Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Факультет химических технологий, промышленной экологии и биотехнологий
Кафедра «Оборудование и автоматизация химических производств»
Направление подготовки: 15.04.02 Технологические машины и оборудование
Направленность (профиль) образовательной программы: Машины, аппараты химических
производств и нефтегазопереработки
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
(магистерская диссертация)
Исследование гидродинамики аппарата с подвижной насадкой и
На тему
реконструкция блока сероочистки ГФУ ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез»
Студент
гр. МАХП-18-1м
___________________
(
Д.А.Иванцов
)
Состав ВКР:
1. Пояснительная записка на
2. Графическая часть на
Допускается к защите
Заведующий кафедрой
д-р техн. наук, профессор
__________________ Е.Р.Мошев
«_____»_____________ 2020 г.
83
7
стр.
листах
Руководитель ВКР
( А.Г.Хлуденев
)
(
)
Консультант:
Регистрационный номер _______
Пермь 2020
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Кафедра «Оборудование и автоматизация химических производств»
УТВЕРЖДАЮ
Зав. кафедрой______________ Е.Р.Мошев
«___»____________2020 г.
ЗАДАНИЕ
на выполнение выпускной квалификационной работы
Фамилия, И.О. Иванцов Денис Андреевич
Факультет
Химико-технологический
Группа
МАХП-18-1м
Начало выполнения работы
Контрольные сроки просмотра работы кафедрой еженедельно
Сроки представления на рецензию
16.06.2020
Защита работы на заседании ГЭК
23.06.2020
1. Наименование темы
Исследование гидродинамики аппарата с подвижной насадкой
и реконструкция блока сероочистки ГФУ ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез»
2. Исходные данные к работе
Материалы производственной и преддипломной практик
3. Содержание пояснительной записки
а) основная часть (конструкторская, технологическая, исследовательская)
Литературный обзор аппаратов с подвижной насадкой
Экспериментальная часть. Исследование гидродинамических характеристик аппарата с
подвижной кольцевой насадкой
б) раздел
Технологические расчеты АПН для моноэтаноламиновой очистки газа от
сероводорода
2
в) раздел
Прочностные расчеты
г) раздел
Приложение А. Графическая часть проекта
д) раздел
Приложение Б. Статья «Совершенствование аппаратурного оформления процесса
моноэтаноламиновой очистки жирного газа в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез»
с применением аппаратов с подвижной насадкой», Вестник ПНИПУ «Химическая технология и
и биотехнология», № 3, 2019
е) раздел
4. Дополнительные указания
Предусмотреть оснащение проектируемого АПН эффективными
каплеуловителем и оросителем
5. Основная литература
1. Заминян А.А., Рамм В.М. Абсорберы с псевдоожиженной насадкой. М.: Химия, 1976-187 с.
2. Интенсивные колонные аппараты для обработки газов жидкостями
/ под ред. Тарата. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1976 – 240 с.
3. ГОСТ 14289-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на
прочность.- М.-Л.:Изд-во стандартов, 1989.
4. Технологический регламент ГФУ, ТР 21-056-2016. 169 с.
5. Головачевский Ю.А. Оросители и форсунки скрубберов химической промышленности. М., «Машиностроение», 1974-271 с.
Руководитель выпускной квалификационной работы магистра
Доцент кафедры ОАХП, канд. техн. наук_______________________ (А.Г.Хлуденев)
(должность, Ф.И.О.)
Консультант_______________________________________________ (___________________)
(должность, Ф.И.О.)
Задание получил ______________________________________________ (Д.А.Иванцов)
(дата и подпись студента)
3
КАЛЕНДАРНЫЙ ГРАФИК ВЫПОЛНЕНИЯ
ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Объем
этапа,
в%
№п.
п.
Сроки выполнения
начало
конец
1
Разработка основных разделов диссертации
50
27.04.2020 17.05.2020
2
Оформление диссертации
20
18.05.2020 25.05.2020
3
Разработка и оформление иллюстративной
материала к защите диссертации
Представление диссертации на проверку и
отзыв научного руководителя
10
25.05.2020 06.06.2020
5
07.06.2020 10.06.2020
Представление работы заведующему кафедрой
Защита на заседании ГЭК
3
11.06.2020 15.05.2020
2
23.06.2020 23.06.2020
4
5
6
Научный руководитель работы _______________________(А.Г.Хлуденев)
«___» __________________2020 г.
4
Примечание
РЕФЕРАТ
Выпускная
квалификационная
работа
93
с.,
17
рис.,
8
табл.,
22 источника, 2 прил.
АБСОРБЕР С ПОДВИЖНОЙ КОЛЬЦЕВОЙ НАСАДКОЙ (АПН), МОНОЭТАНОЛАМИНОВАЯ
ОЧИСТКА,
ТРЕХФАЗНЫЙ
ПСЕВДООЖИЖЕННЫЙ
СЛОЙ, КОЭФФИЦИЕНТ РАСШИРЕНИЯ СЛОЯ, ПОВЕРХНОСТЬ КОНТАКТА
ФАЗ, СКОРОСТЬ РАЗВИТОГО ВЗВЕШИВАНИЯ.
Объект проектирования – установка моноэтаноламиновой очистки жирного
газа КК-1 и АВТ от сероводорода.
Цель работы – совершенствование аппаратурного оформления процесса
МЭА очистки, повышение его эффективности и интенсивности, заключающегося в
замене двух существующих абсорберов (тарельчатый и насадочный) одним высокоэффективным аппаратом с подвижной насадкой.
В работе представлены результаты экспериментального исследования некоторых гидродинамических характеристик АПН с кольцевой насадкой (скорость развитого псевдоожижения, гидравлическое сопротивление слоя, степень расширения
слоя).
