Энергосбережение на установках осушки и разделения углеводородных газов предприятий тэк
На правах рукописи
ДОЛГОВА АНАСТАСИЯ НИКОЛАЕВНА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ НА УСТАНОВКАХ ОСУШКИ И РАЗДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ ПРЕДПРИЯТИЙ ТЭК 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Казань – 2013
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» доктор технических наук, профессор
Научный консультант:
Лаптев Анатолий Григорьевич
Официальные оппоненты: Ваньков Юрий Витальевич доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения» Клинов Александр Вячеславович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», заведующий кафедрой «Процессы и аппараты химической технологии» ООО Инженерный центр
Ведущая организация:
«Энергопрогресс»
Защита состоится 11 июня 2013 г. в 16 час 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.082.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» по адресу: 420066 г. Казань, ул.
Красносельская, д. 51, зал заседаний Ученого совета (Д-223).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»
Автореферат разослан «7» мая 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.082. кандидат химических наук, профессор Э.Р. Зверева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Поставленная Президентом и Правительством РФ задача по модернизации экономики и промышленности предполагает повышение качества выпускаемой продукции, снижение энергозатрат и экологическую безопасность производств.
Одними из наиболее энергоемких процессов на предприятиях топливно энергетического комплекса (ТЭК) являются процессы ректификации углеводородных смесей, а также абсорбции влаги из природного газа и регенерации насыщенного влагой абсорбента.
Большинство действующих в настоящее время теплоиспользующих установок проектировались в 60-70 гг. прошлого столетия. За это время появились новые высокоэффективные контактные устройства, которые взамен устаревшим позволяют повысить качество разделения смесей, снизить гидравлическое сопротивление колонн и, что особенно важно, уменьшить энергозатраты на единицу выпускаемой продукции. Современные контактные устройства, используемые в новых или модернизируемых тепломассообменных аппаратах, предлагаются преимущественно зарубежными фирмами Sulzer, Koch-Glitsh, Цзэхуа и др.
Контактные устройства имеют большую стоимость и длительные сроки поставок.
В связи с этим работа по исследованию и использованию на предприятиях ТЭК энергосберегающих и не уступающих по эффективности зарубежным отечественных контактных устройств актуальна.
Объекты исследования. Тепломассообменные установки процессов осушки (абсорбция и десорбция – удаления поглощенной влаги из абсорбента методом ректификации) и разделения углеводородных газов предприятий ТЭК.
Цель работы – снижение энергозатрат на единицу выпускаемой продукции путём разработки научно-обоснованных технических решений по энергосберегающей модернизации тепломассообменных контактных устройств теплоиспользующих установок при проведении процессов осушки (абсорбция и десорбция) и разделения углеводородных газов ректификацией.
Задачи:
- разработать конструкцию и провести экспериментальные исследования гидравлических характеристик барботажного контактного устройства для процессов осушки и разделения углеводородных газов.
- составить алгоритм расчета эффективности разделения смеси на тарелке с учетом неравномерности распределения уровня жидкости по полотну тарелки и скорости газа (пара) в сечении входа на контактное устройство.
- сравнить эффективность насадочных и тарельчатых контактных устройств с использованием энергетического коэффициента, фактора интенсивности тепломассообмена и КПД по Мерфри, выбрать наиболее эффективные из них.
- показать примеры энергосбережения на ректификационных и абсорбционных установках за счет модернизации тепломассообменных контактных устройств на предприятиях ТЭК.
Научная новизна.
- Выполнены экспериментальные исследования на лабораторном стенде и сделаны обобщения по гидравлическим характеристикам разработанной конструкции структурированной контактной газожидкостной тарелки (СКГ).
Получены данные и расчетные выражения для перепада давления сухой и орошаемой тарелки, статического столба жидкости и предельным нагрузкам.
- Предложен алгоритм расчета эффективности разделения смеси на тарелке СКГ, позволяющий учитывать неравномерности распределения уровня жидкости по полотну тарелки и скорости газа (пара) в сечении входа на контактное устройство.
- Выполнена комплексная оценка энергоэффективности и массообмена различных контактных устройств, используемых для энергосберегающей модернизации аппаратов осушки и разделения углеводородных газов предприятий ТЭК. Получены значения энергетического коэффициента, фактора интенсивности и КПД по Мерфри процессов разделения смесей.
Практическая значимость.
- Разработана и запатентована конструкция структурированной контактной газожидкостной тарелки (СКГ).
- Получены обобщенные выражения для расчета перепада давления тарелки СКГ.
- Разработан алгоритм расчета эффективности разделения смеси для промышленных тарелок различных конструкций, позволяющий производить расчет эффективности разделения с учетом неравномерностей распределения газа (пара) и жидкости.
- Выбраны высокоэффективные насадочные и тарельчатые контактные устройства аппаратов осушки и разделения углеводородных газов, обеспечивающие снижение энергозатрат.
- Показаны примеры энергосбережения в процессах абсорбционной и десорбционной осушки углеводородного (природного) газа за счет замены устаревших контактных устройств в колоннах на более эффективные. Установлено, что снижение расходов энергии, необходимой для подачи газа в абсорбер при замене тарельчатых контактных устройств на новую тарелку составляет 15-32 %, а при замене на насадки – 41-89 %. Расходы тепла в десорбционной колонне при этом уменьшаются на 4-7 %.
