Содержание
Недостатки противоточной насадки
Принципиальным недостатком противоточной насадки является совпадение сечений для прохода парового и жидкого орошений, так как потоки движутся в противоположных направлениях.
При изменяющихся расходах пара и жидкости в различных сечениях колонны, что типично для колонн разделения нефти и нефтепродуктов, для обеспечения эффективного массообмена необходимо регулировать геометрию насадки в каждой секции в ответ на изменения этих расходов. Это достигается через использование просечек и отверстий, что способствует увеличению плотности орошения жидкостью или организации локальной рециркуляции пара. Однако это ведет к появлению множества различных типоразмеров насадок, каждый из которых оптимизирован для конкретного соотношения расходов жидкости и пара (L/G).
Для каждого типа насадки характеристики, такие как ВЭТТ и коэффициент полезного действия, приходится определять экспериментально на стендах. Это ограничивает практическое использование новых насадок, а производители скрывают соответствующую информацию по коммерческим причинам. Вдобавок, для колонн АВТ-систем, где соотношение L/G может различаться на порядок и более, количество типоразмеров насадок становится чрезвычайно большим, что затрудняет их унификацию.
Насадочные блоки с перегородками
Разработана новая перекрестноточная насадка (ПТН), которая принципиально отличается от традиционных насадок по своему принципу действия. Инициатором разработки ПТН стал Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ), школа профессора К.Ф. Богатых. Принципиальная схема ПТН представлена на рис. 1.
В данной конструкции сплошной слой насадки заменен на насадочные блоки, которые сверху и снизу разделены горизонтальными перегородками. Каждая из этих перегородок выполняет функцию распределителя жидкости для блока, расположенного ниже. Горизонтальные перегородки создают гидравлический затвор, блокируя движение пара в вертикальном направлении мимо насадочного блока. Насадочные блоки состоят из просечных гофрированных листов сложной формы, схожих с листами противоточной регулярной насадки, рассмотренной ранее. Листы могут быть установлены как вертикально, так и горизонтально и соединяются в блоки точечной сваркой.
В первом случае жидкое орошение, поступающее на насадку из верхнего распределителя (горизонтальной перегородки), стекает по листовой насадке сверху вниз в виде пленки. Во втором случае каждый горизонтальный лист насадки также смачивается жидкостью, но одновременно и выполняет функцию перераспределения жидкости для последующего листа за счет наличия в нем просечек, через которые жидкость перетекает на нижерасположенный лист насадки. Во всех случаях каждый отдельный блок проницаем по пару только в поперечном направлении.
Блоки могут оборудоваться и вертикальными перегородками, расположенными между соседними горизонтальными перегородками. При этом появляется возможность организовывать самую различную траекторию движения газа при прохождении отдельных элементов насадочного блока (рис. 3, 4).
В любом случае насадка занимает только часть поперечного сечения колонны и может выполняться в виде различных геометрических фигур (четырехугольник, квадрат, кольцо, …). За счет конструкторских решений при этом удается менять такой важный параметр, как соотношения сечений, открытых для прохода газа и жидкости.
Для традиционных насадочных колонн этот фактор, естественно, равен единице. Для ПТН сечения:
SG=BxH
SG=AxB
Sср=H/A
где H, А и B – соответственно высота, длина и ширина блока.
За счет изменения соотношений между высотой, длиной и шириной блока, а также управления конфигурацией (геометрией) блока, можно эффективно регулировать соотношение жидкостных и паровых нагрузок. Поскольку насадочные блоки собираются из отдельных модулей, размеры которых определяются с учетом возможности их монтажа через люки, появляется возможность легко изменять соотношение в более широких пределах. При этом сохраняется оптимальное соотношение между жидкостными и паровыми нагрузками не только для блока в целом, но и для каждого отдельного модуля.
Особенность работы перекрестноточного насадочного блока заключается в том, что после прохождения насадки паровой поток поворачивает на 90°, а перед входом в следующий блок — еще на 90°. Для блоков сложной конфигурации паровой поток меняет свою траекторию и внутри блока. Это помогает избежать таких негативных явлений, как брызгоунос и захлебывание, улучшая условия сепарации парожидкостного потока и расширяя диапазон эффективной и стабильной работы насадочного устройства.
Основные элементы насадки (модули) остаются неизменными, что позволяет проводить оптимизацию параметров насадки на стендах и сохранять их постоянными (за исключением высоты, длины и ширины блока или его составных частей) по всей высоте колонны. Также возможна установка модулей с различной конфигурацией по высоте колонны, что позволяет наилучшим образом адаптировать насадку к условиям работы в конкретных секциях колонны.
