CC BY
126
94
Ключевые слова:
ректификация,
абсорбция,
экстракция,
частота колебаний,
ультразвуковые
колебания,
пульсация,
тарелка,
насадка,
гидравлическое
сопротивление,
эффективность
извлечения.
Keywords:
rectification,
absorption,
extraction,
frequency
of oscillations,
ultrasonic
oscillations,
pulsation,
disc,
nozzle,
hydraulic resistance, efficacy of extraction.
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
УДК 622.276(075.8)
Д.Ц. Бахшиян, А.В. Елистратов, Е.П. Ильина, С.В. Списов
Исследование абсорбции природного газа в аппарате с пульсацией газового потока
Современные объемы добычи и переработки природного газа требуют максимально эффективной работы технологического оборудования, в первую очередь колонных массообменных аппаратов. В отечественной и зарубежной практике ведутся усиленные поиски путей и методов интенсификации массообменных процессов газовой и нефтехимической промышленности. Интенсификация таких массообменных процессов, как ректификация и абсорбция, может осуществляться за счет применения новых технологий, новых конструкций контактных устройств или за счет непосредственного воздействия на сам процесс массопередачи. Разработка и внедрение в промышленность новых технологий в настоящее время сопряжены с чрезвычайно большими трудностями: высокими затратами на проведение лабораторных, промышленных испытаний и изготовление аппаратуры, а также длительными сроками внедрения предложенных технологий.
Применение новых конструкций тарельчатых и насадочных устройств в настоящее время не дает значительного эффекта улучшения работы колонных массообменных аппаратов. Это связано с тем, что раньше эффект от внедрения новых конструкций подобного типа рассчитывался как относительный в сравнении с морально устаревшими колпачковыми или желобчатыми тарелками, насадками из толстостенных керамических колец Рашига и т.п. К настоящему времени большая часть отечественных предприятий газовой и нефтяной промышленности уже прошла стадии обновления и реконструкции массообменной аппаратуры с использованием современных (или модернизированных) конструкций тарелок или насадок, выполненных на новом иерархическом уровне и характеризующихся высокой производительностью и эффективностью разделения. Экономические показатели новых внедряемых конструкций незначительно выше показателей указанных контактных устройств.
В этой связи целесообразно рассмотреть альтернативные пути повышения эффективности работы колонных массообменных аппаратов. Одним из действенных путей интенсификации кинетики массопередачи и увеличения поверхности контакта фаз является генерация пульсаций в газовой или жидкой фазах. Наметилось несколько основных направлений разработки «пульсирующих» колонн: аппараты с генерацией колебаний или циклической подачей одной или обеих взаимодействующих фаз [1], с вибрирующими контактными устройствами [2] и роторные аппараты с перемешивающими устройствами [3].
Аппараты с вибрирующими контактными устройствами не получили широкого применения в промышленности в связи с техническими трудностями реализации процесса - большие затраты на создание возвратно-поступательного движения контактных устройств, уплотнение конструкции для предотвращения потерь жидкости и т.п. Область применения роторных аппаратов достаточно мала: это процессы с ограниченными нагрузками по газовой и жидкой фазам, где требуется высокая степень разделения компонентов (КПД ступени контакта 0,9 и более). Кроме того, высокая эффективность процессов в данном случае достигается путем создания в конструкции условий для диссипации больших величин энергии (удельная вводимая мощность 400 кВт/м3 и более).
Отдельную нишу занимают аппараты, в которых используется воздействие колебаний звуковой частоты на взаимодействующие фазы. Имеется положительный опыт использования ультразвуковых [4] и низкочастотных [5] колебаний на про-
№ 3 (23) / 2015
VGN-3-23-2015-v24.indd 94
21.08.2015 9:59:38
Проблемы разработки и эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений
95
цесс разгазирования жидкости. Более того, действие, например, ультразвуковых колебаний нельзя сводить только к тривиальному диспергированию - в работе [6] показано, что при обработке углеводородной жидкости звуковыми колебаниями с частотой 20 кГц при интенсивности 1,5 Вт/см2 сдвигается даже равновесие гептан-пропановой смеси в сторону уменьшения растворимости пропана в гептане. Недостатком способов дегазации с помощью ультразвука являются большие энергетические затраты на создание ультразвукового поля (при удалении газа из насыщенной воздухом воды требуется мощность 51,2 кВт при частоте 194 кГц), использование для указанных целей низкочастотных колебаний значительно менее энергоемко, но требует в промышленных масштабах достаточно сложного аппаратурного оформления.