- Предложена энергоэффективная модернизация колонны получения товарного этилена. Замена контактных устройств высокоэффективными тарельчатыми или насадочными контактными устройствами приводит к снижению расходов тепла в колонне на 7 % (6960 Гкал в год) и 8 % (7680 Гкал в год) соответственно.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения за счет энергосбережения составляет 4077864 и 4499712 руб. в год;
срок окупаемости – 1 год 1 месяц и 2 года 5 месяцев.
Методы исследования.
Поставленные задачи решались путем сочетания теоретических и экспериментальных методов исследования.
Гидравлические испытания разработанной тарелки СКГ проводились на лабораторном стенде в ООО ИВЦ «Инжехим».
Для расчета тарельчатого абсорбера с ситчатыми тарелками использовано программное приложение «Предпроектный расчет тарельчатого абсорбера с ситчатыми тарелками», разработанное автором, с использованием MathCad.
Положения, выносимые на защиту:
- конструкция разработанной тарелки СКГ;
- результаты экспериментальных исследований разработанной тарелки СКГ;
- расчетные выражения, полученные для новой тарелки СКГ для перепада давления сухой и орошаемой тарелки, статического столба жидкости;
- алгоритм расчета эффективности разделения смеси на тарелке СКГ;
- разработанные научно-технические решения по энергосберегающим модернизациям теплоиспользующих установок предприятий ТЭК.
Личное участие автора заключается в:
- разработке конструкции, выполнении экспериментальных гидравлических испытаний тарелки СКГ и получении расчетных выражений для перепада давления сухой и орошаемой тарелки, статического столба жидкости;
- составлении алгоритма расчета эффективности разделения смеси на тарелке СКГ, учитывающего неравномерности распределения уровня жидкости по полотну тарелки и скорости газа (пара) в сечении входа на контактное устройство;
- разработке научно-технических решений и выполнении расчетов по энергосберегающим модернизациям теплоиспользующих установок предприятий ТЭК: абсорбции избыточной влаги из углеводородных (природных) газов, ректификации для регенерации абсорбента и выделения этилена.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается проведенными гидравлическими испытаниями тарелки СКГ на сертифицированном стенде.
Использованием апробированных выражений для определения коэффициентов массоотдачи по уравнениям, полученным Дьяконовым С.Г., Елизаровым В.И. и Лаптевым А.Г., и для расчета КПД по Мерфри, представленных в работах Александрова И.А. и Дытнерского Ю.И.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: V, VI, VII, VIII Межд. молод. науч. конф.
«Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2010, 2011, 2012, 2013);
VI Межд. науч.-технич.
конф. «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, 2013);
XV асп.-маг. науч. семинаре, посвященном «Дню энергетика» (г. Казань, 2012);
Межд. науч.-практич. конф. молодых ученых и специалистов «Молодежь, наука, будущее: технологии и проекты» (г. Казань, 2012);
IV Межд.
науч.-практич. конф. молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г.
Уфа, 2012);
Всерос. науч.-практич. конф. «Актуальные инженерные проблемы химических и нефтехимических производств и пути их решения» (г. Нижнекамск, 2012);
VII ежегодной Межд. науч.-практич. конф. «Повышение эффективности энергетического оборудования-2012» (г. Санкт-Петербург, 2012);
VIII шк.-семинаре молод. уч. и спец. академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассобмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (г. Казань, 2012);
XVII Межд. науч.-техн.
конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2011);
Городской науч.-практич. конф. «Энергоэффективная и энергосберегающая политика в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве» (г. Нижнекамск, 2011);
Межд. науч.-техн. конф. «Энергетика, информатика, инновации – 2011» (г.
Смоленск, 2011);
Межд. молодеж. науч. шк. «Энергия и человек» (г. Томск, 2011);
XVIII Межд. молод. науч. конф. «Туполевские чтения» (г. Казань, 2010);
ХXIII Межд. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях – МММТ 23» (г. Саратов, 2010);
VI Всерос. науч.-техн. студ. конф. «Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии» (г. Казань, 2010);
V Всерос.
науч.-практ. конф. «Повышение эффективности энергетического оборудования» (г.
Иваново, 2010);
X Межд. симпозиуме «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (г. Казань, 2009).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 25 работ, из них 1 патент, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, статьи в журналах из перечня ВАК, 1 статья в журнале «Вестник КГЭУ» и материалов докладов на различных конференциях и семинарах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 173 наименований, справки об использовании результатов работы. Общий объем диссертации изложен на страницах и включает 39 рисунков, 19 таблиц и 6 приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отмечается актуальность работы в связи с задачами энерго- и ресурсосбережения на предприятиях ТЭК. Формулируется цель и задачи исследования, рассматриваются основные подходы энергосбережения, отмечается научная новизна и практическая значимость результатов диссертационной работы.
В первой главе выполнен обзор работ по энергосберегающим модернизациям установок на предприятиях ТЭК. Рассмотрены основные проблемы при осушке и разделении углеводородных газов, а также конструкции контактных устройств колонных тепломассобменных аппаратов.