Компоновка насадки
Рис. 5. Варианты компановки перекрестноточных насадочных блоков
на модкльной основе (V и G – расходы жидкости и пара соответственно)
Поскольку каждый насадочный блок оснащен распределителем жидкости, расположенным в верхней части блока, удается значительно уменьшить негативные эффекты, связанные с неравномерным распределением жидкости по его сечению. Распределители могут быть различных типов, однако в основном применяются низконапорные дырчатые конструкции с диаметром отверстий 5-8 мм, что повышает их устойчивость к засорению. Нижняя горизонтальная перегородка при необходимости может быть оснащена дополнительным устройством (карманом) для сбора жидкости, стекающей с блока, с целью организации бокового отбора жидкого потока. В этом случае могут быть использованы все решения, разработанные и проверенные для традиционных контактных устройств (КУ). Таким образом, перекрестноточные насадки объединяют преимущества противоточных насадок, такие как низкое гидравлическое сопротивление, высокая эффективность массообмена и производительность, с достоинствами тарельчатых аппаратов, в частности, в части удобства организации боковых отборов.
Особое внимание следует уделить тому, что удельное гидравлическое сопротивление ПТН в 5 раз меньше, чем, например, у клапанных тарелок, что позволяет увеличить количество блоков и, тем самым, повысить точность погоноразделения или снизить затраты на разделение.
Каждый блок перекрестноточной насадки функционирует как самостоятельный модуль, аналог тарельчатого контактного устройства. Это обстоятельство оправдывает выделение ПТУ в отдельный класс контактных устройств. Более того, использование ПТУ как основы проектных решений позволяет рассматривать новую технологию разделения. В отличие от традиционных насадок, для ПТУ применимы такие характеристики КУ, как эффективность (к.п.д.), гидравлическое сопротивление отдельного модуля и другие параметры. Эти характеристики хорошо обобщаются с помощью известных методов, например, через использование F-фактора.
Пример модернизации вакуумной колонны
С начала 90-х годов на ряде нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) РФ активно проводится модернизация установок АВТ, в первую очередь их вакуумных блоков, с использованием перекрестноточных насадок (ПТН) [37-46]. Особенно масштабной реконструкции подверглись установки АВТ на ОАО «Орскнефтеоргсинтез». На этом предприятии с использованием ПТН были модернизированы практически все вакуумные колонны установок АВТ. Опыт и результаты реконструкции были обобщены в ряде работ [43, 47, 48]. Также реконструкция вакуумных колонн с применением ПТН была проведена в ОАО «Салаватнефтеоргсинтез», ОАО «Ангарскнефтеоргсинтез», на Омском НПЗ и на других предприятиях [49, 50].
Сопоставление технико-экономических показателей вакуумной колонны, предназначенной для фракционирования мазута на узкие масляные дистилляты на установке ЭЛОУ-АВТ-2 ОАО «Орскнефтеоргсинтез», до и после реконструкции представлено в таблице 3.1. До реконструкции использовались клапанные тарелки, которые были заменены на ПТН.
Как видно из таблицы 3.1, по всем ключевым показателям реконструированная колонна значительно выигрывает как по сравнению с первоначальным проектом, так и с режимом работы, существовавшим на предприятии до модернизации.
Особое внимание стоит уделить еще одному аспекту, касающемуся работы вакуумных колонн разделения мазута. В промышленной практике для вакуумных колонн используется разнообразная конфигурация. Например, встречаются колонны с цилиндрическим сечением по всей высоте, а также колонны с зауженными диаметрами верхней, нижней или одновременно верхней и нижней секций. Это связано с крайне неравномерным распределением паровых и жидкостных нагрузок по секциям аппарата. В избыточных секциях вакуумной колонны обычно устанавливается небольшое количество тарелок (5-7), а дополнительный отгон остаточного количества масляных фракций (гудрона) из кубового продукта осуществляется за счет подачи перегретого водяного пара под нижнюю тарелку. Жидкое орошение поддерживается на требуемом уровне с помощью циркуляционных орошений, которые, как правило, охлаждаются. При многоуровневых отборах масляных фракций количество циркуляционных орошений увеличивается.
Таблица 3.1
Сопоставление ТЭП вакуумной колонны для четкого фракционирования мазута на масляные дистилляты
Типичный пример распределения паровых нагрузок по высоте вакуумной колонны при наличии одного или двух циркуляционных орошений показан на рис.3.12 [51]. Как видим, расход паровой фазы по высоте аппарата меняется почти на порядок, причем присутствуют зоны очень резких перепадов нагрузок. Для жидкой фазы распределение нагрузок может быть ещё более неравномерным, что связано с наличием циркуляционных орошений. Поэтому при проектировании вакуумных колонн возникает задача обеспечения высокой точности и в целом «высокой культуры» расчетов и проектирования для обеспечения условий оптимизации проектных решений.
Пример модернизации установки АВТ
