выравнивается» за счет перераспределения сырья, а это значит, что при наличии на заводе двух линий (установок) четырехкратное сокращение подачи сырья на одну из них может привести менее чем к двухкратному изменению нагрузок абсорб­ ционных и ректификационных колонн (на Оренбургском ГПЗ, например на установках сероочистки 18 однотипных технологи­ ческих линий, в составе которых шесть абсорберов с клапанными тарелками типа «Глитч», шесть — с насадкой из колец Палля и шесть — с ситчатыми тарелками).

При проектировании новых и реконструкции действующих га­ зоперерабатывающих заводов можно использовать трубчато-ре­ шетчатые тарелки (с переливными или без переливных устройств). Применение их позволяет отводить или подводить тепло непосред­ ственно в зоне контакта фаз, что создает благоприятные условия для проведения процессов абсорбции, деметанизации, деэтанизации, осушки газа и др.

Для организации заданного теплового режима в трубное про­ странство тарелок необходимо подавать соответствующие тепло­ носители — для съема тепла, например, можно использовать ис­ кусственный или естественный холод. На Краснодарском нефте­ газоперерабатывающем заводе в трубное пространство тарелок абсорбера подавали газовый конденсат — абсорбент, который по­ ступал с различных газоконденсатных месторождений. Летом его охлаждали в системе аммиачного холодильного цикла до 10— 15 °С, зимой конденсат поступал при достаточно низкой темпера­ туре и поэтому использовался в качестве хладоагеита без пред­ варительного охлаждения (холодильная установка зимой не ра­ ботала) [42].

На этом заводе для изучения эффективности процесса абсорб­ ции углеводородных газов в условиях изотермического режима была смонтирована опытная колонна с трубчато-решетчатыми та­

которая имела два промежуточных циркуляционных аммиачных холодильника — съем тепла осуществлялся в результате охла­ ждения абсорбента после 10-й и 20-й тарелок.

Анализ работы указанных аппаратов показал, что при прове­ дении процесса абсорбции в условиях, близких к изотермическим, извлечение пропана и более тяжелых углеводородов значительно

397

возрастает. Данные для сравнительной оценки эффективности ап­ паратов приведены в табл. V.8.

Эффективность трубчато-решетчатых тарелок изменяется мо­ нотонно в интервале устойчивой работы — при постоянной плот­ ности орошения извлечение пропана и более тяжелых углеводоро­ дов уменьшается с увеличением скорости газа, а к. п. д. тарелок увеличивается [42]. Коэффициент теплопередачи от барботажного слоя к стенке трубной решетки при L > 10 м3/(м2-ч) не за­ висит от скорости газа, плотности орошения и физических свойств взаимодействующих фаз и составляет в среднем 5024 кДж/(м2- ч • °С) [42].

Наряду со спиральными трубчато-решетчатыми тарелками из­ вестны аналогичные контактные устройства, в основу которых положена плоскопараллельная трубная решетка [43]. Свободное сечение таких тарелок можно изменять от 8 до 30% (для дальней­ шего увеличения пока нет достаточных оснований). На рис. V.19 приведены характерные зависимости сопротивления орошаемых трубчато-решетчатых тарелок и высоты «пены» от скорости газа в свободном сечении колонны при постоянной плотности орошения для аппарата диаметром 400 мм.

Обобщение экспериментальных данных, полученных при ис­ пытании трубчато-решетчатых тарелок в условиях абсорбции неф­ тяных газов при давлениях 0,01—3,8 МПа (р,т = 1,29—25,3 кг/м3) показало, что эти тарелки имеют высокую производительность, низкое гидравлическое сопротивление и могут быть использо­ ваны в широком диапазоне изменения нагрузок. При рабочей скорости газа, равной 0,8№1фед, сопротивление тарелок изме­ няется от 196 до 490 Па (при 0,5 < L/G < 8,0). По этим показа­ телям трубчато-решетчатые тарелки значительно превосходят кол­ пачковые, клапанные (нормализованные) и другие контактные устройства.

Интервал устойчивой работы трубчато-решетчатых тарелок уменьшается с увеличением соотношения потоков жидкость—газ:

398

Рис. 1Л/0.

Зависимость сопротивления орошаемой трубчато-решетчатой тарелки (а) и высоты пены

(б) от скорости газа в свободном сечении колонны при различных плотностях орошения.

Система «углеводородный газ —керосин», рабочее давление в колонне 3,8 МПа, диаметр колонны 0,4 м, свободное сечение тарелки 14%, ширина щели на тарелке 5,5 мм. Плот­ ность орошения, м3/(м2*ч): I — 25; 2 — 40; 3 — 60; 4 — 80; 5 — 100.