С использованием результатов исследования выполнены технологические
расчеты АПН, включающие расчет основных массообменных характеристик аппарата, определение количества слоев насадки, гидравлическое сопротивление аппарата.
Предложена конструкция встроенного центробежного каплеуловителя.
Выполнены прочностные расчеты АПН.
Графическая часть работы представлена на 7 листах.
5
Содержание
Введение………………………..………………………………………………..…. 9
1 Литературный обзор……….………………………………..……………….....10
1.1 Принцип работы и назначение аппаратов с подвижной насадкой...…..10
1.2 Классификация аппаратов с подвижной насадкой ……………..…...….12
1.3 Сравнение АПН с аппаратами других типов ………….……….……….21
1.4 Требования, предъявляемые к насадочным телам ..…………...…..…...22
1.5 Цель работы ……………………………………………………………….22
2
Экспериментальная часть ...……………………………………………...…23
2.1.1 Описание экспериментальной установки………………...…..……......24
2.1.2 Анализ результатов эксперимента …………………….…………..…..24
2.1.3 Обработка экспериментальных данных ……………………………... 29
2.1.4 Математическое планирование эксперимента ……………………… 33
3
Технологический расчет колоны …………………………..……..……… 40
3.1 Выбор основных параметров АПН ………………………..…..………. 40
3.2 Определение диаметра аппарата …………………………..…..………. 40
3.3 Определение коэффициента массопередачи ………………………….. 41
3.4 Расчет коэффициента извлечения ………………….……..….….………42
3.5 Расчет гидравлического сопротивления АПН ………………….………42
3.6 Расчет гидравлического сопротивления каплеуловителя ……………. 45
3.7 Расчет диаметров штуцеров ……………………………………………. 45
3.8 Расчет диаметра каплеуловителя …….………………………………….46
3.9 Ороситель …………………………………………………………………46
4
Прочностной расчет колоны ….………………………………….…..……. 47
4.1 Исходные данные для механического расчета …………..…..…….…. 47
4.2 Конструктивный расчет колоны …………………………...……………47
4.2.1 Определение высоты аппарата …………………………..……….……47
4.2.2 Определение числа обслуживающих площадок ………..………….…48
4.3 Расчет на прочность конструктивных элементов колоны ……..………48
6
4.3.1 Расчет корпуса колоны на прочность ………………………………….. 48
4.3.2 Определение допускаемого давления при принятой толщине стенки ..48
4.3.3 Расчет днища корпуса на прочность …………………………………….49
4.3.4 Подбор днища корпуса ………………………………………………….. 49
4.4 Определение весовых характеристик колоны …………………………… 50
4.4.1 Определение массы корпуса колоны …………………………………… 50
4.4.2 Определение насадок ……………………………………………………. 50
4.4.3 Определение массы каплеуловителя …………………………………… 50
4.4.4 Определение массы опоры ……………………………………………… 50
4.4.5 Определение массы обслуживающих площадок ………………………. 51
4.4.6 Определение массы воды при гидроиспытании …………………..…… 51
4.4.7 Определение максимальной массы аппарата …………………………... 51
4.4.8 Определение минимальной массы аппарата ……………………………. 51
4.5 Определение расчетных усилий колонного аппарата от ветровых
нагрузок …………………………………………………………………….. 52
4.5.1 При рабочих условиях …………………………………………………..... 52
4.5.2 Определение периода собственных колебаний ………………………… 52
4.5.3 Определение средней составляющей ветровой нагрузки …………...…. 54
4.5.4 Коэффициент пульсации давления ветра для середины k-го участка ….54
4.5.5 Пульсационная составляющая ветровой нагрузки на i-ом участке …….56
4.6 Выбор опор ……………………………………………………………………57
4.7 Прочностной расчет колонного аппарата ………………………..…………58
4.7.1 Корпус колонного аппарата ……………………………………………….58
4.7.2 Проверка прочности корпуса аппарата при рабочем условии………….58
4.7.3 Проверка прочности корпуса аппарата при условии монтажа ....……...60
4.7.4 Опорная обечайка …………………………………………………………62
4.7.5 Проверка прочности обечайки при рабочем условии …………………..62
4.7.6 Проверка прочности аппарата при условии монтажа …………………. 63
4.7.7 Опорная обечайка …………………………………………………………64
4.7.8 Расчет и укрепление отверстий в корпусе колоны …………………….. 65
7
4.7.9 Проверка прочности сварного шва …………………………………..… 65
4.8 Выбор конструкции фланца ………..……………………………………..…67
4.9 Болтовая нагрузка в условиях монтажа ………………………………..….. 69
4.9.1 Условие прочности болтов …………………………………………...……71
4.9.2 Условие прочности неметаллических прокладок ……………………..... 71
4.9.3 Условие прочности втулки фланца, ограниченное сечением s1 …….… 71
4.9.4 Условие прочности втулки фланца, ограниченное сечением s0 …….… 71
4.9.5 Условие прочности ……………………………………………………….. 72
4.9.6 Требование к углу поворота ……………………………………………… 72
Заключение ………………………………………………………………..…………….73
Список использованных источников ………………………………………..………...74
Приложение А. Графическая часть ………………………………………………....…76
8
Введение
Процесс хемосорбции сероводорода раствором моноэтаноламином (МЭА) из
жирного газа, поступающего с каталитического крекинга КК-1 и установок АВТ,
осуществляется в двух последовательно установленных по ходу газа абсорберах К-1
и А-1 (Рисунок 1).
Абсорбер К-1 имеет отбойную тарелку и шесть тарелок желобчатого типа.
Нижняя часть абсорбера является сепаратором для отделения из газа конденсата.
Абсорбер А-1 состоит из трех слоев насадки (кольца Рашига) высотой два метра
каждый.
