CC BY
304
УДК 665.622.43.0666
А. Р. Музафарова, Е. А. Емельянычева
КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ И КОНСТРУКТИВНЫЕ
ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ НАСАДОЧНЫХ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ
Ключевые слова: регулярная насадка, нерегулярная насадка, контактные устройства, виды насадки, подготовка газа,
переработка газа.
В статье представлен обзор современных насадочных контактных устройств, рассматриваются основные требования и конструктивные особенности предъявляемые к ним.
Keywords: regular packing, irregular packing, contact devices, types ofpacking, preparation of gas, gas processing.
The article considers the basic requirementfor modern packing contact devices and their constructive features.
В газовой и нефтехимической промышленности наибольшее применение нашли тарельчатые аппараты, однако в последнее время растет интерес к насадочным аппаратам, увеличивается количество внедрений колонн с насадками.
Анализ мирового опыта показывает, что насадки являются перспективными контактными
устройствами, так как во многих случаях технико-экономические показатели для насадочных контактных устройств выше, чем для тарелок [1, 2].
Основной областью применения насадок являются колонны малого диаметра, аппараты, требующие больших нагрузок по газу и малых нагрузок по жидкости, и аппараты, для которых уменьшение гидравлического сопротивления имеет особое значение или позволяет существенно снизить энергозатраты на эксплуатацию, например, вакуумные колонны [1].
Чаще насадочные контактные устройства используются в абсорберах осушки и очистки природного газа; в колоннах разделения фракций С3 и С4, воздуха, близкокипящих, высокоагрессивных, вязких и сильно пенящихся продуктов; в скрубберах дымовых газов.
Кроме тепломассообменных устройств, многие насадки являются хорошими распределителями газа и жидкости, используются в качестве статических смесителей, а некоторые конструкции являются и хорошим и сепараторами.
К каждому набору технологических и эксплуатационных условий подбирается
конструкция, типоразмер и вариант исполнения насадки.
Насадка - это элементы различной формы и размеров с развитой поверхностью. Насадки делятся на регулярные и нерегулярные. Это связано с двумя основными способами укладки насадки внутри аппарата: нерегулярные, или беспорядочно уложенные насадки, засыпаются в навал, без укладки, а регулярные, или структурированные насадки, уложены и ориентированы в пространстве и друг к другу таким образом, что создается система извилистых каналов, по которым движутся взаимодействующие фазы.
Нерегулярные насадки делят на стационарные и подвижные, а регулярные - на блочные насадки и насадки с индивидуальной укладкой [3-5].
Стационарные насыпные насадки бывают кольцевыми, цилиндрическими, седлообразными, сферическими и другой конструкции. Усовершенствование стационарных насыпных насадок достигается в основном путем модификации известных конструкций, например, путем увеличения количества отогнутых элементов или путем изменения соотношения высоты и ширины насадочного тела.
Насадочные тела подвижных насадок бывают сферическими, цилиндрическими, спиральными, кольцевидными, призматическими, кубическими, могут выполняться полыми, сплошными или перфорированными.
В газовой и нефтехимической промышленности внедрение подвижных насадок затруднено из-за сложности их изготовления, истирания корпуса аппарата насадочными телами, относительно высокого гидравлического сопротивления, хотя данный вид насадок заслуживает внимания, ведутся работы по их совершенствованию [6, 7].
Регулярные насадки с индивидуальной укладкой состоят из отдельных элементов (колец, призм, уголков, двутавровых балок, шаров), которые располагают в корпусе колонны определенным образом относительно друг друга. Элементы насадки в смежных по высоте слоях укладывают так, чтобы не было сквозных каналов. Для упрощения монтажа этой насадки отдельные элементы могут быть предварительно собраны в контейнеры, которые затем устанавливают в корпусе колонны.
Широкого применения в промышленности насадки с индивидуальной укладкой не получили, так как это резко увеличивает трудоемкость и стоимость монтажа. В связи с этим под термином «регулярные насадки» почти всегда подразумевают именно регулярные блочные насадки.