Во второй главе рассмотрена проблема повышенных энергозатрат, связанная со снижением эффективности процессов разделения смесей в промышленных аппаратах при увеличении их размеров («масштабных эффектов»). Изучение «масштабных эффектов» Розеном А.М., Дильманом В.В. и др. показало, что они могут быть обусловлены неравномерностями следующих четырех типов: входными неравномерностями – неоднородностями распределения потоков газа и жидкости на входе контактного устройства;
неравномерностями, вызванными внутренними закономерностями двухфазного течения;
неравномерностями, вызванными дефектами монтажа;
неравномерностями, обусловленными особенностями конструкции.
Роль каждого из этих факторов существенно зависит от типа аппарата.
Вследствие неравномерности профиля скорости в поперечном сечении колонн возникают зоны со значительными локальными максимумами скорости газовых (паровых) фаз, в которых значение уноса превышает допустимое. Это приводит к снижению эффективности разделения за счет снижения движущей силы процесса.
Для разработки конструкции новой тарелки в диссертации использован подход к учету неравномерного распределения фаз, предложенный в работах Дьяконова С.Г., Елизарова В.И., Лаптева А.Г. и далее развитого в работах Мальковского П.А. и Солодова П.А.
В работе рассмотрены следующие неравномерности в колонне и на тарелке – градиент уровня жидкости и скорости газа (пара) Wi в сечении входа на контактное устройство (рис.1). Для вычисления высоты столба жидкости и скорости газа на полотне контактного устройства с учетом отмеченных неравномерностей используется секционная математическая модель. Полотно тарелки условно делится на секции в направлении движения жидкости (рис.2).
Автором предложен следующий алгоритм расчета КПД тарелки с учетом продольной неоднородности потоков:
1. Полотно тарелки делится на n условных секций равных числу рядов контактных элементов, расположенных на полотне тарелки от приемной планки к сливной (i = 1,2, …, n).
2. Задается начальное приближение скорости газа и высоты статического столба жидкости в средней зоне контактного устройства.
Принимаются равными средней скорости газа в колонне Wi = Wк и среднего значения высоты Wi статического столба жидкости hст i = hст.
Рис. 1. Виды нераномерностей 3. Относительно средней зоны для каждой i ой зоны, рассчитываются значения скорости газа (пара) отверстиях тарелки W0i и высоты статического столба жидкости hст i в сечении l i 1 2 3... i... n жид тарелки Si.
кость 4. По определенным соотношениям, относительно средней зоны, в зависимости от типа контактного устройства вычисляются параметры для i-ой зоны: Wi – скорость газа (пара) в i-ой зоне, li м/с;
S0i – площадь отверстий занятых газовым Рис. 2. Условное деление потоком, м2;
Si –площадь тарелки в i-ой зоне, м2;
тарелки на секции: i – ширина i ой секции;
li – длина i-ой Pi – гидравлическое сопротивление i-ой зоны, Па.
5. Вычисляются значения коэффициентов секции массоотдачи в жидкой и газовой (паровой) фазах с учетом неравномерностей для i-ой зоны и для всего контактного устройства.
6. Вычисляется общее число единиц переноса.
7. Определяется локальный КПД тарелки.
8. Вычисляется коэффициент продольного перемешивания в зависимости от типа контактного устройства и число Пекле.
9. Вычисляется КПД тарелки по Мерфри по диффузионной модели с учетом уноса жидкости.
Данный алгоритм позволяет выбирать конструктивные характеристики контактного устройства при изменении условий работы.
На рисунках 3-6 представлено влияние неравномерностей распределения фаз на коэффициент массоотдачи в газовой фазе и КПД по Мерфри для ситчатых и клапанных тарелок (процесс абсорбции). Для коэффициентов массоотдачи в жидкой фазе влияние аналогично.
На ситчатых тарелках с увеличением скорости газа влияние неравномерностей распределения жидкости и газа (пара) уменьшается и при скоростях газа выше 1 м/с – влияния нет. Причем при скорости 0,2 м/с значение коэффициента массоотдачи в газовой фазе снижается на 40 %, а при 1 м/с – на 1 %. При уменьшении скорости газа от 1 до 0,2 м/с КПД по Мерфри снижается на от 1 до 17 %. На клапанных тарелках указанные неравномерности снижают коэффициент массоотдачи в газовой фазе на ~ 11 %, а КПД по Мерфри снижается на 9 %. С увеличением градиента жидкости это влияние увеличивается.
Для повышения эффективности работы барботажной тарелки по всей ее площади автором предложено разделить полотно тарелки на 3 условные секции (рис. 7, I). Каждая секция имеет различное относительное свободное сечение отверстий, уменьшающееся по направлению движения жидкости по тарелке, что компенсирует влияние градиента уровня жидкости: А – 12 %, Б – 10 %, В – 8 %. Это способствует равномерному распределению потока жидкости по полотну тарелки, устранению застойных зон вблизи приемной планки и обуславливает интенсификацию процессов тепло- и массообмена.
