CC BY
73
DOI: 10.24143/1812-9498-2018-2-28-32 УДК 665.725.4
Д. М. Невдашева, Н. Н. Артемьева
РЕКТИФИКАЦИОННАЯ КОЛОННА В БЛОКЕ ОЧИСТКИ И ПОЛУЧЕНИЯ СЖИЖЕННЫХ ГАЗОВ
В процессе изучения ректификации сжиженных газов рассмотрен вопрос повышения эффективности массообмена между жидкой и паровой фазами. Предложена модернизация конструкции тарельчатой ректификационной колонны, а также обоснован её выбор. Внедрение новых технических решений позволит уменьшить затраты ресурсов на изготовление ректификационной колонны, что снизит экономические затраты и окажет влияние на повышение эффективности выхода продуктов ректификации сжиженных углеводородных газов, основным преимуществом которых является очень высокая теплопередача при сгорании. Теплопередача в этом случае выше, чем у жидких углеводородов и природного газа, поэтому при сжигании одного и того же количества топлива наибольшее количество тепловой энергии будет получено именно от сжиженного газа.
Ключевые слова: ректификационная колонна, сжиженные газы, тарелка клапанная двухпоточная, теплообменник, контактные устройства, массообмен.
Введение
Ректификация - один из способов разделения жидких смесей, основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. В качестве аппаратов, служащих для проведения данного процесса, используются ректификационные колонны - фактически состоящие из колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара, - куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри которого установлены так называемые тарелки (контактные устройства различной конструкции) или размещён фигурный кусковой материал - насадка. Куб и дефлегматор обычно представляют собой кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и кубы-испарители).
Назначение тарелок и насадки - разделение межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром.
Сжиженные углеводородные газы предназначены для использования в качестве бытового и технологического топлива. Сжиженный углеводородный газ также используется в качестве топлива для автомобильного транспорта. Увеличивающаяся доля автомобилей переводится на топливо сжиженный газ, поскольку при прочих равных условиях газ более безопасен с точки зрения воздействия на окружающую среду.
Несмотря на преимущества сжиженного газа, следует отметить и его недостатки. Прежде всего, газ взрывоопасен, его пары вызывают удушье при вдыхании.
Поэтому, несмотря на актуальность использования сжиженного газа, возникают проблемы, связанные с его производством и использованием.
Выбросы химической промышленности незначительны по объёму, но в связи с высокой степенью токсичности, разнообразием и концентрированностью представляют значительную угрозу для людей и всего живого. Таким образом, существует потребность в модернизации машин и устройств для химического производства, что обусловливает актуальность исследования.
В статье рассматриваются вопросы совершенствования конструкции тарельчатой ректификационной колонны. В соответствии с ними поставлены задачи:
- изучение технологического процесса очистки и получения сжиженных газов;
- совершенствование особенностей конструктивного исполнения аппарата, разработка рациональных и оптимальных режимов его эксплуатации.
Описание принятой конструкции
Учитывая недостатки существующей колонны с клапанной однопоточной тарелкой, мы предлагаем рассмотреть тарелку клапанную двухпоточную (рис.).
Клапанная двухпоточная тарелка
Эффективность клапанных двухпоточных тарелок (КПД): 0,70-0,85, F < 2,5, м/с, (кг/м3)-0'5, диапазон устойчивой работы - 3,5. В области саморегулируемой работы тарелки обладают относительно небольшим гидравлическим сопротивлением. Вследствие выбора клапанных двухпоточных тарелок уменьшается высота колонны, металлоёмкость и, следовательно, повышается экономическая эффективность.
Расчёт клапанной двухпоточной тарелки
Гидравлическое сопротивление тарелок, Па, определяем по формуле
Л^кол = пАР,
где АР - полное гидравлическое сопротивление одной тарелки; п = 30 - количество тарелок. Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки, Па, определяем по формуле
ЛР = ЛРС + ЛР„+ЛРШК,
где АРс - сопротивление сухой тарелки, Па; АРС - сопротивление, создаваемое силами поверхностного натяжения, Па; АРпж - сопротивление парожидкостного слоя, Па. Сопротивление сухой тарелки, Па:
2
ЛРС =^ Рп,
где - коэффициент сопротивления (принят 3,6 для клапанных тарелок); ю0 - предельно допустимая скорость пара, м/с;
^0 Г 2^
V ^ у
50Рп
где Gк = 0,04 - масса клапана, кг; ^ - площадь отверстия под клапаном, м2; рп = 1,5 - плотность пара, кг/м3; g = 9,81 - ускорение силы тяжести, м/с2; Fс = 0,143 - доля свободного сечения тарелки;
5 =^к2
0 4 '
где п = 3,14; - диаметр щели клапана, м;
3 14.0 042 50 = 3,14 0,04 = 0,001256 ;
1 85
юп V 2 • 0,04 • 9,81
,0,143 ) 0,001256• 1,5 • 3,6 где ю0 = 1,86 м/с;
1 862
АРс = 3,6 • 1--1,5 = 9,34 .
с 2
Сопротивление, создаваемое силами поверхностного натяжения, Па:
АР„= *,
а
где а = 0,024 - высота открытия щели над клапаном, м; о = 0,01637 - поверхностное натяжение, Н/м;
АЛ 4 • 0,01637
АР„ =---= 2,73 .