Раствор МЭА (абсорбент) подается в А-1 по трем вводам на каждый слой
насадок, а в К-1 – по одному вводу на верхнюю тарелку.
Диаметр обоих абсорберов – 2000 мм.
Недостатками существующей схемы являются сложность аппаратурного оформления процесса, низкая интенсивность и, как следствие, громоздкость и высокая
металлоемкость оборудования, а также высокая чувствительность к изменению
нагрузок по газу и жидкости.
Указанных недостатков лишены аппараты с подвижной насадкой (АПН).
Рисунок 1. Существующая технологическая схема очистки жирного газа от H2S
установок КК-1 и АВТ раствором МЭА
9
Абсорберы с псевдоожиженной насадкой широко применяются для очистки
отходящих промышленных газов. Эти абсорберы с использованием принципа взаимодействий газожидкостных потоков в слое подвижных тел, предоставляют возможность без увеличения общего числа аппаратов проводить наиболее глубокую
очистку газа от вредных компонентов. В качестве насадок для АПН применяются
насадочные тела различной формы, изготовленные из материалов, устойчивых к агрессивному воздействию сред. Насадочные тела должны обеспечивать хороший
контакт между жидкостью и газом, иметь сравнительно низкое сопротивление и
псевдоожижаться в относительно широком диапазоне изменения характеристик
процесса абсорбции.
Целью диссертационной работы является теоретическая разработка и экспериментальное обоснование решений, направленных на повышение эффективности и
надежности аппаратурного оформления процесса МЭА очистки газов с применением аппаратов с подвижной кольцевой насадкой (АПКН).
Указанная цель достигается решением следующих задач:
- исследование основных гидродинамических характеристик АПКН;
- разработка практических рекомендаций по оптимизации функционирования
аппаратов с подвижной кольцевой насадкой;
- применение результатов исследования для аппаратурного оформления процесса
моноэтаноловой очистки газа от сероводорода.
1 Литературный обзор
1.1 Принцип работы и назначение аппаратов с подвижной насадкой
В аппаратах с подвижной насадкой увеличение эффективности процессов массообмена обеспечивается псевдоожиженными насадочными телами. Насадки (кольца,
куски, шары и др.) удерживаются в подвешенном состоянии с помощью потока газа,
перемещающийся снизу-вверх. Жидкость, орошающая насадку, в зависимости от
режима работы аппарата создает пленку, закрывающую поверхность насадочных
тел, или, в более насыщенных режимах, включается в состав барботажного газожидкостного слоя (в жидкости газ распределен в виде пузырьков и т.п.), либо нахо10
дится в виде струй и капель, распределенных в газе. Для обеспечения псевдоожиженного слоя насадочных тел в рабочей зоне аппарата применяют различные способы. Существуют два основных способа работы аппаратов с псевдоожиженной насадкой:
- подъемной силой потока газа к верхней решетке прижимается насадка, под воздействием орошения расширяется, создавая при этом под ограничительной решеткой
плавающий слой;
- под действием газа насадка расширяется, образуя взвешенный слой, где происходит связь между газом и жидкостью.
Принцип работы аппаратов с псевдоожиженной насадкой показан на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема псевдоожижения в АПН: а – критическая скорость
псевдоожижения выше скорости газа; б – работа в режиме турбулентно-контактного слоя
(обычно псевдоожижение); в – режим плавающего слоя; 1 – секция абсорбера;
2 – опорно-распределительная решетка; 3 – ограничительная решетка.
Абсорбер произвольной формы (цилиндр, параллелепипед, конус и др.) разделен
поперечными газораспределительными решетками на секции. На решетки помещается насадка из элементов определенной формы. Нижняя решетка называется
опорно-распределительной и служит для предотвращения провала элементов
насадочных тел, а верхняя – ограничительная – блокирует вынос насадки за пределы
слоя. В аппаратах может находится несколько секций: в этом случае часть опорнораспределительных решеток выступает в качестве ограничительных решеток для
нижележащий секций.
Для некоторой скорости газа насадка будет находиться в неподвижном состоянии (рисунок 2, а). Если при параллельной подаче орошающей жидкости в аппарат
увеличивать постепенно расход газа, насадка перейдет в псевдоожиженное состояние (рисунок 2, б). При этом каждой скорости газа соответствует определенная
11
высота псевдоожиженного слоя. При дальнейшем увеличении скорости газа в
зависимости от начальной высоты неподвижного слоя насадка может сдвинуться
(прижаться) к верхней решетке, при этом создается «плавающий» слой псевдоожиженной насадки (рисунок 2, в).
1.1 Классификация аппаратов с подвижной насадкой
Ниже приведен ряд конструкций абсорберов, отличающихся способами отвода и подачи жидкости, принципом работы и формой рабочей зоны аппарата
[1-10].
Абсорбер с псевдоожиженной насадкой плавающего типа – один из первых,
который нашел промышленное применение. На рисунке 3.1 изображен двухсекционный абсорбер с плавающей насадкой. Абсорбер оборудован тремя одинаковыми
решетками большого свободного сечения, между которыми расположены два слоя
насадочных тел. Высота насадки в секциях составляет ½ расстояния между граничащими решетками. После расширения насадка прижимается к верхним решеткам,
где под действием орошающей жидкости, поступающей сверху, прижатый слой насадки увеличивается, образуя плавающий псведоожиженный слой.
Рисунок 3.1. Абсорбер с плавающей насадкой: 1 – ограничительная решетка; 2 – шаровая насадка; 3 – ороситель; 4 – брызгоуловитель.
12
Рисунок 3.2. Абсорбер с псевдоожиженной насадкой: 1 – опорно-распределительные
решетки; 2 – шаровая насадка; 3 – ограничительная решетка; 4 – брызгоуловитель.