КПД (А)г, м3/с 2,5 0,8 2 0, 1, 0, 2 0, 0, 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,3 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1, Wг, м/с Wг, м/с Рис. 3. Зависимость коэффициента Рис. 4. Зависимость КПД по Мерфи от массоотдачи в газовой фазе ((А)г) от градиента уровня жидкости при различных градиента уровня жидкости при различных скоростях газа (Wг) на ситчатой тарелке: 1 – скоростях газа (Wг) на ситчатой тарелке: 1 – = 0 мм;
2 – = 10 мм;
3 – = 20 мм = 0 мм;
2 – = 10 мм;
3 – = 20 мм (А)г, 3 КПД м3/с 2,5 0,8 2 0,6 1, 0, 1 0, 0,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,3 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1, Wг, м/с Wг, м/с Рис. 5. Зависимость коэффициента Рис. 6. Зависимость КПД по Мерфи от масоотдачи в газовой фазе ((А)г) от градиента уровня жидкости при различных градиента уровня жидкости при различных скоростях газа (Wг) на клапанной тарелке: скоростях газа (Wг) на клапанной тарелке: 1 – = 0 мм;
2 – = 10 мм;
3 – = 20 мм – = 0 мм;
2 – = 10 мм;
3 – = 20 мм Рис. 7. Тарелка СКГ:
I – Общий вид контактного устройства: А, Б, В – условные секции контактного устройства;
1 – приемный карман;
2 – приемная планка;
3 – сливная планка;
4 – основание тарелки;
5 – отверстие тарелки;
6 – контактный элемент;
II II – Вид контактного элемента тарелки: L – поток жидкой фазы;
G – поток газовой фазы;
1 – крышка элемента;
2 – отверстие тарелки;
3 – лапка элемента;
III – Разрез А-А контактного элемента тарелки: L – поток жидкой фазы;
G поток газовой фазы;
1 – крышка А-А элемента;
2 – лапка элемента;
3 – I III основание тарелки;
4 – отверстие тарелки Автором также предложено выполнить контактные элементы в виде трапецеидальных пластин, которые сужаются в направлении к сливной планке (рис.
7, II). Часть элемента со стороны приемного кармана выполнена прямоугольной формы, плотно соединена с полотном тарелки и составляет острый угол с полотном тарелки (рис. 7, III). Ввод газа (пара) в жидкость в направлении сливной планки способствует транспорту жидкости вдоль тарелки, а также появляется горизонтальная составляющая скорости газа. Поток газа (пара), выходящего в зоне прямоугольной части элемента, направленный под углом к общему направлению движения жидкости на тарелке способствует дополнительной гидравлической компенсации прямоточной составляющей скорости потока паров, выходящих в зоне сужающейся части, что обеспечивает гидравлически гладкий профиль элемента и уменьшает провал жидкости на нижнюю тарелку. Это, в свою очередь, увеличивает время контакта фаз и повышение эффективности процессов тепло- и массообмена.
Проведены экспериментальные исследования нового тарельчатого контактного устройства – структурированной контактной газожидкостной тарелки (СКГ). Для проведения гидравлических испытаний тарелки использовалась экспериментальная установка, созданная в ООО ИВЦ «Инжехим», г. Казань. Установка состоит из колонны диаметром 600 мм с переходником под круглые и квадратные обечайки меньших размеров (для эксперимента использовались квадратные обечайки шириной 360 мм), воздуховода с вентилятором для подачи потока газа, водопровода, напорной и накопительной емкостей и насоса для орошения тарелки.
В аппарате устанавливаются 3 тарелки: первая и последняя необходимы для равномерного распределения жидкости и газа по полотну средней тарелки. Все показания снимаются с тарелки, установленной по середине. Эксперименты проводились на системе: «воздух-вода».
На лабораторном стенде исследовались следующие контактных устройства:
ситчатая тарелка, d = 8 мм, hсп = 50 мм, Fсв = 12 %;
низкопрофильная колпачковая тарелка, hсп = 50 мм, Fсв = 12 %;
тарелка СКГ, hсп = 50 мм, Fсв = 12, 10, 8 %.
В результате обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов получены значения коэффициента сопротивления сухой тарелки (с погрешностью ± 5 %): для ситчатой тарелки – 0 1,82;
для низкопрофильной колпачковой тарелки – 0 2,26;
для тарелки СКГ – 0 2,08.
На рисунке 8 приведены осредненные зависимости гидравлического сопротивления сухих тарелок от фактора пара ( f Wг г ). На рисунках 9 и приведены осредненные зависимости полного гидравлического сопротивления тарелок от фактора пара при плотности орошения L = 10 и 35 м3/(м2·ч).
Полное гидродинамическое сопротивление разработанного тарельчатого контактного устройства при плотности орошения L = 10 м3/(м2·ч) и факторе пара от 1,4 до 3,8 меньше стандартной колпачковой на ~ 37 % и стандартной клапанной на ~ 23 %, низкопрофильной колпачковой тарелки на ~ 8 %.