Регулярные блочные насадки устанавливаются в колонну блоками (пакетами), из-за чего они и получили свое название. Блок обычно образован набором перфорированных, гофрированных, рифленых, перфорировано-рифленых или сетчатых листов, имеющих разнообразные конструктивные особенности и определенную пространственную ориентацию по отношению друг к другу [8, 9].
Регулярные блочные насадки (далее -регулярные насадки) в последнее время получили
наибольшее применение, так как обладают лучшими технико-экономическими показателями по сравнению с другими видами насадок.
Регулярные насадки изготавливают из металла, пластмассы, керамики, фарфора, стекла, графитового и асбестового волокна.
Основными геометрическими характеристикам насадок являются удельная поверхность, свободный объем и объемная плотность.
Для эффективной работоспособности к насадке предъявляются следующие требования
[1, 2]:
- низкое гидравлическое сопротивление газовому потоку;
- хорошая смачиваемость (отношение смоченной поверхности насадки к ее полной поверхности);
- равномерное распределение потоков газа и жидкости по поперечному сечению колонны;
- высокая кратность обновления поверхности контакта фаз;
- минимальный унос жидкости с газом;
- сохранение эффективности при широком изменении расходов газа и жидкости;
- механическая прочность и др.
Насадку укладывают на опорно-распределительные плиты, свободное сечение которых должно по возможности приближаться к величине свободного объема насадки, а размеры отверстий исключать провал насадочных тел.
В качестве опорно-распределительных плит используют решетки из стальных полос, поставленных на ребро. Использование в качестве опорной конструкции для насадки сеток и перфорированных мелкими отверстиями листов нежелательно.
Большинство насадок для достижения их высокой эффективности требует установки специальных распределительных устройств, для подаваемых на насадку жидкостных потоков. В противном случае смоченная и рабочая площадь насадки снижается, эффективность массообмена также снижается, так как стекающая жидкость выбирает путь наименьшего гидравлического сопротивления и имеет тенденцию двигаться преимущественно в пристеночных зонах, оставляя газовому потоку - приосевые [8, 10].
Среди современных образцов нерегулярных насадочных элементов, получивших промышленное применение, следует выделить кольца Ну-РакТМ -кольца с двумя рядами прямоугольных отверстий с разрезанными пополам и отогнутыми внутрь лепестками; кольца МшШ^б™ - кольца с одним рядом прямоугольных отверстий с отогнутыми внутрь лепестками; седла 1Ша1охТМ - дугообразные отбортованные полоски металла с выштампованной перегородкой и отогнутыми внутрь лепестками; и насадку Теллера — замкнутую прямоугольную полосу, имеющую форму объемной розетки.
Эффективность массопередачи насыпных стационарных насадок зависит не только от конструкции элементов насадки, но и от способа их укладки в колонне. Для предотвращения растекания жидкости от центра к периферии предлагается
среднюю часть колонны заполнять более мелкой насадкой или использовать особые способы засыпки насадочных элементов, показанные на рисунке 1.
Более равномерное распределение жидкости по сечению колонны обеспечивает третий из указанных способов загрузки. Кроме того, для уменьшения вероятности захлебывания колонны в зоне опорных решеток нижний слой насадки засыпают телами, имеющими больший геометрический размер [9].
Подвижные насыпные насадки позволяют существенно снизить поперечную неравномерность потоков, повысить производительность и эффективность. Насадка перемещается в газожидкостной смеси, перемешивая потоки и увеличивая тем самым площадь контакта газа и жидкости. Рекомендуемая высота слоя насадки в статическом состоянии не должна превышать диаметра аппарата и быть выше определенной минимальной величины, ниже которой насадка теряет гомогенность [2].