Особенностью орошаемого псевдоожиженного слоя, полученного таким
способом, является то, что в данном случае отрицательные эффекты отсутствуют
(«газовые пробки», «поршневой режим»). Это обусловлено равномерностью псевдоожижения во всем слое и, как следствие, тесным контактом жидкости и газа.
Для достижения интенсивного движения насадочных тел внутри псевдоожиженного слоя верхние решетки абсорбера устанавливают изогнутой формы. Брызгоуловитель устанавливают в верхней части абсорбера. Для создания плавающего слоя
могут быть использованы шары диаметром 7-76 мм и плотностью 20 – 400 кг/м3.
Аппараты с псевдоожиженной насадкой плавающего типа рекомендуются для
процессов массообмена и пылеулавливания.
Абсорбер с псевдоожиженной насадкой. Абсорбер с псевдоожиженной насадкой (АПН) показан на рисунке 3.2. В аппарате существует один или несколько слоев
насадки, размещенных на опорно-распределительных решетках. Ограничительная
решетка с большим живым сечением находится в верхней части абсорбера, она предотвращает вынос насадки газом из абсорбера. Насадка может псевдоожижаться, не
прилипая к ограничительной решетке при варьировании скорости газа в широком
диапазоне, что объясняется большим пространством между решетками (высота статической насадки составляет в пределах 0,1-0,2 от высоты секции). Так как скорость
газа при работе аппарата достигает 6 м/с, то насадочные тела находятся в виде очень
сильно разреженного слоя. В качестве насадки используются шары из пластмасс
13
плотностью 10-900 кг/м3 и диаметром до 100 мм. Скорость газа в аппарате может
варьироваться 1,5-9 м/с, плотность орошения 5-200 м/ч.
Абсорбер с кипящими «зажатыми» слоями используется для процессов
массо- и теплообмена, а также очистке газов. В конструктивном исполнении схож с
аппаратом на рисунке 3.1. Абсорбер функционирует при расходах газа и жидкости,
обеспечивающих заполнение насадкой всего объема секции без образования плотного плавающего псевдоожиженного слоя. По принципу действия абсорбер данного
типа соответствует абсорберу, занимающему граничное положение между
турбулентно-контактным абсорбером и абсорбером с плавающей насадкой.
Абсорбер с псевдоожиженной насадкой и прямоточной подачей фаз (снизу
вверх). На рисунке 4 показан аппарат с подачей жидкости под решетку (рисунок 4, а)
или на некотором расстоянии от нее (рисунок 4, б).
Рисунок 4. АПН с прямоточной подачей фаз снизу вверх:
а – подача жидкости под решетку; б – с подачей жидкости на некотором расстоянии
от решетки; 1 – опорно-распределительная решетка; 2 – псевдоожиженная насадка;
3 – брызгоуловитель.
Нижнюю часть аппарата выполняют расширяющейся кверху. В данных
аппаратах жидкость вместе с газом снизу-вверх поступает в псевдоожиженный слой
насадки, где они взаимодействуют. Режим работы данных абсорберов таков, что
жидкость проваливается сквозь опорно-распределительную решетку, не достигая
верха псевдоожиженного слоя. В такого типа аппаратах уменьшается брызгоунос, и
они могут работать без брызгоуловителей (роль брызгоуловителей играет верхняя
14
часть псевдоожиженного слоя). Также, исключается налипание твердых частиц на
нижнюю
часть
опорно-распределительной
решетки.
Недостатками
данной
конструкции является слабое перемешивание жидкости, поступающей в слой, и
недостаточным контактом ее с газом. А также необходимо интенсивно распылять
жидкость при подаче ее под решетку, что довольно сложно при работе с жидкостями, содержащими твердые взвеси.
Предложен еще один вид такого аппарата – прямоточный абсорбер с
псевдоожиженной насадкой в которую вся жидкость, поступающая в аппарат,
выносится, отделяясь в циклоне, расположенном вне абсорбера и вновь возвращается в абсорбер для повторного использования (рисунок 4, в)
Рисунок 4.в. АПН с подачей жидкости на решетку, с прямоточной подачей
фаз снизу-вверх: 1 – опорно-распределительная решетка; 2 – псевдоожиженная насадка;
3 – брызгоуловитель.
Абсорбер с псевдоожиженной насадкой и организованной подачей газа под
опорно-распределительную решетку
15
Рисунок 5. Абсорбер с организованной подачей газа и псевдоожиженной насадкой:
1 – газораспределительная тарелка с дутьевыми колпачками; 2 – тарелка провального типа;
3 – насадочные тела; 4 – плоскопараллельная насадка.
На рисунке 5 показан абсорбер с провальной тарелкой, на которой для интенсификации
массообмена
расположены
элементы
насадки,
находящиеся
в
псевдоожиженном состоянии. Для подачи газа и отвода жидкости под провальной
тарелкой установлены дутьевые колпачки. Абсорбер снабжен брызгоуловителем в
виде плоскопараллельной насадки.
Абсорбер с псевдоожиженной насадкой фонтанирующего типа.
В аппаратах данного типа часть опорно-распределительной решетки выступает в роли только отвода отработанной жидкости, а через главную часть решетки поступает в псевдоожиженный слой прямотоком жидкая и газовая фазы. Для обеспечения наиболее устойчивого контакта между фазами и уменьшения количества
жидкости, подаваемой на орошение аппарата, предложена конструкция АПН, в которой для создания высокой турбулизации потоков часть рабочей зоны выполнена в
виде конуса, способствующего образованию фонтанирующего слоя насадки.
