Регулярные насадки

Насадочные контактные устройства

В последние годы в нефтепереработке, а также на установках АВТ, особенно в вакуумных блоках, всё более широко используются насадочные ректификационные колонны (РК). В таких колоннах достигается наиболее эффективное распределение движущих сил процесса массо-теплопередачи, в идеале — полный противоток. Для насадочных колонн традиционная характеристика эффективности разделения теряет свою актуальность.

Вместо этого более обоснованным становится использование показателя ВЭТТ (высота насадки, эквивалентная теоретической тарелке), который для современных насадок существенно меньше, чем межтарельчатое расстояние в тарельчатых колоннах. Ещё более явные преимущества современных насадок проявляются при применении комбинированной характеристики, учитывающей гидравлическое сопротивление на единицу разделительной способности колонны (теоретической тарелки), выражаемое 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.

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.

Использование регулярных насадок на НПЗ России

Реконструкция вакуумных колонн

С 1993 года на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) России активно проводятся работы по реконструкции вакуумных колонн установок АВТ с заменой традиционных контактных устройств (КУ) на регулярные насадки. Эти работы осуществляются с участием таких ведущих компаний, как «Glitsch», «Koch – Glitsch», и «Sulzer». Применение регулярных насадок особенно актуально для вакуумных блоков, где требуется повышение эффективности разделения фракций.

Основные подходы и решения

В ходе реконструкции использовались различные типы регулярных насадок, что позволило решать технологические задачи, специфичные для каждого объекта. В некоторых случаях была проведена частичная замена КУ, где на определенные секции вакуумной колонны устанавливались насадки типа «GEMPAK», а другие секции сохраняли более эффективные контактные устройства. Это решение позволило:

• Обойти сложности, связанные с организацией боковых отборов масляных фракций.
• Разработать многоуровневые отборы для различных масляных дистиллятов.

Особо успешными оказались те проекты, где повышение качества масляной фракции (в топливном варианте работы вакуумной колонны) осуществлялось без использования боковых отборов.

Основные типы насадок

Отечественные насадки

• Насадка «Вакупак»
  Представляет собой пакет вертикальных пластин, изготовленных методом горизонтального гофрирования. На гофрах имеются выступы, которые обеспечивают нужное расстояние между пластинами, способствующие улучшению массообмена.

  Характеристики:

  • ВЭТТ: 0,5–1,1 м
  • Удельная поверхность: 270–400 м²/м³
  • Металлоемкость: 210–315 кг/м³
• Насадка «Кедр»
  Включает пакет вертикальных листов с двунаправленным гофрированием, что улучшает переход обеих фаз в смежные каналы.

  Характеристики:

  • ВЭТТ: 0,3–0,5 м
  • Удельная поверхность: 270–400 м²/м³
  • Металлоемкость: 210–315 кг/м³

Иностранные насадки

• Насадка «Меллапак»
  Состоит из перемежающихся слоев перфорированного металлического листа с гофрами, направленными в противоположные стороны. Характеризуется высокой эффективностью.
• Насадка «Гудлоу»
  Представляет собой свернутую гофрированную спираль из плетеного сетчатого чулка. Эта конструкция обеспечивает высокую турбулентность и эффективность массообмена.
• Насадка «Инжехим»
  Разработана в КНИТУ и также отличается высокой эффективностью.

Преимущества и недостатки регулярных насадок

Преимущества

• Улучшенная эффективность разделения. Регулярные насадки обеспечивают более высокие показатели массообмена по сравнению с традиционными контактными устройствами.
• Экономический эффект. Замена КУ на насадки позволила достичь значительных экономических результатов на НПЗ.
• Гибкость в организации процесса. В некоторых случаях, как уже упоминалось, была произведена частичная замена КУ, что позволило сохранять функциональность вакуумной колонны.

Недостатки

• Сложности с боковыми отборами. Противоточная схема регулярных насадок затрудняет организацию боковых отборов, что является основным ограничением при их использовании.
• Монтажные сложности. Насадки, особенно спиральные, требуют аккуратного монтажа и могут быть сложны в установке в колоннах большого диаметра.

