XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение

В современной нефтепереработке одним из основных процессов производства значительных объемов высокооктанового компонента бензина и сырья нефтехимии является каталитический крекинг в псевдоожиженном слое катализатора (Fliud Catalytic Cracking – FCC).

В технологическом процессе при взаимодействии газа с жидкостью в массообменных аппаратах образуются капли, которые уносятся газовым потоком из зоны контакта фаз, а затем из аппарата. Унос капель существенно снижает эффективность массообмена, загрязняет окружающую среду, а при взаимодействии ценных продуктов увеличивает их потери.

Для очистки газа от жидкости, конкретно для извлечения и сбора капель широких фракций легких углеводородов из газовых потоков в последней ступени очистки в процессах нефтепереработки может быть использован сепаратор-каплеотбойник.

В современных нефтеперерабатывающих технологиях для исключения уноса жидкости из сепарационного аппарата, устанавливают инерционные, центробежные или комбинированные сепарационные устройства. Чаще для выделения капельной взвеси из газового потока используют инерционные отбойники, а также слои металлической сетки. Металлические сетки быстро забиваются механическими примесями, поэтому их применение ограничено.Для повышения надежности применяются жалюзийные отбойники, выполненные из гофрированных листов с карманами для жидкости, снабженные сливной трубой, погруженной в жидкость гидрозатвора для исключения проскока газа, как показано в [1. Машины и аппараты химических производств: Учебник для вузов / И.И.Поникаров, О.А.Перелыгин, В.Н.Доронин, М.Г.Гайнуллин. - М.: Машиностроение, 1989. 368 с.].

Однако они эффективно работают лишь в горизонтальных сепараторах. В вертикальных сепараторах, жидкость до входа в карманы, ввиду противоположного потока жидкости и газа, уносится потоком газа, что сильно снижает эффективность очистки.

В [2. Сепаратор-каплеотбойник. Патент RU 2236889 С1. 7В01 45/00, 45/06. 27.09.2004 Бюл. №27.], предложена конструкция сепаратора-каплеотбойника, состоящего из цилиндрического корпуса, включающий в себя входной и выходной штуцеры, а также внутренние камеры, разделенные сплошной съемной перегородкой и содержащие каплеотбойники, радиатор и диспергатор. Недостатком данного сепаратора-каплеотбойника является также ограничение его применения в горизонтальном положении. Он не может эффективно использоваться как вертикальный сепаратор. В нем вертикальное движение газовых потоков.

В [3. Патент на полезную модель РФ Ишмурзин А. А., Ишмурзина Н. М. Камалов А. М. Сепаратор-каплеотбойник для тонкой очистки газа от жидкости, https://poleznayamodel.ru/model/6/65785.html ] предлагается каплеотбойник с повышенной эффективностью очистки газа от жидкости, в том числе широких фракций легких углеводородов из газа в вертикальных сепараторах. Для этой цели в сепараторе-каплеотбойнике контактные отбойные элементы выполнены в виде продольных пластин, имеющих угол наклона 3...5 градусов к вертикали, а устройство для ввода газа выполнено радиально-щелевым, направляющим поток газа в сторону сферической поверхности, являющейся естественным распылителем газа.

Принцип работы каплеуловителей базируется на нескольких, вполне очевидных закономерностях:

1. Чем больше капля, тем больше скорость воздушного потока, в котором она способна витать.

2. Чем меньше скорость воздушного потока вдоль поверхности, тем меньше вероятность отрыва стекающей по

ней (поверхности) капли.

3. Чем меньше скорость воздушного потока вдоль поверхности, покрытой сплошной водяной пленкой, тем меньше вероятность появления волны и отрыва от нее капли.

4. Чем больше турбулентность, неравномерность потока, тем выше вероятность столкновения, слияния, укрупнения капель.

5. При ударе о твердую поверхность, витающая в потоке капля теряет кинетическую энергию и под действием гравитации стекает по поверхности вниз.

Эффективность работы каплеуловителя зависит от размера капель, скорости и равномерности потока воздуха, конструкции каплеуловителя, формы ламелей и расстояния (шага) между ними. Чем меньше скорость воздуха, тем меньшее расстояние между ламелями следует делать. Профиль, имеющий большее аэродинамическое сопротивление, как правило, обладает и лучшей каплеулавливающей способностью.