Повышение эффективности работы колонных массообменных аппаратов может быть достигнуто за счет использования циклического режима подачи взаимодействующих фаз [1]. Достоинством указанных аппаратов является исключение смешения жидкости, стекающей с вышележащей контактной ступени на нижележащую, а также более равномерное распределение газа по сечению колонны благодаря уменьшению градиента уровня жидкости на контактной ступени. В связи с тем что генерация пульсаций взаимодействующих фаз при соблюдении цикличности их подачи в промышленных условиях затруднительна, большинство исследователей изучало эффективность процесса при создании пульсаций только в газовой или жидкой фазах.
Наиболее широко изучено влияние пульсаций на процессы жидкостной экстракции, результатом чего явилось внедрение в промышленность высокоэффективных пульсационных экстракторов [6]. Исследования показали, что в процессах жидкостной экстракции с увеличением частоты и амплитуды колебаний эффективность массообмена возрастает, как правило, монотонно вплоть до момента «захлебывания», а предельная нагрузка незначительно уменьшается.
Ряд работ посвящен изучению влияния пульсаций в газожидкостных системах применительно к условиям абсорбции и хемосорбции, однако данные авторов весьма разноречивы. Кроме того, все экспериментальные результаты получены в лабораторных усло-
№ 3 (23) / 2015
виях при давлении, не превышающем атмосферное, что в значительной степени затрудняет моделирование таких процессов и внедрение их в промышленность. Большинство исследований проводилось в аппаратах с контактными устройствами в виде переливных тарелок или насадок, которые в силу своих конструктивных особенностей гасят пульсации, либо вообще без контактных устройств.
М.Х.Дж. Байрд, Дж.Х. Бретшрайдер и др. [7] указали на высокую эффективность массообмена на свободной поверхности вибрирующего столба жидкости, что легко может быть достигнуто на тарелках провального типа. В связи с этим выполнена работа по изучению влияния пульсаций газового потока на гидродинамику и эффективность массообмена в условиях абсорбции углеводородного газа керосином при повышенном давлении. Эксперименты проводились на опытно-промышленном аппарате диаметром 205 мм при абсолютном рабочем давлении 0,5 МПа в реальных условиях абсорбции углеводородного газа. В аппарате на расстоянии 400 мм друг от друга были установлены 3 дырчатые тарелки провального типа со свободными сечениями 7,6 и 15 %. С целью обеспечения возможности визуальных наблюдений за гидродинамикой процесса абсорбер был оборудован специальными смотровыми стеклами, позволяющими фиксировать высоту газожидкостного слоя на тарелках при различных режимах работы аппарата; гидравлическое сопротивление тарелок замерялось дифференциальными манометрами.
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Сырой углеводородный газ (метан - 98 % об.; пропан - 1,5 % об., бутан плюс высшие - 0,5 % об.) подавался под нижнюю тарелку абсорбера, проходил в верхнюю часть аппарата, контактируя с абсорбентом, и сбрасывался в атмосферу. Тощий абсорбент поступал на верхнюю тарелку аппарата, диспергировался газом и проваливался на нижележащую тарелку.
На линии, отводящей газ из абсорбера, установлен пульсатор, позволяющий регулировать частоту пульсаций газового потока. Выходной вал червячного редуктора 2 соединен с системой шкивов 1, благодаря которым можно менять частоту колебаний газового потока в пределах 60-1000 циклов в минуту. Для изменения амплитуды колебаний на штоке 3 смонтировано специальное устройство 4.