1 — слой, засыпанный по центру;
2 — дополнительная засыпка до горизонтального уровня;
3 — слой, засыпанный от стенок
Рис. 1 - Схемы засыпки насадки в колонну
Хорошо известна регулярная насадка Mellapac™, состоящая из вертикально установленных гофрированных листов с наклонными гофрами на каждом листе по отношению к направлению потока газа и противоположным направлением гофр в смежных листах пакета. Пакеты насадки по высоте колонны повернуты относительно друг друга на 90°. Листовой материал обычно перфорирован мелкими отверстиями и имеет рифление. Эта насадка, созданная фирмой Sulzer Chemtech более 40 лет назад для решения проблемы вакуумной ректификации при большом числе ступеней разделения, положила начало новому направлению в конструировании регулярных насадок. Наиболее широко используется насадка типа «Y», у которой угол наклона гофров относительно горизонтали составляет 45°, насадка типа «X» характеризуется углом наклона гофров 60° и применяется в тех случаях, когда требуется высокая
производительность и низкий перепад давления. Эффективность насадки типа «Y» выше по сравнению с насадкой типа «X». Компанией Kochglitsch данная насадка выпускается под торговой маркой Flexipac™ [8, 11, 12].
Работы фирм Norton и Koch-glitsch по улучшению характеристик структурированных насадок привели к появлению насадки Intalox™, обладающей более высокой производительностью по сравнению с насадками Mellapac™ и Flexipac™ за счет особого изменения ориентации рифления и его геометрической формы и развитой поверхностной структуры. Каждый стальной лист при гофрировании делится на несколько участков с отгибкой металла в противоположные стороны, в местах перехода выполняются просечки, что способствует обновлению поверхности массообмена [12].
Для применения в ректификационных колоннах, работающих в условиях глубокого вакуума и низких расходов жидкости, оптимальным решением оказалось выполнение регулярных насадок Mellapac™ и Flexipac™ из сетки. Сетка обладает хорошей смачиваемостью даже при низких расходах жидкости и обеспечивает малый перепад давления.
Поискам путей увеличения эффективности за счет создания на поверхности элементов регулярной насадки искусственной шероховатости, просечек или выступов посвящено множество научных работ [13, 14]. Установлено, что набегание потока жидкости на твердое препятствие приводит к волнообразованию, которое существенно влияет на процесс межфазного переноса между жидкостью и газом. Интенсификация массообмена в волновых пленках жидкости осуществляется из-за разрушения инертных пограничных пленок поперечными компонентами скорости гребней волны, при этом коэффициент массоотдачи за счет наличия на поверхности пленок регулярных двухмерных волн может увеличиваться более чем на 100 % .
Применение насадок Mellapac™, Flexipac™, Intalox™ в промышленности, в том числе в абсорберах гликолевой осушки газа, показало, что они обладают высокой производительностью, низким гидравлическим сопротивлением, широким диапазоном рабочих нагрузок по газу и низкой чувствительностью к вязкости и к склонности жидкостей к вспениванию. Однако для дальнейшего увеличения производительности данных насадок требовалось применять сложные сепарационные устройства из-за заметного уноса жидкости. На стыках соседних пакетов насадки Mellapac™ и Flexipac™ из-за резкого поворота в направлении движения жидкости происходит ее накопление и соответственное сужение каналов для прохода газа. Таким образом, зона горизонтального стыка слоев насадки MellapacТМ являлась зоной генерации уноса жидкости при увеличении нагрузок на аппарат. Проблему решили путем организации плавного сопряжения слоев насадки на горизонтальных стыках и разработки новых конструкций: Mellapac Plus™ фирмы Sulzer Chemtech и Flexipac HC™ фирмы Koch-glitsch [2, 15].
Позднее компанией Jaeger environmental была разработана модификация насадки Mellapac™ под названием Raschig Super-Pak™, обладающая большей эффективностью и меньшим сопротивлением по сравнению как с насадкой
Mellapac™, так и с насадкой Mellapac Plus™. Улучшение характеристик удалось достичь с помощью прямоугольной перфорации листов и особого изменения ее площади по высоте насадки.