Следует также учитывать, что капли адсорбируют на своей поверхности частицы пыли, содержащиеся в воздухе и при столкновении капель с ламелями, на ламелях могут осаждаться загрязнения. Этот процесс приводит к облипанию твердыми частицами (обрастанию) кассеты каплеуловителя, заливанию водосборного поддона и дренажной системы. В какой-то степени каплеуловители выполняют роль фильтров. Поэтому при разработке и установке каплеуловителей следует предусматривать возможность их очистки и технического обслуживания.

Каплеуловетели обеспечивают эффективное решение проблем уноса жидкости во многих типах оборудования: колонны очистки, абсорберы, испарители, каплеотбойники, трехфазные сепараторы, установки осушки газа.

Каплеотбойники используются в различных отраслях промышленности, таких как химическая, нефтяная, энергетическая, легкая, с целью задержать и предотвратить выброс в атмосферу вредных веществ, содержащихся в газе или влаге. В процессе движения газа при работе установок для осаждения мелких капель силы тяжести обычно оказывается недостаточно, и они остаются взвешенными в газовой фазе, что подтверждается на практике. Улучшение разделения достигается с помощью каплеотбойника, который задерживает жидкие капли и снижает унос жидкости с потоком газа на выходе до допустимого уровня, как правило, 0,01 мл на 1 м³.

В нефтяной, химической, газоперерабатывающей промышленности каплеотбойник изготавливается из сталей, часто легированных, и задерживает примеси газовых потоков.

Два основных типа каплеотбойников будут рассмотрены далее: сетчатые и пластинчатые. Оба типа позволяют достичь извлечения до 99% капель жидкости размерами свыше 10 мкм из потока газа. Ниже детально описывается конструкция каждого типа.

Целью работы является анализ существующих каплеотбойников и технологий работы этих устройств.

Задачи исследования:

1. Теоретическое описание основных видов каплеотбойников.

2. Обзор существующих каплеотбойников для очистки газа.

3. Анализ каплеотбойников.

2. Теоретическое описание основных видов каплеотбойников

2.1 Сетчатые каплеотбойники.

Сетчатые каплеотбойники — экономичные, универсальные и эффективные устройства для извлечения взвешенных капель жидкости из потока газа. Матричная конструкция или подушки вязаной проволочной сетки из различных материалов. Толщина нитей может варьироваться в соответствии с конкретными эксплуатационными требованиями. Извлечение жидких капель из газа в сетчатых каплеотбойниках осуществляется в несколько стадий:

Взаимодействие капель с нитями сетчатого материала;

Коалесценция захваченных капель на поверхности нити;

Укрупнение капель и их осаждение.

Сетчатые каплеотбойники используются как в вертикальных, так и в горизонтальных сепараторах. Они изготавливаются в различных формах и профилях, чтобы соответствовать различным конфигурациям сосудов и могут быть секционными для удобства монтажа через люк сосуда. Сетчатый каплеуловитель состоит из сегментов, намотанных из предварительно гофрированной рукавной вязанной сетки. В данном устройстве верхние сегменты имеют большую в сравнении с нижними объемную плотность укладки сетки. Каплеуловитель работает как за счет инерционных эффектов, так и за счет барботажа пара через слой жидкости, удерживаемой в сетке (при факторах скорости более 5). Кроме того, конструктивное исполнение контактной части (при необходимости) существенно облегчает ее обслуживание. Специальная конструкция опорной решетки уголкового типа существенно увеличивает диапазон работы устройства при обеспечении слива сепарированной жидкости.

Каплеотбойники обычно поставляются в комплекте с опорами, такими как кольцо и подвесы для поддержки; они позволяют легко и аккуратно установить конструкцию внутри сосуда. В комплект также можно включить другую фурнитуру, как зажимы, П-болты, и т.д. из спец. материала. Материал каплеотбойников и фурнитуры выбирается в соответствии с эксплуатационными требованиями. Сетчатые каплеотбойники имеют широкую область применения, за исключением сепарации тяжелых нефтей с высоким содержанием парафина и асфальтенов. Для сетчатых каплеотбойников обычно требуется большая площадь поверхности, чем для пластинчатых, однако сетчатые дешевле, чем пластинчатые, и обрабатывают эквивалентный поток газа.