При плотности орошения L = 35 м3/(м2·ч) и факторе пара от 1,4 до 3,8 на ситчатой тарелки возникает повышенный унос жидкости, а низкопрофильная колпачковая тарелка и тарелка СКГ работают устойчиво. Полное гидродинамическое сопротивление разработанного тарельчатого контактного устройства меньше стандартной колпачковой – на ~ 53 %, а стандартной клапанной – на ~ 21 %, низкопрофильной колпачковой тарелки на ~ 8 %.
Рис. 8. Зависимость гидравли P, ческого сопротивления сухой мм.вод.ст/м 200 тарелки (P) от фактора пара (f):
1 – стандартная колпачковая тарелка;
2 – стандартная клапанная тарелка;
3 – 100 низкопрофильная колпачковая тарелка;
4 – тарелка СКГ;
5 – ситчатая тарелка;
1, 2 – расчет;
3-5 – эксперимент 0,6 1 1,4 1,8 2,2 2,6 3 3,4 3,8 4,2 f Рис. 9. Зависимость полного P, мм.вод.ст/м гидравлического сопротивления тарелки (P) от фактора пара (f), L 10 м 3 / м 2 ч : 1– стандартная колпачковая тарелка;
2 – 100 стандартная клапанная тарелка;
3 – низкопрофильная колпачковая тарелка;
4 –тарелка СКГ;
5 – ситчатая тарелка;
1, 2 – расчет;
3-5 – эксперимент 0,6 1 1,4 1,8 2,2 2,6 3 3,4 3,8 f В результате обработки экспериментальных данных с погрешностью ± 8 % для тарелки СКГ получено выражения для расчета высоты статического столба жидкости:
0, hст Аq h W 1 0,31exp 0,11 ж ж, B С m (1) сп к в где q – линейная плотность орошения, м3/(м·с);
Wк – скорость газа в колонне, м/с;
ж – динамическая вязкость жидкости, мПас;
ж и в – поверхностное натяжение жидкости и воды, мН/м;
hсп – высота сливной планки, м;
коэффициенты:
А 0,88;
В 0,19;
С 0,7;
m 0,05 5hсп.
На рис. 11 приведены зависимости КПД по Мерфри от скорости газа для рассматриваемых контактных устройств, с учетом влияния неравномерностей, связанных с градиентом уровня жидкости (процесс абсорбции). Наиболее высокое значение показывает тарелка СКГ.
Для разработки энергосберегающих решений выполнено комплексное сравнение насадочных и тарельчатых контактных устройств.
Для совместной оценки гидродинамических и массообменных характеристик контактных устройств в работе использованы энергетические коэффициенты:
М - Е(max ) (аналог коэффициента Кирпичева М.В.);
(2) N Kоy - E( max ) (аналог коэффициента Антуфьева В.И.), (3) NF где M – масса компонента переходящего из одной фазы в другую, кг/с;
N – энергия необходимая для подачи газовой (паровой) фазы, Вт;
F – поверхность массопередачи, м2;
K oy – коэффициент массопередачи, м/с.
P, КПД мм.вод.ст/м 0, 2 4 5 0, 0, 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1, 0 Wг, м/с 0,6 1 1,4 1,8 2,2 2,6 3 3,4 f Рис. 10. Зависимость полного гидравлического Рис. 11. Зависимость КПД по сопротивления тарелки (P) от фактора пара (f), Мерфри от скорости газа (Wг), 3 = 10 мм: 1 – тарелка СКГ;
2 – L 35 м /(м ·ч): 1 – стандартная колпачковая ситчатая тарелка;
3 – клапанная тарелка;
2 – стандартная клапанная тарелка;
3 – тарелка низкопрофильная колпачковая тарелка;
4 – тарелка СКГ;
5 – ситчатая тарелка;
1, 2 – расчет;
3-5 – эксперимент Коэффициент Е характеризует энергозатраты и массообменную эффективность контактных устройств. Выражения (2) и (3) можно использовать для оценки энергетической эффективности как тарельчатых, так и насадочных колонн. В частном случае из уравнения (3) для насадочных колонн записано обратное значение:
рор hо г, (4) E( min ) Н где H – высота слоя насадки, м;
pор – перепад давления в орошаемой насадке, Па;
hог – высота единиц переноса, м.
Для оценки интенсивности массообменных аппаратов использовался фактор M Koy F C i, (5) V V где V – рабочий объем аппарата, м3;
C – средняя движущая сила массопередачи.
Проведенные расчеты регулярных и нерегулярных насадочных контактных устройств тепломассообменных аппаратов показывают (рис. 12, 13), что наиболее эффективными насадочными контактными устройствами являются регулярная рулонная насадка «Инжехим» и нерегулярная насадка «Инжехим» (процесс абсорбции).
Таким образом, наиболее эффективными для энергосберегающей модернизации аппаратов из насадочных контактных устройств являются насадки «Инжехим», а из тарельчатых – тарелка СКГ.