Монтаж регулярных насадок

Регулярные насадки проектируются с учетом их удобства для монтажа. Они изготавливаются в виде отдельных блоков, которые можно пройти через монтажные люки колонны. Затем блоки укладываются слоями, с минимальными зазорами между ними, и изолируются от стенок колонны монтажной пеной. Это предотвращает проскок пара мимо насадки.

Ориентация блоков в слоях меняется, что улучшает перераспределение жидкости внутри каждого слоя.

Спиральные насадки

Спиральные насадки менее удобны для монтажа, поскольку требуют дополнительной работы для установки, и чаще всего применяются в колоннах малого диаметра (до 0,8 м). Эти насадки используются в виде отдельных царг.

Таблица: Характеристики различных типов насадок

Рис. 3.4 Регулярные насадки

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

Рис. 3.5. Насадка отечественного производства

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

Одним из важных преимуществ регулярных насадок по сравнению с нерегулярными насадками и тарельчатыми контактными устройствами (КУ) является упорядоченность движения фаз (жидкости и газа) по высоте аппарата и его сечению. В отличие от нерегулярных насадок, где поток может быть более хаотичным, регулярные насадки обеспечивают следующие ключевые преимущества:

• Структурирование потоков: Благодаря четкому распределению каналов и элементам насадки, отсутствуют такие нежелательные эффекты, как:
  • Боковой конус (стекание жидкости к стенкам колонны),
  • Байпасирование потоков,
  • Эффект обратного перемешивания фаз.
• Равномерность распределения фаз: При условии достаточно равномерного начального распределения фаз на входе в насадочные блоки, коэффициент масштабного перехода в процедурах проектирования можно принимать равным единице. Это позволяет с высокой точностью переносить данные опытных (стендовых) испытаний на проектируемые объекты, что является ключевым фактором в современных условиях проектирования.

Такая стабильность в процессе массообмена и теплообмена способствует повышенной надежности и предсказуемости работы аппарата, что делает регулярные насадки очень востребованными в промышленности.

Конструкция РК с противоточными регулярными насадками

Примером конструктивного исполнения ректификационной колонны (РК) с противоточными регулярными насадками являются аппараты с вертикальными контактными решетками конструкции Л. Г. Григоряна. На рис. 3.6 показан принцип работы и схема таких решеток.

Основные элементы конструкции

• Вертикальные решетки: Эти решетки (рис. 3.6а) расположены между перегородками зигзагообразной формы, которые делят колонну на несколько канальцев для прохождения газа.
• Перегородки: Перегородки зигзагообразной формы (2) служат для создания нужного направления потока газа, который движется по колонне снизу вверх, проходя через решетки.

Процесс массообмена

• Газ и жидкость: Газ, двигаясь по колонне снизу вверх, проходит через решетку, срывая с нее жидкость в виде капель. Эти капли переносятся на противоположную стенку канала, где они сепарируются, образуя новую стекающую вниз пленку.
• Массообмен: Массообмен в такой насадке происходит не только между паром и пленкой жидкости, стекающей по поверхности насадки, но и между паром и образующимися каплями жидкости, которые являются дисперсной фазой. Процесс образования и разрушения капель интенсивно обновляет межфазную поверхность, что приводит к дополнительной интенсификации процесса массообмена.

Результат

• Малый ВЭТТ: Благодаря высокой интенсивности массообмена и турбулентности в процессе образования капель, высота эквивалентной теоретической тарелки (ВЭТТ) в таких насадках оказывается очень небольшой, что является важным преимуществом в сложных технологических процессах.

Применение насадок Григоряна

Модификации насадки Григоряна нашли широкое применение в различных технологических процессах:

• Газоочистка: Насадки Григоряна применяются в системах газоочистки, где высокая эффективность разделения фаз и интенсивный массообмен играют ключевую роль.
• Процессы стабилизации прямогонного бензина: Применение насадок Григоряна в процессе стабилизации бензина позволяет обеспечить стабильность качества и повысить эффективность разделения компонентов.
• Выделение товарного дизельного топлива: В процессе выделения дизельного топлива насадки Григоряна обеспечивают высокий коэффициент разделения при низких энергозатратах, что повышает общую эффективность работы установки.

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