Среди других регулярных насадок из просечно-вытяжного листа и сетки широкое промышленное применение нашла насадка Ваку-пак™, рулонные насадки Goodloe™ и насадка Панченкова, а также перекрестно-поточная насадка Петон™ и контактное устройство ИМПА Инжиниринг.
Насадка Ваку-пак™ разработана
«ВНИИнефтемашем» совместно с фирмой Apparate and Anlagenbau Germania. Она образована из вертикальных гофрированных пластин,
изготовленных просечно-вытяжного листа и имеющих арочные просечки, направленные вниз и ориентированные в противоположные стороны с обеих сторон пластин. За счет этих просечек обеспечивается зазор между соседними гофрированными пластинами. Сопротивление данной насадки несколько выше, чем у насадок типа Mellapac™ «Y». Основной областью применения насадки Ваку-пак™ являются вакуумные колонны для разделения тяжелых нефтяных дистиллятов.
Насадка Goodloe™ представляет собой гофрированную под определенным углом (обычно 45°) сетку, свернутую в рулон. Плотно прилегающие к стенке колонны рулоны располагают друг над другом, их высота составляет от 100 до 200мм. Насадка Панченкова от насадки Goodloe™ отличается тем, что поверхность сетки гофрирована в форме шеврона с углом при вершине 120°. Главным достоинством этих конструкций является высокая эффективность и малое гидравлическое сопротивление при сравнительно низкой стоимости изготовления и монтажа [16, 17].
В контактном устройстве ИМПА Инжиниринг реализован перекрестно-точный режим движения фаз, но не по высоте колонны, а локально в пределах каждого блока (секции) насадки, при этом блоки занимают все поперечное сечение колонны и имеют глухие перегородки в продольном или поперечном направлении. Регулярная насадка состоит из вертикально расположенных пленконесущих элементов и расположенных между ними горизонтально турбулизующих элементов. Пленконесущие элементы выполнены из плетенных сеток, просечно-вытяжных или перфорировано-гофрированных листов. Такое решение позволяет организовывать оптимальное распределение взаимодействующих потоков по сечению аппарата.
Инженерно-внедренческим центром Инжехим разработана рулонная сегментная насадка из гофрированного листового материала, поверхность которого имеет специальную обработку в виде пуклевки или просечки. Изготавливается насадка в виде набора кольцевых сегментных блоков, которые при сборке заполняют весь рабочий объем аппарата. Преимуществом такой конструкции являются сохранение исходного равномерного распределения жидкости по сечению колонны при большой высоте слоя насадки и исключение зазоров между насадкой и стенкой колонны [18, 19].
Не менее удачное решение по интенсификации массообмена реализовано в конструкции насадки, разработанной АО ЦКБН, которая состоит из пластинчатых или рифленых листов с расположенными между ними навивками из объемных жгутов для направления потоков газа и жидкости [2,17]. Возможно выполнение данной насадки в виде собранных в рулон по диаметру колонны пластин, что упрощает монтаж насадки. В настоящее время пластинчатая насадка, разработанная ЦКБН успешно эксплуатируется в абсорберах осушки углеводородных газов. По техническим характеристикам пластинчатая насадка не уступает насадке Ме11арасТМ, при этом имеет меньшее гидравлическое сопротивление и не требует качественных и дорогостоящих распределителей жидкости [2].
Необходимо отметить отечественную пакетно-вихревую насадку ПВН. Она устроена по принципу улья, чьи ячейки образованы отдельными лепестками сложной формы так, что обеспечивается турбулентный газовый поток уже при минимальных потоках газа (рис. 2).
Рис. 2 - Пакетно-вихревая насадка
Создаваемый вихрь непрерывно генерирует огромное количество микрокапель жидкости и, тем самым, увеличивается площадь контакта фаз. Однако, в силу турбулентных завихрений и сложной формы ячейки, капли жидкости не покидают ячейки, а эффективно улавливаются на выходе из них. Парадоксально, но конструкция обладает как высокой диспергирующей, так и сепарирующей способностью относительно жидкой фазы.