На рисунке 6а показана одна из конструкций такого аппарата. Жидкость и газ
прямотоком поступают в рабочую зону аппарата и вследствие большой линейной
скорости (свыше 10 м/с) вместе с шарами поднимаются до ограничительной решетки, которая к боковой поверхности рабочей зоны отклоняет поток. Жидкость и
шары спускаются вниз, шары съезжают к центру опорно-распределительной решетки и с помощью газожидкостного потока направляются вверх, а жидкость выходит
16
из аппарата через кольцевой желоб (часть отработанной жидкости может быть в
циркуляционном контуре, создавая дополнительну поверхность контакта).
Рисунок 6. Абсорбер с псевдоожиженной насадкой фонтанирующего типа:
а – односекционный аппарат; б – аппарат с несколькими вертикальными секциями;
1 – подвод газа и жидкости; 2 – опорная решетка; 3 – кольцевой желоб; 4 – брызгоуловитель.
Ограничительная решетка сделана изогнутой, и для улучшения циркуляции
насадки перед ней установлены направляющие пластины. При огромных расходах
газа в один корпус помещают несколько работающих аппаратов (Рисунок 6, б).
В качестве насадки в аппаратах служат шары диаметром 30-50 мм и массой
2,5-10 г. Высота секции находится в пределах 0,8-2,5 м, скорость газа при входе в
псевдоожиженный слой составляет 10-30 м/с. Расход жидкости на 1 м3 перерабатываемого газа меняется в широких пределах: 0,05-10 л/м3. От вариации параметров
процесса зависит гидравлическое сопротивление и составляет 200-3000 Па. К недостаткам этих аппаратов можно отнести заметный рост гидравлического сопротивления с увеличением расхода газа. Так, на 30% изменив расход газа, гидравлическое
сопротивление возрастет на 70% от первоначальных значений. Данные аппараты рекомендуются для осуществления тепло-массообмена и пылеулавливания. От перепада давления в аппарате зависит степень улавливания пыли. Степень улавливания
доломитовой пыли при перепаде давления 500Па доходит до 70% и при 2500 Па она
составляет 92%.
17
Конические абсорберы с псевдоожиженной насадкой (КСШ)
На рисунке 7 показаны два вида КСШ. Аппараты имеют форму перевернутого
усеченного конуса, в нижней части которого скорость газа должна быть достаточной для псевдоожижения (рекомендуется 6-10 м/с). В верхней части аппарата
скорость газа уменьшают до 1-2 м/с для минимального уноса брызг. Наиболее
насыщенно псевдоожижение происходит около нижнего основания, постепенно
уменьшаясь по высоте, причем для улавливания образующихся в нижней части
брызг служат верхние малоподвижные слои насадки.
В аппаратах такого типа по сравнению с абсорберами с постоянным поперечным сечением насадка псевдоожижается в наиболее плотный слой. Это улучшает
распределение в насадке жидкости, обеспечивает более плотный контакт жидкости
и газа, позволяет изменять скорости газа в широком диапазоне. Неподвижная высота слоя равна 0,5-0,8 м.
В абсорбере на рисунке 7а жидкость подается сверху противотоком по отношению к газу. В абсорбере на рисунке 7б жидкость эжектируется газом из нижнего
сборника, в котором поддерживается неизменный уровень. Смешение сред происходит по оси аппарата, так как скорость газа максимальная. Аппараты эжекционного
типа не требуют насосов для подачи орошающей жидкости. Такие аппараты
рекомендуется применять при температуре газа свыше 100°С, так как жидкость
соприкасается с газами еще в сборнике, и насадка сохраняется от воздействия высокой температуры. Из недостатков данного типа аппаратов можно отнести трудность
эксплуатации при колебаниях расходов жидкости и газа.
18
Рисунок 7. Конический абсорбер с подвижной насадкой:
а – форсуночный вариант, б – эжекционный вариант;
1 – опорно-распределительная решетка; 2 – шаровая насадка;
3 – брызгоулавливающий слой шаров; 4 – сборник жидкости.
Аппарат с подвижной насадкой и высокой пропускной способностью по
газовой фазе (Рисунок 8)
Рисунок 8. АПН с высокой пропускной способностью по газу:
1 – опорно-распределительная решетка; 2 – наклонная ограничительная решетка;
3 – перегородка; 4 – шаровая насадка.
Циркуляция псевдоожиженной насадки происходит в рабочей зоне абсорбера,
в свободном сечении аппарата при скоростях газа, превышающих скорости в прочих
конструкциях, что обеспечивается организацией упорядоченных потоков жидкости
и газа. Для этого предусмотрена сплошная перегородка, делящая зону контакта на
две. В большей части аппарата происходит абсорбция, в другой части циркуляция
19
насадки под эжектирующим действием подаваемой в зону вспомогательной жидкости. Плотность орошения в такой колонне может доходить до 180 м/ч, а скорость
газа до 8,6 м/с.
Абсорбер со смещенными по оси аппарата коническими слоями псевдоожиженной насадки (Рисунок 9)
Для уменьшения брызгоуноса по оси аппарата смещают конические слои так,
чтобы брызги из предшествующего слоя не попали на опорно-распределительную
решетку следующего слоя.
Рисунок 9. Абсорбер со смещенными коническими слоями псевдоожиженной насадки:
1 – опорно-распределительная решетка; – насадки; 3 – брызгоуловитель.
Другие виды АПН
Для усиления массообменных процессов предложен аппарат, у которого
опорно-распределительная решетка снабжена дутьевыми патрубками для вращательного движения насадки.
При переменном расходе жидкости и газа через абсорбер можно использовать
аппарат с поплавковыми клапанами и опорно-распределительной решеткой.