В этом отношении трубчато-решетчатые тарелки уступают клапан­ ным, если не учитывать, что при больших соотношениях потоков рабочая скорость газа (пара) в аппаратах с нормализованными клапанными тарелками может быть значительно ниже, чем в ап­ паратах с трубчато-решетчатыми тарелками. Это означает, что клапанные тарелки могут иметь в ряде случаев меньший интервал эффективной работы.

Диапазон устойчивой работы трубчато-решетчатых тарелок можно увеличить примерно в 1,5 раза, если на обычную плоско­ параллельную решетку положить металлическую сетку [44] с раз­ мером ячеек 1,5 X 2 мм, 2,5 X 3 мм или 4 X 4,5 мм (свободное сечение сетки должно быть в 1,5—2 раза больше свободного се­ чения тарелки). При Fc = 8—12% необходимо использовать сетку с размером ячеек 1,5 X 2 мм, при Fc = 14—18% — 2,5 X Змм и при Fa = 20—25% — 4 X 4,5 мм. В этом случае интервал устой­ чивой работы дар елок увеличивается вследствие более раннего вступления их в работу [45]. Наличие сетки приводит к увеличе­ нию гидравлического сопротивления контактных устройств, од­ нако при рабочей скорости газа (пара), равной 0,8- Ц711ред гидрав­ лическое сопротивление таких тарелок не превышает 350—700 Па (при 0,5 < L/G < 40), что соответствует примерно сопротивле­ нию клапанных (нормализованных), колпачковых и других кон­ тактных устройств.

Трубчато-решетчатые тарелки имеют хорошие гидравлические характеристики — обладают высокой производительностью и низ­ ким гидравлическим сопротивлением. Поэтому их можно исполь­ зовать не только как устройства для подвода или съема тепла, но и как обычные контактные устройства, работающие без подвода

399

теплоносителя (в этом случае для изготовления тарелок можно использовать трубки от старых теплообменников).

Опыт Миннибаевского газоперерабатывающего завода показал, что в регенераторах раствора МЭА (на блоках очистки газа от С02) круглоколпачковые тарелки забиваются продуктами корро^ зии и другими механическими примесями. Замена этих тарелок на трубчато-решетчатые (без подвода теплоносителя) позволила в 2 раза увеличить производительность аппаратов, снизить гидрав­ лическое сопротивление в системе и уменьшить за счет этого тем­ пературу процесса с одновременным повышением эффективности работы регенераторов (диаметр аппаратов — 2,5 м). Тарелки для этих аппаратов были изготовлены на Миннибаевском ГПЗ — они легко изготавливаются и монтируются в условиях ГПЗ (в этом отношении трубчатые тарелки имеют преимущества перед другими контактными устройствами).

Сравнение результатов работы решетчатых, дырчатых и дру­ гих провальных тарелок показывает, что трубчато-решетчатые тарелки имеют более высокую производительность и более низкое гидравлическое сопротивление. Диапазон устойчивой работы ре­ шетчатых и трубчато-решетчатых тарелок равен примерно 2—3.

Рассматривая вопрос об эффективности работы массообменной аппаратуры, необходимо остановиться на выборе межтарельча­ того расстояния. Опыт показывает, что для абсорбционных и рек­ тификационных колонн установок очистки и разделения углево­ дородных газов расстояние между тарелками должно определяться в результате гидравлического расчета аппаратуры, исходя из условия Н > На + Я с. Для монтажа, ремонта и проведения ин­ спекции необходимо в зависимости от высоты колонны иметь 2— 3 люка (в местах расположения люков расстояние между тарел­ ками принимается больше, чем это необходимо для обеспечения нормальной работы тарелок).

При выборе тарелок на основе гидравлического расчета опре­ деляют производительность, гидравлическое сопротивление, диа­ пазон устойчивой и эффективной работы тарелок, а также учиты­ вают специфику разделяемых сред (наличие и характер механиче­ ских и других примесей), степень сложности и металлоемкость та­ релок, трудоемкость и стоимость их монтажа и ряд других фак­ торов.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОЛОНН С ПРЯМОТОЧНЫМИ КЛАПАННЫМИ ТАРЕЛКАМИ

Методика расчета аппаратов, изложенная в этом разделе, разра* ботана институтом ВНИИнефтемаш для нормализованных прямо­ точных клапанных тарелок с конструктивными размерами по ОСТ 26-02-1401—76 и ОСТ 26-02-1402—76.

На основе данных технологического расчета, а также приня­ тых величин допустимого межтарельчатого уноса жидкости [е ]

400