VGN-3-23-2015-v24.indd 95
21.08.2015 9:59:39
Абсорбент
96
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
Рис. 1. Принципиальная схема опытнопромышленной установки, предназначенной для изучения влияния колебаний газового потока на гидродинамику и эффективность процесса
абсорбции природного газа:
1 - система шкивов; 2 - редуктор; 3 - шток;
4 - регулятор амплитуды колебаний
Пробы газа отбирались на входе и выходе аппарата, коэффициент извлечения отдельных компонентов определялся по уравнению
Ф = У1 - У21У1,
где у1, у2 - концентрация пропана в газе соответственно до и после контактных устройств, % об.
На рис. 2 представлены зависимости гидравлического сопротивления орошаемых тарелок (ЛР) и высоты вспененного слоя жидкости на тарелке (Нп) от частоты пульсаций газового потока (n) при различных плотностях орошения.
Анализ экспериментальных данных на рис. 2а выявил, что сопротивление, как и высота газожидкостного слоя, экстремально изменяются с увеличением частоты пульсаций газового потока. Повышение сопротивления и высоты газожидкостного слоя объясняется количеством жидкости, удерживаемой на тарелке, и изменением структуры вспененного слоя. Визуальные наблюдения за процессом показали, что при небольших частотах пульсации поверхность уровня жидкости колеблется с частотой, равной частоте пульсатора. С увеличением частоты пульсаций амплитуда
колебания поверхности жидкости значительно превышает амплитуду, создаваемую пульсацией. Максимальное волнение поверхности относится к определенным частотам пульсаций, что можно объяснить резонансными явлениями. При увеличении нагрузок по газовой и жидкой фазам значительно возрастают собственные колебания газожидкостного слоя на тарелке, причем в режиме, близком к «захлебыванию» аппарата, пульсация становится заметной даже на показаниях дифманометра, который замеряет перепад давления на тарелках. Пиковые значения гидравлического сопротивления и высоты вспененного слоя жидкости на тарелке существенно зависят от соответствия амплитудно-частотных характеристик пульсатора и собственных колебаний газожидкостного слоя, которые возникают при взаимодействии контактирующих фаз.
Однако гидродинамическая обстановка на тарелке сложна, многогранна и зависит от очень многих факторов. Поэтому явления, описанные ранее, не всегда постоянны. В многотарельчатом аппарате даже при наличии пульсаций газового потока часть тарелок может работать достаточно устойчиво, т.е. гидравлическое сопротивление и высота вспененного слоя жидкости на тарелках с увеличением частоты пульсаций растут практически монотонно или имеют слабовыраженный волновой характер (рис. 2б). Сказанное хорошо согласуется с мнением авторов работы [8] о том, что состояние и развитие барботажного слоя зависят не только от вынужденных, но и от самовозбуждающихся колебаний. Приведенные ранее данные свидетельствуют о том, что на контактных устройствах с одинаковой геометрической характеристикой может возникать различная гидродинамическая обстановка вследствие взаимодействия колебаний газожидкостного слоя разных тарелок. Это явление объясняется как результат интерференции, возникающей при волновом движении барботажного слоя на тарелках, и резонанса пульсаций взаимодействующих фаз.
На рис. 3 показаны характерные зависимости извлечения пропана из газа от частоты пульсаций газового потока при различных плотностях орошения. Видно, что извлечение пропана из газа при наличии колебаний газового потока значительно выше, чем при отсутствии вынужденных колебаний. Указанные зависимости имеют монотонный или слабовыраженный волновой характер с максимальной эф-
№ 3 (23) / 2015
VGN-3-23-2015-v24.indd 96
21.08.2015 9:59:39
Проблемы разработки и эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений
97
п, кол/мин
а
S 140 S
130
120
110
100
90
80
70
60
400
500
600
700 800
б
С пульсацией: Без пульсации:
АР, Па АР, Па
Нп, ММ Нп, мм
900
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
1000
1100
n, кол/мин
Рис. 2. Зависимости гидравлического сопротивления орошаемых тарелок АР и высоты вспененного слоя жидкости на тарелке Нп от частоты пульсаций газового потока n при различных плотностях орошения L: а) L = 15,6 м3/(м2^ч) (скорость газа W, = 0,23 м/с); б) L = 24,7 м3/(м2^ч) (W, = 0,159 м/с)
фективностью процесса абсорбции при 560 и 860-900 колебаниях в минуту. Эксперименты показали, что извлечение пропана из газа в зависимости от скорости газа в свободном сечении колонны при постоянной частоте колебаний на 20-25 % выше, чем при отсутствии колебаний (рис. 4).