Существуют также аппарата с опорно-распределительными решетками,
сделанными на выступающих сверху участках сплошными и перфорированными на
остальной части. По мнению авторов данного изобретения, это ведет к уменьшению
20
гидравлического сопротивления и увеличению эффективности работы. Для
повышения пропускной способности абсорберов и уменьшения гидравлического
сопротивления используют шаровую насадку, расположенную на нитях в продольном и поперечном сечениях (Рисунок 10).
Рисунок 10. Абсорбер с расположением шаровой насадки на упругих нитях:
1 – опорно-распределительная решетка; 2 – секция аппарата с горизонтально
расположенными нитями; 3 – секция с вертикально расположенными нитями;
4 – брызгоуловитель.
1.3 Сравнение АПН с аппаратами других типов
Сравнение аппаратов с подвижной насадкой с другими аппаратами, применяемыми в промышленности, позволяет выделить ряд преимуществ рассматриваемого типа абсорберов.
Преимущества АПН:
Относительно высокие скорости газа по всей высоте аппарата (2,5-5,5 м/с),
превышающие скорости газа в аппаратах других типов (насадочных, барботажных и
др.), за исключением скоростных полых скрубберов, в которых скорость составляет
3,5-6 м/с. Хотя в абсорберах типа Вентури скорость газа в горловине гораздо выше,
чем в АПН, но они по размерам уступают рассчитанным по газу абсорберам с
псевдоожиженной насадкой той же производительности.
21
Возможность работы со средами, загрязненными твердыми частицами, выпадающими в осадок в процессе абсорбции. В этом отношении АПН превосходит
абсорбционные аппараты всех типов, включая полые башни, приспособленные для
работы с загрязненными средами, так как в этом случае внутренние стенки полых
башен могут зарастать осадками.
Широкий диапазон устойчивой работы при изменении расходов жидкости и
газа через аппарат. При этом гидравлическое сопротивление АПН изменяется
незначительно. Этим преимуществом обладают также полые башни и частично
насадочные. Особенно неудовлетворительны в этом отношении аппараты с
провальными тарелками и скрубберы Вентури.
Брызгоунос при прочих равных условиях в АПН ниже, чем в других аппаратах, что объясняется сепарирующим свойством псевдоожиженной твердой насадки.
1.4 Требования, предъявляемые к насадочным телам
Для эффективной работы колоны, заполняющая насадка должна удовлетворять требованиям:
1) большая поверхность на единицу объема (м2/м3);
2) стойкость к химическому воздействию жидкости и газа, находящимся в
колоне;
3) невысокое гидравлическое сопротивление;
4) большой свободный объем, где осуществляется контакт между жидкостью
и газом;
5) малый удельный вес;
6) высокая механическая прочность;
7) невысокая стоимость.
1.5 Цель работы
В качестве насадочных тел для АПН наиболее предпочтительным является
использование кольцевой насадки ввиду ее простоты использования и доступности
для широкого применения. Определяющими размерами кольцевой насадки служат
22
ее диаметр d и высота h. В настоящей работе принята кольцевая насадка из полиэтилена с отношением h/d равным 0,5.
Следует отметить, что в настоящее время литература не изобилует информацией о работе с АПН с применением кольцевых насадок [10, 11]. В этой связи в
дипломном проекте предпринято экспериментальное изучение некоторых гидродинамических характеристик АПН с кольцевой насадкой применительно к процессу
моноэтаноловой очистки жирного газа от сероводорода.
2 Экспериментальная часть
2.1Исследование некоторых гидродинамических характеристик аппарата с
подвижной кольцевой насадкой
2.1.1 Описание экспериментальной установки
В установку для исследования гидродинамики аппарата с подвижной кольцевой насадкой входят следующие аппараты и приборы (рисунок 11).
1. Колонна из оргстекла с насадкой: диаметр колонны D = 200 мм; высота колонны Н = 1270 мм; свободное сечение опорной решетки f = 0,4 м 2 /м 3 ; коэффициент сопротивления опорной решетки 1,8 .
2. Прибор для измерения расхода воздуха – коллектор в комплекте с микроманометром ММН-7.
3. Прибор для измерения расхода воды – ротаметр РС – 5.
Характеристики насадки: полиэтиленовые кольца 40х20х2,5; свободный
объем насадки 0,77 м 3 /м 3 ; плотность насадки н 900 кг/м 3 .
Воздух просасывается через колонну вакуум-насосом, расход его регулируется вентилем 6 на вакуум-линии и определяется по показаниям микроманометра 2,
который замеряет разрежение в коллекторе 1. Расход воды из водопровода измеряется ротаметром РС – 5 и регулируется вентилем 4. Высота слоя фиксируется визуально по имеющейся на колонне миллиметровой шкале 8. Замеры гидравлического
сопротивления аппарата производятся по дифференциальному манометру 7.
23
Рисунок 11. Схема лабораторной установки:
1 – колонна с насадкой из полиэтиленовых колец; 2 – микроманометр;
3 – ротаметр РС-5; 4 – вентиль; 5 – газораспределительная решетка;
6 – миллиметровая шкала; 7 – U-образный дифманометр;
2.1.2 Результаты эксперимента
Было выполнено несколько серий опытов по изучению зависимости гидравлического сопротивления слоя Р и степени расширения слоя R от скорости газа W при
различных плотностях орошения U. Результаты опытов представлены в таблице 1 и
на рисунках 12, 13.