Ячейки высотой от 55 до 120 мм объединяются в кольцевую цилиндрическую структуру. В создаваемом слое отсутствуют предопределенные каналы движения жидкости и газа, что усиливает процессы обмена. Кроме того, доля свободного сечения достигает рекордных 95-97 %, и поэтому ПВН обладает высокой пропускной способностью по жидким и газовым фазам, низким гидравлическим сопротивлением.
Конструкция ячеек также позволяет равномерно перераспределять жидкие и газообразные потоки по всему сечению аппарата, даже если потоки поступают только из единичных входов. В результате обеспечивается высокое и стабильное значение коэффициента тепло - и массо-обмена.
В отличие от всех известных насадок, увеличение потоков усиливает турбулентное
течение фаз и также интенсифицирует процессы обмена.
Все вместе, при одинаковом числе единиц переноса, приводит к меньшей требуемой высоте насадки - для ректификации высота теоретической тарелки уменьшается в 3-5 раз.
Стендовыми испытаниями колонны с ПВН показана, что они могут эффективно работать при скоростях газовой фазы от 1 до 6м/сек, при рабочих плотностях орошения от 20 до 100 м3/м2час. Гидравлическое сопротивление единичного слоя ПВН насадки менее 100 Па, а доля свободного сечения в зависимости от материала насадки -0.7-0.99.
К преимуществам вихревой насадки можно отнести:
- высокие оптимальные скорости газовой или паровой фазы (3-5.5 м/с),
- низкое гидравлическое сопротивление аппарата (в 2-3 раза меньшее, чем современные аппараты) при больших расходах газа и жидкости,
- малая высота единицы переноса, приводящая к небольшим габаритам колонных аппаратов,
- высокий средний объёмный коэффициент массоотдачи 12000-13000кг/м3ч.
Сравнение применяемых контактных устройств, представлено в таблице 1.
Таблица 1 - Сравнение контактных устройств [20]
Параметр Контактный устройства
Тарель Нерегу- Прочие Пакетно-
чатые лярные виды вихревая
насып- регуляр- насадка
ные ных
насадки *) насадок
ВЭТТ,м 0,5-2,5 0,35-0,45 0,2-0,3
Массопере- 300- 1 000- 2 000- 10 000-
кг/ч м3 1 000 4 000 7 000 13 000
Рабочая
скорость по газовой фазе, 0,5-2,5 0,4-1,2 1-2,5 2,0-6,0
м/с
Диапазон рабочих
плотностей 20-100 20-100 20-40 20-100
орошения, м3/(м2 ч)
Площадь
поверхности, м2/м3 - 60-460 60-750 -
Гидравли-
ческое сопотивле- 1,5-3,5 1,0-2,0 2,5-8,0 0,75-2,0
ние, кПа/м
Доля свободного сечения,% - 0,7-0,9 0,55-0,70 0,970,99
*) С учетом КПД разделения обычных тарелок на уровне
50-70%
Пакетная вихревая насадка обладает также легкостью масштабирования при переходе к аппаратам большего диаметра, так как при переходе от малого диаметра к большему увеличивается лишь количество вихревых ячеек,
Насадка обладает хорошей перераспределяющей способностью жидкой фазы по сечению аппарата
даже при подаче последней в одну точку. В процессе эксплуатации не возникает преимущественных каналов движения потоков, эффективность разделения со временем не уменьшается.
Эти технические характеристики позволяют создавать колонны, которые, при аналогичной эффективности, по диаметру в 2-4 раза, а по высоте - в 4-6 раз меньше самых современных аппаратов. Достигаемая экономия металла при этом составляет до 8 раз [21].
Литература
1 Леонтьев B.C., Сидоров С.И. Современные насадочных колонны: особенности конструктивного оформления // Химическая промышленность. 2005г. — № 7
2 Зиберт Г.К., Феоктистова Т.М. Объемные насадки. — М.: ИРЦ «Газпром», 2002г. — С. 52.