Результаты экспериментов показали, что при увеличении скорости газа эффект наложения пульсаций несколько ослабевает, особенно
№ 3 (23) / 2015
в режиме, близком к «захлебыванию» аппарата. Это связано с тем, что при больших скоростях газа газожидкостный слой на тарелке имеет достаточно развитую и турбулизированную поверхность. Кроме того, при больших значениях газосодержания в жидкости последняя не может рассматриваться как несжимаемая среда, и процессы пульсации в ней нарушаются.
Резюмируя вышесказанное, следует отметить, что генерация пульсаций газового по-
VGN-3-23-2015-v24.indd 97
21.08.2015 9:59:39
АР, Па АР, Па
98
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
400
500
600
700
800
900
1000
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
1100
п, кол/мин
Рис. 3. Доля извлечения пропана из газа ф в зависимости от частоты пульсаций газового потока при различных плотностях орошения (свободное сечение колонны Fce = 15 %, давление Р = 0,5 МПа, скорость газа W, = 0,18 м/с)
0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
Wг, м/с
Рис. 4. Доля извлечения пропана из газа в зависимости от W, в свободном сечении колонны при постоянной частоте колебаний (3 тарелки, Fce = 15 %, Р = 0,5 МПа, L = 24,7 м7(м2-ч), n = 860 кол./мин)
тока является эффективным способом интенсификации массообмена в процессах абсорбции природного газа и позволяет значительно увеличить извлечение целевых компонентов. Реализация указанной технологии в промыш-
ленных масштабах сдерживается отсутствием апробированных технических средств подвода и генерации пульсационной энергии в колонные массообменные аппараты.
№ 3 (23) / 2015
VGN-3-23-2015-v24.indd 98
21.08.2015 9:59:39
АР, Па
Проблемы разработки и эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений
99
Список литературы
1. Азизов С.Б. Гидродинамика и массообмен
в аппаратах с циклическим режимом работы: автор. дис. / С.Б. Азизов. - Казань, 2007. - 120 с.
2. Круглик З.Е. Колонный реактор
с вибрирующими перемешивающими устройствами для интенсификации процессов фосгенирования / З.Е. Круглик,
Б.М. Фельдман // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1996. - № 3. - С. 37-38.
3. Гнилуша И.И. Взаимодействие газа и жидкости в аппарате с дисковыми перемешивающими устройствами / И.И. Гнилуша, И. А. Щупляк // Химическое и нефтяное машиностроение. -1996. - № 3. - С. 6-8.
4. Семин В.И. Установление фазового равновесия в бинарной гептан-пропановой смеси в ультразвуковом поле / В. И. Семин, Ю.В. Сурков // Газовое дело. - 1971. - № 10. -С. 24-27.
5. Бахшиян Д.Ц. Влияние низкочастотных колебаний на эффективность дегазации жидкости / Д.Ц. Бахшиян, Т.С. Цацулина, М.А. Маргулис // Разработка месторождений углеводородов: сб. научн. тр. - М., 2008. -
С. 314-321.
6. Карпачева С.М. Пульсационная аппаратура в химической технологии / С.М. Карпачева, Б.Е. Рябчиков. - 2003. - С. 224.
7. Baird M.H.J. Gas absorption a pulsed bubble column / M.H.J. Baird, J.H. Carstang // Chem. Eng. Science. - 1972. - V 27. - № 4. -
P. 823-833.
8. Гореченков В.Г. Влияние волновых процессов на гидродинамику потоков в адсорбционных и ректификационных аппаратах / В.Г. Гореченков, Ю.А. Харченко, А.С. Антипов // Химия и технология топлив и масел. - 1985. - № 7. - С. 19-23.
№ 3 (23) / 2015
VGN-3-23-2015-v24.indd 99
21.08.2015 9:59:39