24
Таблица 1 – Опытные результаты
1 серия опытов, плотность орошения U=20 м/ч
№ п/п
f, %
Нст, мм
Wг, м/с
Р, мм
Ндин, мм
1
40
100
1
25
100
2
40
100
1.3
30
100
3
40
100
1.6
34
100
4
40
100
1.8
45
100
5
40
100
2
49
100
6
40
100
2.3
51
100
Примечание
Развитое псевдоожижение
7
40
100
2.6
53
150
8
40
100
2.9
55
170
9
40
100
3.2
57
200
10
40
100
3.4
61
260
11
40
100
3.8
63
280
12
40
100
4
67
360
2 серия опытов, плотность орошения U=25 м/ч
№ п/п
f, %
Нст, мм
Wг, м/с
Р, мм
Ндин, мм
1
40
100
1
28
100
2
40
100
1.3
31
100
3
40
100
1.6
35
100
4
40
100
1.8
46
100
5
40
100
2
53
150
6
40
100
2.3
54
200
Примечание
Развитое псевдоожижение
25
7
40
100
2.6
57
230
8
40
100
2.9
59
250
9
40
100
3.2
61
270
10
40
100
3.4
63
290
11
40
100
3.8
66
320
12
40
100
4
69
380
3 серия опытов, плотность орошения U=30 м/ч
№ п/п
f, %
Нст, мм
Wг, м/с
Р, мм
Ндин, мм
1
40
100
1
30
100
2
40
100
1.3
32
100
3
40
100
1.6
35
100
4
40
100
1.8
47
100
5
40
100
2
57
180
6
40
100
2.3
59
200
Примечание
Развитое псевдоожижение
7
40
100
2.6
60
220
8
40
100
2.9
62
250
9
40
100
3.2
64
270
10
40
100
3.4
66
300
11
40
100
3.8
69
370
12
40
100
4
72
400
Графическая интерпретация результатов опытов представлена на рисунке 12.
26
Рисунок 12. Зависимость гидравлического сопротивления слоя от скорости газа при
различных плотностях орошения: ♦ – L = 20 м/ч; ○ – L = 25 м/ч;
– L = 30 м/ч.
Рисунок 13. Зависимость степени расширения слоя от скорости газа при различных
плотностях орошения: 1 – U = 30 м/ч; 2 – U =20-25 м/ч.
Анализ зависимости гидравлического сопротивления АПН от скорости газа в
полном сечении аппарата и визуальные наблюдения указывают на существование
нескольких гидродинамических режимов работы аппарата.
Так, в аппаратах малого диаметра возникает начальное, промежуточное и
развитое (полное) псевдоожижение.
27
В режиме начального псевдоожижения наблюдается “фонтанирование”: в
псевдоожиженное состояние переходят насадочные тела только в центральной части
аппарата, а у стенок они остаются неподвижными. Жидкость стекает по поверхности в виде пленки. Сопротивление слоя с увеличением скорости газа в этом режиме
примерно постоянное.
В режиме промежуточного псевдоожижения пристеночные слои насадки приходят в движение и начинают перемещаться в ядро газового потока, но их движение
у стенок заторможено. С увеличением концентрации насадки в псевдоожиженом ядре возрастает количество удержанной в слое жидкости и его сопротивление.
В режиме развитого псевдоожижения, поступающем при определенной для
каждой плотности орошения скорости газа, пристеночный слой насадки разрушается, она полностью переходит в псевдоожиженное состояние, а газовый поток
практически равномерно распределяется по всему сечению аппарата. При этом
наблюдается хорошее перемешивание жидкости и пузырьков газа в объеме подвижного слоя. Некоторое увеличение сопротивление слоя в этом режиме обусловлено
ростом количества удерживаемой им жидкости со скоростью газового потока.
Жидкость в аппарате присутствует в основном в виде капель или газожидкостной
структуры, близкой к пенной.
Из рисунка 12 следует, что скорость развитого взвешивания составляет 2,3 м/с
в изученном интервале плотностей орошения (U = 20 – 30 м/ч).
Рисунок 13 иллюстрирует линейную зависимость степени расширения слоя от
скорости газа. Так, при скорости газа W газа = 3 м/с и плотности орошения U = 30
м/ч степень расширения слоя R = 2,6, а при W газа = 4 м/с и той же плотности орошения R = 3,5.
28
2.1.3 Обработка экспериментальных данных (гидравлическое
сопротивление, скорость развитого псевдоожижения)
29
В результате обработки экспериментальных данных предложено уравнение для
определения скорости развитого псевдоожижения орошаемой кольцевой насадки:
Re гр.п
0 ,17
0 , 01
0 , 91 Н ст
,
0,237 10 ln 33,4 Re ж f
d э
4
где Re гр.п - критерий Рейнольдса для орошаемой насадки в точке перехода к
режиму развитого псевдоожижения;
Re гр.п
W р .п d а
г
,
W р.п - скорость развитого псевдоожижения, м/с;
d а - cтандартный диаметр аппарата, равный 0,2 м;
Н ст - статическая высота слоя, м;
г - кинематическая вязкость газа, м 2 /с;
f - свободное сечение опорно-распределительной решетки, м 2 / м 2 ;
Re ж - критерий Рейнольдса для жидкости
Re ж
L dэ
ж
,
где L – плотность орошения, м 3 / (м 2 с);
г - кинематическая вязкость жидкости, м 2 /с;
31
Таблица 2. Сравнение расчетных и экспериментальных данных
2.1.4
Математическое
планирование
эксперимента
(коэффициент
расширения псевдоожиженного слоя)
Определение коэффициента расширения трехфазного псевдоожиженного слоя
осуществлялось
с
использованием
метода
математического
планирования
экспериментов [13-15].
Коэффициент расширения определялся с использованием критериального
уравнения:
R A exp(m Re г ) Re ж ,
где А, m, n – постоянные коэффициенты.
33
Статистическая обработка результатов эксперимента позволила получить
следующее критериальное уравнение для расчета коэффициента расширения:
0, 3
R 0,139 exp 1,2 104 Re г Re ж ,
где Re г - критерий Рейнольдса для газа,
Re г
Wг d э
г
,
W – скорость газа в полом сечении аппарата, м/с.