Е, 600 E, Па 500 Па 250 400 300 200 100 0 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1, Wг, м/с Wг, м/с Рис. 12. Зависимость коэффициента Е от Рис. 13. Зависимость коэффициента Е от скорости газа (Wг), при плотности орошения скорости газа (Wг), при плотности орошения 3 3 q 10 (м /(м ·ч)): 1 – стальные кольца q 40 (м /(м ·ч)), d э 0,03 м: 1 – стальные Рашига 5050;
2 – регулярная насадка кольца Рашига 5050;
2 – кольца Zulzer C Mellapak фирмы «Zulzer Сhemtech» 125Y;
Ring No.2.5;
3 – стальные кольца Палля – регулярная рулонная насадка «Инжехим» 50х50;
4 – насадка «Инжехим» В третьей главе в качестве примера энергосберегающей модернизации выполнен расчет абсорбера и десорбера для осушки углеводородного (природного) газа сеноманской залежи Заполярного газонефтеконденсатного месторождения (ГНКМ) 98 % раствором диэтиленгликоля. Рассмотрены следующие варианты модернизации колонн:
- вариант 1 – замена стандартных клапанных тарелок на тарелку СКГ;
- вариант 2 – замена стандартных ситчатых тарелок на тарелку СКГ;
- вариант 3 – замена стандартных ситчатых тарелок на насадку «Инжехим»;
- вариант 4 – замена стандартных клапанных тарелок на насадку «Инжехим»;
- вариант 5 – замена колец Рашига на насадку «Инжехим».
Колонны абсорбционной осушки газа сравнивались по общему гидравлическому сопротивлению колонны, которое характеризует энергетические затраты на проведение процесса, в частности на электрическую энергию необходимую для подачи углеводородного (природного) газа в аппарат. В результате расчёта установлено, что 1 и 4 варианты модернизации являются наиболее энергосберегающими. Они позволяют снизить затраты на электрическую энергию при подаче углеводородного газа на осушку на 32 % (98 684 кВт в год) и 89 % (274 442 кВт в год) соответственно. Ожидаемый экономический эффект от 253 619-и до 705 315руб. в год.
Сравнение колонн регенерации абсорбента (десорбера) проводилось по затратам на тепловую энергию от греющего пара в кипятильнике (испарителе).
Установлено, что в этом случае предпочтительнее 2 и 3 варианты, т.к. расход тепла снижается на 4-7 %, итого от 102 до 174 Гкал в год. Ожидаемый экономический эффект от 59 714 до 102 001 руб. в год.
При сравнении аппаратов с тарельчатыми контактными устройствами меньшей металлоемкостью и общим гидравлическим сопротивлением колонны обладает тарелка СКГ (фактор интенсивности 840,3), а при сравнении аппаратов с насадочными контактными устройствами – насадка «Инжехим» (фактор интенсивности 1578).
В четвертой главе рассмотрена работа колонны К-303 завода «Этилен» ОАО «Казаньоргсинтез», предназначенная для разделения этан-этиленовой смеси с целью получения товарного этилена. Произведён расчет основных характеристик работы колонны К-303 как при проектной, так и увеличенной нагрузках.
На основе полученных результатов можно сделать вывод о том, что при увеличении производительности установки газоразделения с 160 до 260 тыс. тонн этилена в год колонна К-303 не обеспечивает заданное качество разделения.
Содержание этилена уменьшается с 0,9996 до 0,9966 масс. долей. Число теоретических тарелок уменьшается с 25 до 21, а среднее КПД колонны падает с 0,25 до 0,2. Одной из причин является возросший унос жидкости (с 0,024 до 0, кг/кг), что снижает эффективность разделения до 7-8 % относительных. Также на эффективность работы тарелки влияют гидродинамические неоднородности, которые усиливаются при увеличении расхода жидкости. Кроме этого переливные устройства тарелок работают близко к максимально допустимому пределу (допустимая ~ 205 т/ч, реальная 192 т/ч при флегмовом числе 4,41). При увеличении флегмового числа переливные устройства не справляются с нагрузкой.
Следовательно, требуется модернизация контактных устройств в колонне К-303.
Рассмотрено 3 варианта модернизации колонны, позволяющие повысить качество разделяемых смесей и уменьшить тепловые затраты в кипятильнике:
1 вариант – предложено установить на каждой тарелке в отверстиях клапанов (клапаны удаляются) вдоль сливной планки трубчатые ударные распылители жидкой фазы и изменить форму сливной планки. Однако этот вариант не снижает взросший унос жидкости, поэтому в дальнейшем не рассматривался.
2 вариант – предложено заменить клапанные тарелки в верхней части аппарата (тарелки с 82-й по 103-ю удаляются) на насадочные элементы «Инжехим». В результате этого одна секция высотой 10 метров обеспечивает высокую эффективность разделения. Кроме этого перепад давления в колонне снижается на 10 % и возможно ведение процесса при меньшем флегмовом числе, что дает экономию греющего агента в кипятильнике.
3 вариант – предложено заменить клапанные тарелки в верхней части аппарата (тарелки с 82-й по 103-ю удаляются) на тарелку СКГ. Тогда возможно ведение процесса при меньшем флегмовом числе, что обеспечивает снижение энергозатрат на 7 %.
Содержание этилена при втором и третьем варианте в верхнем продукте удовлетворяет требованиям действующего производства.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:
- Использован комплексный подход к оценке тепломассообменных и энергетических характеристик аппаратов разделения веществ при выборе наиболее эффективных энергосберегающих вариантов модернизации. Для этого используются энергетические коэффициенты, фактор интенсивности массообменного процесса и КПД по Мерфри.