Наиболее распространенным используемым в производстве является каплеотбойник из вязаной проволочной сетки. Эти ячейковые каплеотбойники состоят из слоя вязаной проволочной сетки, уложенной между двумя жесткими решетками, служащими опорой. Капли жидкости собираются на проволоке, при прохождении потоков пара через данный слой. Под действием силы тяжести скопившаяся жидкость стекает с ячейковых каплеуловителей. Системы из вязаной проволоки могут применяться в грязных, сверхэффективных коагуляторах мелкодисперсного тумана с коррозийно-агрессивными материалами. Гидравлическим расчетом, основанным на технических требованиях, рассчитывается площадь этой системы. Далее разрабатывается наиболее подходящая конфигурация устройства, соответствующая размерам разделителя для обеспечения максимальной эффективности. Каплеотбойники могут быть круглыми, прямоугольными, V-образными. Данные каплеотбойники способны отводить 100% капель жидкости диаметром более 3-10 мкм. Толщина устройства обычно составляет 100 - 150 мм, а при необходимости более высокой эффективности или для систем, где используются вещества с большей загрязняющей способностью, доходит до 300 мм.

2.2 Пластинчатые каплеотбойники.

Пластинчатые каплеотбойники различных конструкций обеспечивают следующие преимущества: высокая производительность, устойчивость к засорению, низкий перепад давления, пеногашение.

Конструкция включает серию параллельных пластин, установленных так, чтобы вынудить поток газа с каплями жидкости изменить направление несколько раз внутри пакета пластин. При изменении направления течения газа капли жидкости, обладающие большей плотностью и импульсом, продолжают движение по прямолинейной траектории и ударяются о поверхность пластин. Задержанные капли коалесцируют, укрупняются и под действием силы тяжести стекают по поверхности пластин в накопительную камеру. С целью предотвращения повторного уноса капельной жидкости конструкция оснащена карманами или складками, в которых создаются неподвижные зоны для скоалесцировавших капель.

Вторая особенность пластинчатых каплеотбойников — это способность удерживать слой пены и, благодаря развитой площади, обеспечивать ускоренное разрушение пены.

Пластинчатый каплеуловитель обеспечивает более высокую производительность обработки газовой нагрузки. Кроме того, если пластины установлены в горизонтальном потоке газа, а не в вертикальном, они могут работать с еще более высокими скоростями потоков газа. Они менее эффективны при отводе очень мелких капель, чем сетчатые каплеуловители. Стандартная конструкция предназначена для отвода капель с диаметром более 30 мкм.

Пластинчатые каплеотбойники могут использоваться как в вертикальных, так и в горизонтальных сепараторах. Обычно поставляются в виде батареи пластин в кожухе с размерами, рассчитанными для конкретного сепаратора с учетом эксплуатационных требований. Выбор материала пластин осуществляется исходя из условий технологического процесса. Каплеотбойники изготавливаются с болтовым креплением, удобным для установки и демонтажа через люк.

3. Обзор существующих каплеотбойников.

3.1 Центробежный каплеотбойник.

Каплеотбойник относится к устройствам центробежного типа для очистки газа и может быть использован для разделения газожидкостных потоков, а также жидкостей разной плотности в нефтяной, газовой, химической отраслях промышленности.

В [4. Патент на полезную модель РФ Литвиненко А. В., Бойко С. И., Шеин О. Г. Центробежный каплеотбойник, https://patents.s3.yandex.net/RU86111U1_20090827.pdf], содержащем полотно с установленными на нем сепарационными центробежными элементами и дренажный патрубок, каждый сепарационный центробежный элемент установлен в перфорированном цилиндре. Кроме того, между перфорированными цилиндрами и полотном каплеотбойника выполнен зазор. Размещение в перфорированных цилиндрах сепарационных центробежных элементов позволяет на стенках перфорированного цилиндра отделить жидкость от газа, отведя при этом газ из зоны контакта через отверстия перфорации. Выполнение между перфорированными цилиндрами и полотном каплеотбойника зазора упрощает дренаж отделившейся от газа жидкости.

Центробежный каплеотбойник содержит полотно, размещенные на полотне сепарационные центробежные элементы. Каждый сепарационный центробежный элемент содержит обечайку, завихритель, каплесъемник и центральное отверстие. Каждый сепарационный центробежный элемент установлен с зазором в перфорированном цилиндре, что позволяет повысить эффективность разделения и диапазон эффективной работы устройства по содержанию жидкости в газе. Между основанием перфорированного цилиндра и полотном каплеотбойника выполнен зазор. Каплеотбойник содержит дренажный патрубок. Центробежный каплеотбойник работает следующим образом: Газожидкостная смесь поступает в центробежный элемент через тангенциальный завихритель, где поток приобретает вращательное движение. В образовавшемся центробежном поле происходит отделение капель жидкости из газового потока и осаждения их на внутреннюю поверхность центробежного элемента. Далее основной поток газа отводится из центробежного элемента через центральное отверстие. Жидкость, осевшая на внутреннюю поверхность центробежного элемента, вместе с частью газа отводится из элемента через каплесъемник и попадает в пространство между перфорированным цилиндром и центробежным элементом. Жидкость отбрасывается на внутреннюю поверхность цилиндра и стекает по ней вниз, а газ отводится через перфорированные отверстия цилиндра. Накопившаяся на полотне жидкость отводится через зазор и дренажный патрубок.