3 Бурмистров Д.А., Фарахов М.М., Малыгин А.В., Клинов А.В. Массообменные характеристики нерегулярной насадки инжехим //Вестник КТУ, 2011г., № 11 - С. 74-76
4 Гумерова Г.Х., Макушева О.С., Дмитриев А.В. Оптимизация размеров регулярной насадки для тепломассообменных процессов // Вестник КТУ, 2011,№ 3 - С. 35-37.
5 Габбазов И.З., Рачковский С.В. Перспективы внедрения высокоэффективных регулярных насадок в процессах производства СК // Вестник КТУ, 2013, № 18 - С. 234-236.
6 Фарахов М.И., Лаптев А.Г. Энергоэффективное оборудование разделения и очистки веществ в химической технологии // Всетниик КТУ. 2011, № 9 - С. 152-158
7 Габбазов И.З., Рачковский С.В. Реконструкция насадочной части колонны для очистки воздуха от сероводорода в процессах производства СК //Вестник КТУ, 2014, № 7 - С. 219-220.
8 MellapakPlus: А new Generation of Structured Packings // Sulzer Chemtech Ltd, Wintrthur, Switzerland. — 1999.
9 Дмитриева Г.Б, Беренгартен М.Г., Пушнов А.С. и др. Новая комбинированная насадка для тепломассообменных аппаратов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2006. — № 7.
10 Бахшиян Д.Ц., Шумская Т.В., Александров И.А.
Эффективность применения насадок различных конструкций // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2000. — № 11.
11 Шендеров Л.З., Симонов Д.А. Опыт фирмы «Зульцер Хемтех» в области подготовки природного газа // Зульцер Хемтех Россия. — 2008.
12 Intalox packed tower systems — проспект фирмы «Koch-Glitsch». Регулярные насадки из металла // KochGlitsch, LP. 2003.
13 Бурмистров Д.А., Фарахов М.М., Фарахов М.И., Клинов А.В. Гидродинамические характеристики новой регулярной гофрированной насадки // Вестник КТУ, 2010, № 7 - С. 310-314.
14 Аджиев А.Ю.,Пуртов П.А. Подготовка и переработка попутного нефтяного газа в России. — Краснодар, 2014.
15 Christian W.G. Hydraulic characterization of structured packing via X-ray computed tomography // Dissertation for the Degree of Doctor of Philosophy. — Austin , 2006г.
16 Мнушкин И.А. ЗАО «ПЕТОН» — 10 лет в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности // Материалы научно-практической конференции «Нефтегазопереработка и нефтехимия проблемы и перспективы», проведенной в рамках III Конгресса нефтегазопромышлеников России. — Уфа, 2001.
17 Гибкин В. И., Зиберт Г.К., Клюйко В. В. Модернизация абсорбера осушки газа диаметром 1800 мм // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2003, № 9.
18 Скобло А.М., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.Л. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии // Учебник для вузов — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра-Бизнесцентр, 2000. — С. 677.
19 Зиберт Г.К., Гибкин В.И., Кабанов Н .И. и др. Испытания отечественной регулярной насадки в условиях газового промысла // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2000. — № 11.
20 НИЦ РКП «ПВН для интенсификации тепло- и массообменных колонных и других процессов химической и нефтехимической промышленности» // Обзор— ИХТУ г.Иваново, НИЦ РКП г.Пересвет, 2012. — С. 18.
21 Аннотация статей журнала «Химическое и нефтегазовое машиностроение за 2008г». [Электронный ресурс]: - Режим доступа: http://www. himnef.ru/arhiv/list.html.
© А. Р. Музафарова - магистр каф. ХТПНГ КНИТУ, [email protected]; Е. А. Емельянычева - к.т.н. доц. каф. ХТПНГ КНИТУ.
© A. R .Muzafarova - master-student of Chemical Technology of Petroleum and Gas Processing Department KNRTU, [email protected]; E. A. Emelyanycheva - Associate Professor of Chemical Technology of Petroleum and Gas Processing Department KNRTU.