- Для снижения неравномерности распределения фаз и повышения эффективности разделения смесей разработано высокоэффективное контактное устройство – структурированная контактная газожидкостная тарелка (СКГ), конструкция которой позволяет снизить влияние градиента уровня жидкости и повысить эффективность разделения.
- Проведены экспериментальные исследования гидравлических характеристик разработанной тарелки СКГ. Получены значения для расчета перепада давления сухой и орошаемой тарелки.
- Составлен алгоритм расчета эффективности разделения смеси на тарелке с учетом неравномерности распределения уровня жидкости по полотну тарелки и скорости газа (пара) в сечении входа на контактное устройство.
- Выполнены расчеты отечественных и зарубежных контактных устройств.
Выбраны наиболее эффективные и энергосберегающие конструкции для использования при модернизации абсорбционных и ректификационных колонн процессов осушки и разделения углеводородных газов (на примере выделения этилена).
- Показаны примеры энергосбережения на абсорбционной и ректификационной колоннах процесса осушки углеводородного (природного) газа за счет модернизации, заключающиеся в замене устаревших контактных устройств новыми высокоэффективными. Выбраны наиболее энергосберегающие варианты модернизации, обеспечивающие снижение энергозатрат, и рассчитан их экономический эффект.
- Разработаны технические решения, направленные на снижение затрат энергии в тепломасссообменной колонне К-303 получения товарного этилена. При увеличении производительности колонны в 1,6 раз, снижение расхода тепловой энергии на единицу продукции обеспечивается заменой клапанных тарелок, установленных в аппарате, на высокоэффективную нерегулярную насадку или тарелку СКГ. Предложенная энергоэффективная модернизация позволяет повысить производительность установки при заданном качестве товарного этилена. Экономия тепла составит от 7 до 8 %, итого: при тарельчатом варианте – 6960 Гкал в год;
при насадочном варианте – 7680 Гкал в год.
- Разработанный подход к оценке энергоэффективности тепломассообменных установок и конструкция энергосберегающей тарелки могут использоваться при модернизации аналогичных объектов на предприятиях ТЭК-нефтехимия, -нефтегазопереработка, а также декарбонизаторах и деаэраторах ТЭС.
По теме диссертации опубликованы следующие работы:
1. Патент на полезную модель РФ №116064. Структурированная контактная газожидкостная тарелка / А.Г. Лаптев, А.Н. Крылова (Долгова), М.М. Фарахов. – Опубл. 20.05.2012. Бюл. № 14.
2. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011615102. Предпроектный расчет тарельчатого абсорбера с ситчатыми тарелками / А.Г. Лаптев, А.Н. Крылова (Долгова), Т.С. Бажиров. – Опубл. 29.06.2011.
В изданиях из перечня ВАК Минобрнауки России:
3. Лаптев, А.Г. Модели тепло- и массоотдачи и сравнительная эффективность насадочных аппаратов / А.Г. Лаптев, А.Н. Крылова (Долгова), М.М. Башаров // Труды Академэнерго. – 2011. – №2. – С. 54-70.
4. Крылова (Долгова), А.Н. Сравнительные массообменногидравлические характеристики контактных устройств насадочных аппаратов / А.Н. Крылова (Долгова), М.М. Башаров // Известия вузов. Проблемы энергетики. – 2010. – №11 12. – С. 131-134.
В других изданиях:
5. Башаров, М.М. Повышение эффективности аппаратов и энергосбережение в производстве этилена / М.М. Башаров, Р.Т. Зарипов, А.Н. Долгова // Вестник КГЭУ.
– 2012. – № 4. – С. 16-25.
В материалах конференций:
6. Долгова, А.Н. Снижение энергозатрат в ректификационной колонне выделения этилена / А.Н. Долгова, А.Г. Лаптев, М.М. Башаров, Р.Т. Зарипов // VI Межд. науч. технич. конф. «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности»: сб. тр. – Ульяновск, 2013. – С. 378-383.
7. Долгова, А.Н. Определение эффективности барботажных контактных устройств с учетом градиента уровня жидкости / А.Н. Долгова, Е.А. Лаптева // VIII Межд.
молод. науч. конф. «Тинчуринские чтения»: материалы докладов. – Казань, 2013. – Т.2. – С.89-90.
8. Лаптев, А.Г. Энергоресурсосбережение при разделении различных веществ с использованием новых контактных устройств / А.Г. Лаптев, А.Н. Крылова (Долгова) // VII ежегодная Межд. науч.-практич. конф. «Повышение эффективности энергетического оборудования - 2012»: сб. тр. – Санкт-Петербург, 2012. – С. 727 737.
9. Крылова (Долгова), А.Н. Повышение эффективности работы барботажных контактных устройств / А.Н. Крылова (Долгова), А.Г. Лаптев // VII Межд. молод.
науч. конф. «Тинчуринские чтения»: материалы докладов. – Казань, 2012. – Т.2. – С.141-142.