3.2 Сепаратор-каплеотбойник.

Сепаратор-каплеотбойник служит для тонкой очистки газа от жидкости, в том числе для извлечения и сбора капель широких фракций легких углеводородов газовых потоков на последней ступени очистки в процессах нефтегазодобычи, нефтепереработки и нефтехимии. Существует вертикальный и горизонтальный сепаратор-каплеотбойник.

Вертикальный каплеотбойник состоит из блока мультициклонов, а в горизонтальный входит выравниватель уровня, порфорированные пластины, лопастной каплеотбойник. Горизонтальный каплеотбойник используют тогда, когда входной поток содержит много жидкости.

В общем случает сепаратор-каплеотбойник включает в себя:

Основную сепарационную секцию.

Секцию отделения капель.

Секцию сбора жидкости.

В [5. Патент на полезную модель РФ Ишмурзин А. А., Ишмурзина Н. М. Камалов А. М. Сепаратор-каплеотбойник для тонкой очистки газа от жидкости, https://poleznayamodel.ru/model/6/65785.html] контактные отбойные элементы выполнены в виде продольных пластин, имеющих угол наклона 3...5 градусов к вертикали; устройство для ввода газа выполнено радиально-щелевым, направляющим поток газа в сторону сферической поверхности, являющейся естественным распылителем газа; охладитель газа выполнен в виде продольных щелей в стенках, образующих каналы для газа. Капельки жидкости отбиваются не твердой поверхностью, а родственной по свойствам жидкостью, что дает возможность повышать эффективность очистки газа от жидкости, в том числе широких фракций легких углеводородов из газа в вертикальных сепараторах.

Принцип действия сепаратора состоит в следующем. Газ с остаточным содержанием широких фракций легких углеводородов, также находящихся в основном в газообразном состоянии и частично в виде жидкости, диспергированной в потоке газа, поступает в корпус сепаратора через входной штуцер. При прохождении сквозь радиально-щелевой распределитель газ и находящаяся в нем жидкость взаимно дробятся, что приводит к увеличению межфазной поверхности и ускорению процесса массообмена, и достижения равновесного состояния системы, т.е. их более полного отделения друг от друга. Часть газа направляется в сторону сферической перегородки, отбиваясь от которой оставляет на поверхности жидкие компоненты ШФЛУ. Отбившиеся от газа капельки жидкости стекают в конденсатосборник, а газ рассеивается, что способствует равномерному распределению потока газа по сечению сепаратора. Далее газ направляется в расщелину между стенками, попадая одновременно во все отсеки, образованные между чередующимися полками с карманами для жидкости. При прохождении через продольные щели в стенке канала газ теряет часть своего давления и охлаждается, выделив при этом из своего состава ШФЛУ в виде жидкости. При прохождении по лабиринтам канала двухкомпонентный поток многократно сталкивается с отбойной стенкой, на которой адсорбируется жидкая фаза и по мере накопления стекает в карманы для жидкости. При этом благодаря небольшому наклону (3-5°) стенок траектории движения жидкости и газового потока расходятся, что исключает их взаимный унос. Жидкость по наклонным плоскостям сливных полок попадают в дренажный канал, и далее в конденсатосборник и периодически по уровню отводится в дренажную емкость. В сепараторе используется естественное охлаждение газа.

3.3 Секционный каплеотбойник.

Секционный каплеотбойник предназначен для очистки газов и может быть использован в первую очередь на предприятиях химической, газо- и нефтеперерабатывающей промышленности в различных системах очистки, переработки и транспортирования газов.

Каплеотбойник [6. Патент на полезную модель РФ Лаптев А.А., Мигаль В.С.,Федосеев Г.А., Тюрин В.С., Никонов А.В., Кузнецов Е.Ф. секционный каплеотбойник, https://yandex.ru/patents/doc/RU2179057C1_20020210] снабжен устройством улавливания отрывающихся капель, состоящим из желобков. Каждая секция каплеотбойника выполнена в форме сектора кругового кольца и ограничена обоймой по периметру пакета. Все желобки объединены в одну крепежную и дренажную систему посредством соединительных чаш и вертикальных стяжных болтов. Секции каплеотбойника, кроме центральных, установлены с уклоном от оси к периферии устройства. Изобретение обеспечивает высокую эффективность очистки.

В данном изобретении каплеотбойник включает в себя пакет зигзагообразной сетки, опирающиеся на систему крепления, выполненную из желобков, расположенных по нижним граням пакетов и выполняющих одновременно функции дренажа каплеотбойника. Каплеотбойник снабжен устройством улавливания отрывающихся капель, состоящим из желобков, расположенных в верхней части каплеотбойника. Каждая секция каплеотбойника, состоящая из пакета и обоймы, выполнена в форме сектора кругового кольца и ограничена обоймой по периметру пакета, причем составленные из секций круговые кольца концентрически вставлены друг в друга. Все его верхние и нижние желобки объединены в одну крепежную и дренажную систему посредством соединительных чаш и вертикальных стяжных болтов, а секции каплеотбойника, кроме центральных, установлены с уклоном от оси к периферии устройства.

Работу устройства рассмотрим на примере одного из вариантов его исполнения - секционного каплеотбойника для сепараторов вертикальной установки. При прохождении газового или парового потока, насыщенного каплями жидкости через каплеотбойник, частицы жидкости, испытывая инерционные силы, оседают на проволоках пакета, состоящего из многослойной зигзагообразной сетки. По волокнам проволоки жидкость достигает стенок пакета и по ним стекает в крепежные желобки, расположенные в нижней части каплеотбойника. Эти желобки обращены вогнутой частью вверх и играют роль дренажной системы каплеотбойника. За счет турбулизации потока граница жидкостного слоя становится неустойчивой и склонной к образованию вторичных капель. Проходящим через сепаратор интенсивным газожидкостным потоком эти капли могут срываться с поверхности стенок, но при этом они попадают в устройство для улавливания вторичных капель, который представляет собой систему желобков, повернутых вогнутой частью вниз и располагающихся по границам раздела секций над обоймами.

Заключение

Каплеотбойники в технологических процессах необходимы для задерживания жидких капель для очистки газа и снижения уноса жидкости с его потоком на выходе. Проанализировав существующие каплеотбойники для отчистки газа, можно сделать вывод, что наиболее подходящим для применения является сепаратор-каплеотбойник: он имеет повышенную эффективность очистки газа от жидкости, в том числе широких фракций легких углеводородов из газа.

Список литературы

Машины и аппараты химических производств: Учебник для вузов / И.И.Поникаров, О.А.Перелыгин, В.Н.Доронин, М.Г.Гайнуллин. - М.: Машиностроение, 1989. 368 с

Сепаратор-каплеотбойник. Патент RU 2236889 С1. 7В01 45/00, 45/06. 27.09.2004 Бюл. №27

Патент на полезную модель РФ Ишмурзин А. А., Ишмурзина Н. М. Камалов А. М. Сепаратор-каплеотбойник для тонкой очистки газа от жидкости, https://poleznayamodel.ru/model/6/65785.html

Патент на полезную модель РФ Лаптев А.А., Мигаль В.С.,
Федосеев Г.А., Тюрин В.С., Никонов А.В., Кузнецов Е.Ф. секционный каплеотбойник, https://yandex.ru/patents/doc/RU2179057C1_20020210

Сайт AMCOR фильтрационное оборудование URL: https://amcor.ru/filtertechnik/kapleuloviteli-kapleotdeliteli/

Научная электронная библиотека URL: https://www.elibrary.ru/keyword_items.asp?id=20698900

Электронная библиотека БГТУ URL:https://elib.belstu.by/handle/123456789/27608

Дмитриев А.В., Макушева О.С., Николаев А.Н. Очистка газовых выбросов в вихревых камерах с разбрызгивающим устройством// Экология и промышленность России. 2010.

Афанасенко В.Г., Иванов С.П., Боев Е.В., Николаев Е.А. Использование сил центробежной сепарации в процессе улавливания мелкодисперсной капельной жидкости в градирнях// Химическая промышленность сегодня. 2008.

Боев Е.В., Хасанов Т.А., Афанасенко В.Г. Сетчатый водоуловитель градирни из полимерных материалов и композиций на их основе// Актуальные проблемы современной науки. 2009.

Код для цитирования: Скопировать