° 0,024
Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке, Па:
арп = ёрж^
где рж = 1 015 - плотность жидкости на тарелке, кг/м3; Н0 - высота светлого слоя жидкости, м;
¿0 = 0^0,\°ер6®'и [1 -0,31ехр(-0,-цх)](ах /ав)0,09,
где т - показатель степени; ц = 0,29 - вязкость сжиженного углеводородного газа, мПа; ов = 66 - поверхностное натяжение при температуре 60 °С, мН/м; ох = 16,37- поверхностное натяжение сжиженного углеводородного газа при температуре 60 °С, мН/м;
т = 0,05 - 4,6йПер, где ¿пер = 0,04 - высота переливной перегородки, м;
q=Q / 4,
где Q = 0,011- объёмный расход жидкости, м3/с; Lc = 1,6 - периметр слива, м;
q = М- = 0,0069- м3
1,6 ( м • с)'
т = 0,05 - 4,6 • 0,04 = -0,134;
¿0 = 0,787 • 0,00690,2 • 0,040,562,56-0,-34 [1 -0,31ехр(-0,11 • 0,29)] • (16,37/66)0,09 = 0,0261 ;
АРп = 9,81-1 015 • 0,0261 = 259,88.
Общее сопротивление одной клапанной тарелки, Па:
АР2 = 9,34 + 2,73 + 259,88 = 271,95.
Тогда сопротивление всех клапанных тарелок, Па, составляет:
АРкол= 30 • 271,95 = 8 158,5.
Заключение
Таким образом, исходя из сравнения величин общего сопротивления клапанных тарелок, полученных в результате расчётов, приходим к выводу: замена клапанных однопоточных тарелок на клапанные двухпоточные позволит оптимизировать работу технологического процесса получения сжиженных газов, т. е. повысить эффективность массообмена между жидкой и паровой фазами. Такое совершенствование конструктивного исполнения аппарата способствует уменьшению металлоёмкости, а также повышению экономической эффективности.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов. Ч. 2: Массообменные процессы и аппараты. М.: Альянс, 2015. 368 с.
2. Комиссаров Ю. А., Гордеев Л. С., Вент Д. П. Процессы и аппараты химической технологии: учеб. пособие. М.: Химия, 2011. 1230 с.
3. Скобло А. И., Молоканов Ю. К., Владимиров А. И., Щелкунов В. А. Процессы и аппараты нефтегазопе-реработки и нефтехимии: учеб. для студентов вузов. М.: Недра, 2000. 677 с.
4. Сжиженные углеводородные газы. URL: https://gazovoz.com/poleznaja-informacija/sug (дата обращения: 16.09.2018).
5. Преимущества использования СУГ, КПГ и СПГ в качестве моторного топлива. URL: http://www.gazpromlpg.ru/?id=213 (дата обращения: 16.09.2018).
Статья поступила в редакцию 31.03.2018
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Невдашева Дарья Михайловна — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры технологических машин и оборудования; zlatka95@mail.ru.
Артемьева Наталья Николаевна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры технологических машин и оборудования; kostia_artemiev@mail.ru.
D. M. Nevdasheva, N. N. Artemieva
RECTIFICATION COLUMN IN THE UNIT OF CLEANING AND PRODUCTION OF LIQUEFIED GASES
Abstract. In the course of studying the process of rectification of liquefied gases, there was considered the issue of increasing the efficiency of mass transfer between the liquid and vapor phases. The modernization of the tray rectification column is proposed, and its choice is justified. The introduction of new technical solutions will reduce the cost of resources for the production of the distillation column, which reduces economic costs and increases the efficiency of the output of rectification products of liquefied hydrocarbon gases. The main advantage of that is a very high heat transfer during combustion. In this case, heat exchange is higher than that of liquid hydrocarbons and natural gas. Therefore, when burning the same amount of fuel, the greatest amount of thermal energy will be obtained from liquefied gas.
Key words: rectification column, liquefied gases, double-flow valve plate, heat exchanger, contact devices, mass transfer.
REFERENCES
1. Dytnerskii Iu. I. Protsessy i apparaty khimicheskoi tekhnologii: uchebnik dlia vuzov. Part 2: Massoob-mennye protsessy i apparaty [Processes and apparatuses of chemical technology: text book for higher educational institutions]. Moscow, Al'ians Publ., 2015. 368 p.
2. Komissarov Iu. A., Gordeev L. S., Vent D. P. Protsessy i apparaty khimicheskoi tekhnologii: uchebnoe posobie [Processes and apparatuses of chemical technology: teaching guide]. Moscow, Khimiia Publ., 2011. 1230 p.
3. Skoblo A. I., Molokanov Iu. K., Vladimirov A. I., Shchelkunov V. A. Protsessy i apparaty nefte-gazopererabotki i neftekhimii: uchebnik dlia studentov vuzov [Processes and apparatuses of oil and gas processing and petrochemistry: textbook for University students]. Moscow, Nedra Publ., 2000. 677 p.
ISSN 1812-9498. BecTHUK Any. 2018. № 2 (66)
4. Szhizhennye uglevodorodnye gazy [Liquefied hydrocarbon gases]. Available at: https://gazovoz.com/ poleznaja-informacija/sug (accessed: 16.09.2018).
5. Preimushchestva ispol'zovaniia SUG, KPG i SPG v kachestve motornogo topliva [Advantages of using liquefied hydrocarbon gas, compressed natural gas and liquefied natural gas as motor fuel]. Available at: http://www.gazpromlpg.ru/?id=213 (accessed: 16.09.2018).
The article submitted to the editors 31.03.2018
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Nevdasheva Darya Mikhailovna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Master's Course Student of the Department of Technological Machines and Equipment; zlatka95@mail.ru.
Artemieva Natalia Nikolaevna — Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Technological Machines and Equipment; kostia_artemiev@mail.ru.