10. Лаптев, А.Г. Структурированная контактная тарелка для разделения газожидкостных систем / А.Г. Лаптев, А.Н. Крылова (Долгова) // Всерос. науч. практич. конф. «Актуальные инженерные проблемы химических и нефтехимических производств и пути их решения»: сб. тр. – Нижнекамск, 2012. – С.34-35.
11. Лаптев, А.Г. Интенсификация процесса осушки природного газа с использованием новых контактных устройств / А.Г. Лаптев, А.Н. Крылова (Долгова) // VIII шк.-семинар молод. ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении»: сб. тр. – Казань, 2012. – С. 443-446.
12. Крылова (Долгова), А.Н. Энергосберегающие аппараты в схеме осушки природного газа / А.Н. Долгова, А.Г. Лаптев // XV асп.-маг. семинар, посвященный «Дню энергетика»: материалы докладов. – Казань, 2012. – Т.1. – С. 73-74.
13. Лаптев, А.Г. Аппарат осушки природного газа сеноманской залежи Заполярного ГНКМ с различными контактными устройствами / А.Г. Лаптев, А.Н. Крылова (Долгова) // IV Межд. науч.-практич. конф. молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники»: сб. науч. тр. – Уфа, 2012.– С. 16-18.
14. Крылова (Долгова), А.Н. Сравнение аппаратов с различными контактными устройствами, используемыми в схеме осушки природного газа / А.Н. Крылова (Долгова), А.Г. Лаптев // Межд. науч.-практич. конф. молодых ученых и специалистов «Молодежь, наука, будущее: технологии и проекты»: материалы докладов. – Казань, 2012. – Т.1. – C. 194-196.
15. Крылова (Долгова), А.Н. Сравнительные массообменно-гидравлические и энергетические характеристики нерегулярных контактных устройств насадочных аппаратов / А.Н. Крылова (Долгова), М.М. Башаров, А.Г. Лаптев // XVII Межд.
науч.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: материалы докладов. – Москва, 2011. – Т. 2. – С. 496-497.
16. Крылова (Долгова), А.Н. Вариант модернизации установки регенерации диэтиленгликоля при процессе осушки природного газа / А.Н. Крылова (Долгова), А.Г. Лаптев // VI Межд. молод. науч. конф. «Тинчуринские чтения»: материалы докладов. – Казань, 2011. – Т.2. – С. 140-141.
17. Крылова (Долгова), А.Н. Расчет аппаратов осушки природного газа диэтиленгликолем / А.Н. Крылова (Долгова), Р.М. Минигулов, А.Г. Лаптев// Городская науч.-практич. конф. «Энергоэффективная и энергосберегающая политика в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве»: материалы докладов. – Нижнекамск, 2011. – С. 66-69.
18. Лаптев, А.Г. Варианты модернизации абсорбционной и десобционной колонн осушки природного газа / А.Г. Лаптев, А.Н. Крылова (Долгова) // Межд. науч. технич. конф. «Энергетика, информатика, инновации – 2011»: сб. тр. – Смоленск, 2011. – Т.1. – С. 128-132.
19. Лаптев, А.Г. Аппараты с различными контактными устройствами, используемые в схеме осушки природного газа / А.Г. Лаптев, А.Н. Крылова (Долгова) // Межд.
молод. науч. шк. «Энергия и человек»: сб. тр. – Томск, 2011. – С.95-99.
20. Крылова (Долгова), А.Н. Сравнительные массообменные характеристики насадочных контактных устройств / А.Н. Крылова (Долгова), А.Г. Лаптев // VI Всерос. науч.-технич. студ. конф. «Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии»: сб. тр. – Казань, 2010. – С. 49-52.
21. Крылова (Долгова), А.Н. Энергосбережение на установке осушки природного газа / А.Н. Крылова (Долгова), М.М. Тараскин, А.Г. Лаптев // Межд. молод. науч.
конф. «XVIII Туполевские чтения»: материалы докладов. – Казань, 2010. – Т.3. – С. 145-147.
22. Крылова (Долгова), А.Н. Энергосбережение при регенерации гликоля на установках осушки природного газа / А.Н. Крылова (Долгова), А.Г. Лаптев// V Межд. молод. науч. конф. «Тинчуринские чтения»: материалы докладов. – Казань, 2010. – Т.2. – С.143.
23. Крылова (Долгова), А.Н. Математическое моделирование процесса осушки природного газа диэтиленгликолем / А.Н. Крылова (Долгова), А.Г. Лаптев, Р.М.
Минигулов // XXIII Межд. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях – МММТ-23»: сб. тр. – Саратов, 2010. – Т.8. – С. 114-116.
24. Крылова (Долгова), А.Н. Совершенствование аппаратов регенерации диэтиленгликоля на установках осушки природного газа / А.Н. Крылова (Долгова), А.Г. Лаптев // V Всерос. науч.-практич. конф. «Повышение эффективности энергетического оборудования»: сб. тр. – Иваново, 2010. – С. 257-262.
25. Лаптев, А.Г. Повышение эффективности массообменных аппаратов на установке осушки природного газа / А.Г. Лаптев, А.Н. Крылова (Долгова), Р.М. Минигулов // X Межд. симпозиум «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение»: сб. тр. – Казань, 2009. – Ч.II. – С. 239-244.