39
3. Технологический расчет колоны
40
Технологические расчеты АПН применительно к процессу хемосорбции сероводорода раствором МЭА, выполненные с применением результатов эксперимента,
показали возможность замены двух существующих в производстве абсорберов диаметром 2 м одним АПН диаметром 0,9-1,0 м (Рисунок 14 а,б)
Рисунок 14а. Схема очистки жирного газа от Н2S установок КК-1 и АВТ
с применением АПН
Г-1 – выносной центробежный каплеуловитель (замена отбойной тарелки абсорбера К-1 в предлагаемом аппаратурном оформлении).
Рисунок 14б. Существующая технологическая схема очистки жирного газа от Н2S
установок КК-1 и АВТ с раствором МЭА
44
4. Прочностной расчет колонны
47
Рисунок 16. Эскиз днища
49
Заключение
В выпускной квалификационной работе выполнен анализ аппаратурного
оформления проекта моноэтаноламиновой очистки от сероводорода жирного газа
КК-1 и АВТ. Отмечены следующие недостатки существующего оборудования:
- сложность
- низкая интенсивность, громоздкость
- высокая чувствительность к колебаниям нагрузок по газу и жидкости.
С целью устранения выявленных недостатков предложен компактный и высокоэффективный аппарат с подвижной кольцевой насадкой (АПКН).
Выполнено экспериментальное исследование гидродинамических характеристик АПКН при различных плотностях орошения в широком диапазоне нагрузок по
газу с кольцевой насадкой 40х20х2,5 мм.
Результаты исследований использованы при проектировании абсорбера для
очистки газов от сероводорода раствором моноэтаноламина.
73
Список использованных источников
1. Заминян А.А., Рамм В.М. Абсорберы с псевдоожиженной насадкой. М.:
Химия, 1976 – 187 с.
2. Интенсивные колонные аппараты для обработки газов жидкостями / под
ред. Э.Я. Тарата. – Л.:Изд-во ЛГУ, 1976. – 240 с.
3. Гельперин Н.И. Исследование работы абсорбционного аппарата с псевдоожиженным слоем орошаемой шаровой насадки // Химическое и нефтное
машиностроение. -1996. - №1. – С. 22 – 26.
4. Аппарат с «зажатыми» кипящими слоями: а.с. 144830 СССР / Живайкин
Л.Я., Бляхер И.Г. – 730101/23; заявл. 11.05.1961; опубл. 01.01.1962, Бюл.
№4. – 2 с.
5. Полая шаровая насадка: а.с. 264343 СССР / Гельперин Н.И., Аэров М.Э.,
Аксельрод Л.С., Быстрова Т.А., Саевский В.В. – 1088904/23-26; заявл.
02.07.1966; опубл. 03.03.1970, Бюл. №9. – 2 с.
6. Бляхер И.Г., Живайкин Л.Я, Юровская Н.А. Исследование гидродинамики
и массообмена в аппаратах с подвижной насадкой // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 1967. – №2. – С. 18-22.
7. Гельперин Н.И., Кругляков Б.С. Гидравлические характеристики колоны с
псевдоожиженной орошаемой шаровой насадкой // Химическая промышленность. – 1977. – №11. – С. 66-68.
8. Балабеков О.С., Тарат Э.Я., Романков П.Г. Гидравлический расчет аппаратов с орошаемой взвешенной шаровой насадкой // Журнал прикладной химии. – 1971. – Т. 44, №5. – С. 1061-1068.
9. Подвижная насадка абсорбера: а.с. 212988 СССР / Левш И.П., Крайнев Н.И.
- № 1092737/23-26; заявл. 20.01.1966, опубл 12.03.1968, Бюл. №10. -2 с.
10. Левш И.П., Ниязов М.И., Хаитмухамедов К.И. Исследование гидродинамики псевдоожиженного слоя орошаемой насадки из полимерных колец //
Сб. науч. Тр. Ташкент. Политехн. Ин-т. – 1972. – Вып. 90. – С. 183-186.
74
11. Крайнев Н.И. Исследование гидродинамики и массообмена в аппаратах с
псевдоожиженным слоем кольцевой насадки: дис. канд. техн. наук / Ташкент. политехн. ин-та. – Ташкент, 1968. – 130 с.
12. Козак Ф.В. Исследование гидродинамики и массообмена в аппарате с
псевдоожиженным слоем насадки: автореф. дис. канд. тенх. наук / Одес.
политехн. ин-т. – Одесса, 1972. – 24 с.
13. Адлер Ю.П., Макарова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. – М.: Наука, 1976. – 280 с.
14. Мошев Е.Р. Моделирование химико-технологических процессов: учеб. пособие / перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2006. – 98 с.
15. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. – М.: Металлургия,
1968. – 155 с.
16. Технологический регламент ГФУ, ТР 21-056-2016. 169 с.
17. Рамм В.М. Абсорбция газов. Издательство М.: Химия, 1976 – 656 с.
18. Тимонин
А.С.
Основы
конструирования
и
расчета
химико-
технологического оборудования. Справочник 2-е изд. перераб. и доп. – Калуга: Издательство Н. Бочкаревой 2002 – 1030 с.
19. Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. – М.-Л.: Машиностроение, 1981.
20. ГОСТ 14289-89 Сосуды и аппараты. Нормы и метода расчета на прочность.- М.: Изд-во стандартов, 1989.
21. Балабеков О.С. Очистка газов в химической промышленности. Москва:
Химия, 1991 – 256 с.
22. Головачевский Ю.А. Оросители и форсунки скрубберов химической промышленности. М., «Машиностроение», 1974 – 271 с.
75
Приложение А (Обязательное) Графическая часть проекта
76
Отзывы:
Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв