Регулярные насадки

Насадочные контактные устройства

В последние годы в нефтепереработке в целом и на установках АВТ, в частности, широкое распространение, особенно в вакуумных блоках, находят насадочные РК. В насадочных колоннах формируется наиболее эффективная схема формирования движущих сил процесса массо — теплопередачи: в идеале – полный противоток. Для насадочных колонн вышерассмотренная массообменная характеристика (эффективность разделения) в определенной мере теряет смысл. Более обосновано задание эффективности через ВЭТТ (высота насадки, эквивалентная теоретической тарелке), которая для современных насадок оказывается заметно меньшей, чем межтарельчатое расстояние, которое приходится использовать в тарельчатых колоннах. Ещё заметнее преимущества современных насадок становятся при использовании комбинированной характеристики: гидравлического сопротивления, приходящегося на единицу разделительной способности колонны (теоретическую тарелку), которая выражается через Па/ВЭТТ.

Регулярные насадки

Насадки, как известно, подразделяются на нерегулярные (кольца Рашига, Паля и др.) и регулярные. Последние обладают большими преимуществами и в настоящее время практически вытеснили нерегулярные насадки в крупнотоннажных производствах, в том числе и в нефтепереработке, что делает нецелесообразным их детальный анализ.

Регулярные насадки представляют собой пакеты вертикальных пластин, расположенных параллельно оси колонны, которые изготавливаются из просечных гофрированных листов сложной конфигурации, причем толщина листов составляет доли мм (0,15-0,5 мм). На гофрах выдавливаются отогнутые выступы с отверстиями, направленными вниз, которые обеспечивают расположение соседних листов с определенным зазором по отношению друг к другу, а также непрерывное перераспределение жидкости между соседними листами для выравнивания расходов жидкости по отдельным листам.

Листы скрепляются в монтажные блоки методом точечной сварки. Жидкость стекает по поверхности листов в виде пленки, а пар движется по зазорам между соседними листами. Массообмен при этом протекает на смоченной поверхности листов. Благодаря малой толщине листов и плотной упаковке насадки суммарная поверхность массообмена оказывается весьма значительной (до 500 м2 на 1 м3 насадки). В то же время свободный объем современных насадок (определяется объемом вытесняемой жидкости) превышает 95%.

Преимущества

Основные преимущества регулярных насадок в сравнении с тарельчатыми контактными устройствами:

  • Удельное гидравлическое сопротивление регулярных насадок (Па/ВЭТТ) иногда на порядок меньше, чем соответствующая характеристика для контактных устройств.
  • Регулярные насадки обладают весьма высокой разделительной способностью (ВЭТТ гораздо меньше в сравнении с межтарельчатыми расстояниями для традиционных КУ).

Недостатки

Одновременно насадкам присущи и определенные недостатки:

  • Высокая стоимость, обусловленная сложностью как самой конструкции, так и технологии её изготовления (превышает $1000 за 1 м3 насадки).
  • Чувствительность к равномерности распределения орошения по всей площади насадки, что приводит к возрастанию стоимости оросителей.
  • Меньшая коррозионная стойкость пакетов насадки из-за малой толщины насадочных листов.
  • Сложность организации выводов боковых отборов из колонн.
Кстати, прочтите эту статью тоже:  Ректификационные газы

Последний недостаток следует признать принципиально важным. Действительно, колонны установок АТ-АВТ, как уже отмечалось, характеризуются наличием нескольких точек промежуточных отборов и вводов продуктовых потоков (холодные и горячие циркуляционные орошения, боковые отборы). В этих точках насадку приходится разрывать, устанавливая системы сбора жидкой фазы для её вывода из колонны и системы распределения жидкости для следующего слоя насадки. Решения, используемые для тарельчатых колонн (рис. 3.3), в этом случае практически непригодны. Поэтому для насадочных колонн системы сбора, отвода и распределения жидкости оказываются очень громоздкими, дорогостоящими и характеризуются значительной высотой. В результате размеры колонны, невзирая на малое значение ВЭТТ, а значит, и её стоимость значительно возрастают.

Применение регулярных насадок на Российских НПЗ

Тем не менее на НПЗ РФ, начиная с 1993 г., масштабные работы по реконструкции контактных устройств вакуумных колонн установок АВТ с заменой КУ на регулярную насадку проводили фирмы “Glitsh”, “Koch – Glitsch” [12], “Zulzer”. Обзор этих работ наиболее полно изложен в работе [13]. При этом использовались различные типы регулярных насадок. Однако, невзирая на общность технического решения (применение регулярных насадок), во всех случаях за счет использования данного приема решались и другие технологические задачи, характерные для каждого объекта [14, 15]. В некоторых случаях замене на насадку подвергались не все тарелки вакуумной колонны, а только часть из них. При этом некоторые секции с КУ заменялась на насадку “GEMPAK”, а другие – на более эффективные контактные устройства [15]. Это позволяло обойти сложности, связанные с организацией боковых отборов масляных фракций из насадочных секций в тех случаях, когда одной из целей реконструкции выступала задача организации многоуровневых отборов масляных дистиллятов различного фракционного состава. Подобные решения проводились указанными фирмами и на зарубежных НПЗ [16]. Наиболее успешные результаты при реконструкции вакуумных колонн АВТ были достигнуты в тех случаях, когда решалась задача повышения качества широкой масляной фракции (топливный вариант работы вакуумной колонны) без использования боковых отборов [17-22]. Данное обстоятельство еще раз подчеркивает тот факт, что недостатком противоточной регулярной насадки является сложность организации боковых отборов.

Отечественным аналогом насадки типа Zulzer является насадка ВАКУПАК [23, 24]. Данная насадка была применена НПК «Кедр-89» при реконструкции вакуумных колонн ряда предприятий, в том числе и нефтеперерабатывающих [25, 26]. Во всех случаях при реконструкции были достигнуты поставленные задачи и получен ощутимый экономический эффект.

Кстати, прочтите эту статью тоже:  Распределители жидкости

Наиболее характерные типы регулярных насадок представлены на рис. 3.4.

Отечественная насадка «Вакупак» (рис. 3.4а) представляет собой пакет вертикальных пластин изготовленных методом горизонтального гофрирования. На гофрах имеются отогнутые и направленные вниз выступы с отверстиями, которые обеспечивают заданное расстояние между соседними пластинами при изготовлении насадки. Жидкость стекает по гофрам в виде пленки, а газ движется снизу вверх в зазорах между гофрированными листами. Выступы гофров обеспечивают интенсивное внутреннее перемешивание и турбулизацию потоков жидкости и пара [27].

На рис. 3.4б показана насадка «Кедр», которая  представляет собой пакет вертикальных листов с двунаправленным гофрированием, обеспечивающим обеим фазам возможность перехода в смежные каналы, образованные гофрами. Для улучшения смачивания насадки и создания более равномерной пленки жидкости на поверхности листов перед гофрированием наносят мелкое рифление [26]. Условия смачиваемости существенно влияют на массообменные характеристики насадок: так ВЭТТ для насадки «Вакупак» составляет (0,5–1,1) м, а для насадки «Кедр» с улучшенной смачиваемостью — (0,3–0,5) м. Удельная поверхность отечественной насадки «Кедр» различных модификаций составляет 270-400 м23, а удельная металлоемкость – 210-315 кг/м3, что находится на уровне лучших зарубежных аналогов.

Среди иностранных конструкций большой интерес представляет насадка Меллапак (рис. 3.4в), которая состоит из перемежающихся слоев перфорированного металлического листа малой толщины (0,15 — 0,25 мм). Гофры в соседних слоях насадки повернуты в противоположные стороны. Отмечена высокая эффективность и насадки Гудлоу (рис. 3.4г), представляющей собой свернутую гофрированную спираль из плетеного сетчатого чулка (толщина нити составляет доли мм) [27]. Высокой эффективностью характеризуется и насадка фирмы «Инжехим», разработанная в КНИТУ (рис. 3.5).

Все регулярные насадки проектируются с учетом их последующего монтажа. Для этой цели многие насадки выполняются (раскраиваются) в виде отдельных блоков, размеры которых обеспечивают их прохождение через монтажные люки РК. Затем блоки укладываются при монтаже внутри колонны послойно с минимальными зазорами между отдельными блоками и изолируются относительно стенок колонны монтажной пеной для исключения проскока пара мимо насадки. Ориентация блоков в соседних слоях меняется, что обеспечивает дополнительное перераспределение жидкости в пределах каждого слоя. Свернутые (спиральные) насадки менее удобны для монтажа и используются только в колоннах небольшого диаметра (до 0,8 м), выполненных в виде отдельных царг.

Регулярные насадки

Рис. 3.4 Регулярные насадки

а – Вакупак; б – «Кедр»; в – Меллапак 250; г — насадка Гудлоу

Регулярные насадки

Рис. 3.5. Насадка отечественного производства

Кстати, прочтите эту статью тоже:  Типы ректификационных тарелок

В патентной литературе представлены и другие модификации регулярных насадок [28-34], характеристики которых сопоставимы с вышерассмотренными насадками, однако опыт их использования на установках АТ-АВТ отсутствует.

Преимущество по сравнению с нерегулярными и тарельчатыми КУ

Важным преимуществом регулярных насадок в сравнении с нерегулярными насадками и тарельчатыми КУ является то обстоятельство, что движение как жидкостных, так и газовых потоков по высоте аппарата и по его сечению носит упорядоченный характер. Благодаря структурированию насадок отсутствуют такие эффекты, как «боковой конус» (стекание жидкости к стенкам колонны), байпасирование потоков, эффекты обратного перемешивания фаз. Поэтому при условии достаточно равномерного начального распределения фаз на входе в насадочные блоки коэффициент масштабного перехода в процедурах проектирования может быть принят равным единице. Это обеспечивает надежность переноса данных опытных (стендовых) испытаний на проектируемые объекты, что чрезвычайно важно в современных условиях.

Характерным примером конструктивного исполнения РК с противоточными регулярными насадками являются аппараты с вертикальными контактными решетками конструкции Л. Г. Григоряна (рис.3.6). Основными элементами конструкции являются вертикальные решетки 1, зажатые между перегородками 2 зигзагообразной формы (рис. 3.6а). Газ движется по колонне снизу вверх по зигзагообразному каналу, а жидкость стекает по решетке сверху вниз. Газ, проходя через решетку, срывает с нее жидкость в виде капель, которые переносятся на противоположную стенку канала и там сепарируются, образуя новую стекающую вниз пленку, которая поступает на орошение следующего участка насадки. Массообмен в этой насадке протекает не только между потоком пара и пленкой жидкости, стекающей по поверхности насадки, но и между паром и дисперсной фазой (капли жидкости), которые образуются при прохождении газа через решетку. В процессе образования и разрушения капель протекает интенсивное обновление межфазной поверхности, что в свою очередь приводит к дополнительной интенсификации процесса массо- теплообмена. Поэтому ВЭТТ в этой насадке оказывается очень небольшой.

Модификации насадки Григоряна хорошо зарекомендовали себя в системах газоочистки, в процессах стабилизации прямогонного бензина и выделения товарного дизельного топлива.
Регулярные насадки

Рис. 3.6. Конструкции массообменных аппаратов с вертикальными решетками (АВР): а – зигзагообразные перегородки (базовая модель);

б – полочные перегородки; в — зигзагообразные перегородки с повторным дроблением жидкости; г – перегородки с гидрозатворами; д – перегородки диффузорно-конфузорной структуры; е, ж – АВР неадиабатического типа

Добавить комментарий