CC BY
67
ш
Таким образом, можно сделать следующий вывод: технико-экономический эффект от применения в процессе деповского ремонта терморадиационного метода капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС вместо конвективного позволит значительно снизить затраты электроэнергии на ремонт ЭМ ТПС; капитальные вложения, составляющие 97,8 тысяч рублей, окупятся в течение 2,2 месяца при общей экономии денежных средств 530 тысяч рублей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Худоногов А.М., Лыткина Е.М., Дульский Е.Ю.
Инновационная технология повышения надёж-
ности и продления ресурса электрических машин тягового подвижного состава // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 4 (36). С. 102-109..
2. Дульский Е.Ю. Совершенствование технологии ремонта магнитной системы остовов тяговых двигателей электровозов // Вестник ИрГТУ. 2012. № 4 (63). С. 103-108.
3. Методические рекомендации по оценкам эффективности инвестиций на железнодорожном транспорте / Б.А. Волков и др.; под ред. Т.М. Миджири. М. : Слово, 1997. 50 с.
4. Методические рекомендации по обоснованию эффективности инноваций на железнодорожном транспорте. М. : Транспорт, 1999. 230 с.
УДК 66.021 Бальчугов Алексей Валерьевич,
д. т. н., профессор, проректор по научной работе, Ангарская государственная техническая академия, e-mail: [email protected]
Подоплелов Евгений Викторович, к. т. н., доцент, зав. кафедрой машин и аппаратов химических производств, Ангарская государственная техническая академия, e-mail: [email protected]
Дементьев Анатолий Иванович, к. т. н., доцент, декан технологического факультета, Ангарская государственная техническая академия, e-mail: [email protected]
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА МЕТИЛАМИНОВ И ЕЁ АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ
A. V. Balchugov, E. V. Podoplelov, A. I. Dement'ev
IMPROVING METHYLAMINE PRODUCTION SCHEME AND ITS HARDWARE DESIGN
Аннотация. В результате проведенного анализа работы абсорбционных колонн установки 71/72 цеха 39/71 Химического завода Ангарской нефтехимической компании для очистки технологических газов от аммиака и аминов предложены мероприятия по повышению эффективности работы колонн, а также новые технологические схемы для проведения процесса абсорбции. Для совершенствования процесса получения метиламинов предлагается новая технологическая схема с десорбционной колонной, позволяющая экономить абсорбент. Альтернативным вариантом может быть технологическая схема, предусматривающая использование в качестве абсорбента конденсата водяного пара. Использование в качестве абсорбента конденсата водяного пара позволит уменьшить количество накипи, образующейся на поверхностях технологического оборудования в теплообменниках и абсорбционных колоннах. Для абсорберов произведены расчеты по определению высоты слоя насадки, которые доказывают, что существующего слоя насадки в колоннах достаточно при условии полной смоченности насадки.
Ключевые слова: абсорбция, насадка, массопередача, аммиак, амины.
Abstract. As the result of the analysis of operation of the Angarsk petrochemical company Chemical plant shop 39/71 work absorption columns installation 71/72 absorption columns for cleaning waste gases from ammonia and amines measures to increase the efficiency of the columns as well as new technological scheme for the process of absorption are proposed. For improvement of process of producing methylamines a new technological scheme with desorption columns, allowing to save the absorbent is proposed. An alternative might be a technological scheme, providing the use of steam condensate as absorbent. The use of steam condensate as absorbent will reduce the quantity of scale which is formed on the surfaces of technological equipment in heat exchangers and absorption columns. For absorbers calculations to determine the nozzle layer height are made which prove that the existing nozzle layer in the columns is enough upon condition of full nozzle dampening.
Keywords: absorption, tip, mass transfer, ammonia, amines.
Производство метиламинов предназначено для получения товарных продуктов: монометиламина, диметиламина и триметиламина. Мети-
ламины получают в промышленности каталитическим аминированием метилового спирта. Разделение реакционной смеси с извлечением мономети-
ламина, диметиламина, триметиламина и метилового спирта производится методом ректификации. Получаемые после процесса ректификации технологические газы, в состав которых входят амины, аммиак, оксид углерода, метан и азот, необходимо утилизировать с целью снижения выбросов вредных веществ в атмосферу. Более полное извлечение аммиака и аминов из технологических газов и возвращение их в схему ректификации позволит повысить эффективность работы установки и качество получаемых продуктов.
Извлечение аммиака и аминов из технологических газов производится в последовательно расположенных абсорбционных колоннах поз. А-200, А-200а (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема абсорбционной установки
Абсорберы представляют собой насадочные колонны диаметром 2800 мм. Контактные устройства - керамические кольца Рашига размером 50^50x5. Абсорберы одинаковы по конструкции. Имеются распределительные устройства в верхней части колонн для абсорбента (вода) и рециркулята (вода). Свежий абсорбент (вода) расходом 312 м3/ч подается через распределительное устройство в верхнюю часть абсорбера поз. А-200, стекает по насадке, контактируя с газовой фазой, из которой поглощаются аммиак и амины. Затем абсорбент поступает в кожухотрубный холодильник поз. 145А, где охлаждается до температуры 30 °С и насосом поз. Н-202/1,2 часть абсорбента возвращается в колонну поз. А-200 в виде рециркулята, а другая часть - поступает на орошение абсорбера поз. А-200а. Абсорбент стекает из колонны поз. А-200а, после чего поступает на охлаждение в кожу-хотрубчатый холодильник поз. 141. Далее насосом поз. 144 часть абсорбента возвращается в колонну поз. А-200а в виде рециркулята, а другая часть насосом поз. 148/1,2 направляется в колонны поз. 39, 78, 87, 61 и далее в БОС (биологическая очистка стоков).
С целью утилизации технологических газов и повышения качества получаемого продукта необходимо обеспечивать содержание аммиака и аминов в технологических газах на выходе из абсорберов не более 20 г/м3, в настоящее время концентрация составляет 40 г/м3.
Эффективность процессов, протекающих в абсорберах, в большой степени зависит от типа применяемой насадки, равномерности ее орошения и гидродинамики движения жидкости и газа внутри аппарата. Для достижения необходимой степени очистки рассчитана требуемая высота слоя насадки. В расчете принимались следующие данные: диаметр абсорбера - 2,8 м, температура в колонне 50 °С, абсорбент - вода, концентрации компонентов газовой смеси: сумма аминов (монометиламин, диметиламин, триметиламин) - 25 % об., NH3 - 35 % об., CO - 5 % об., CH4 - 5 % об., N2 -30 % об., объем газов, поступающих на очистку, -500 м3/ч.
Высота слоя насадки рассчитывалась по уравнению:
H = hy • noy,
где h - общая высота единицы переноса, м; n -общее число единиц переноса,
hov = hv + — • hx,
oy v £ x
где hv - высота единицы переноса для газовой
фазы, м; hx - высота единицы переноса для жидкой фазы, м; k - тангенс угла наклона линии равновесия; Í =--удельный расход поглотителя
G
hy =—,• ^ Г\Рг'у)6, v VH • f У У где коэффициент а = 8,13 для кольцевой насадки; S - свободный объем насадки; f - удельная поверхность насадки; - коэффициент смоченно-сти насадки; Rey - критерий Рейнольдса для газовой фазы; Pr'y - диффузионный критерий Пранд-
тля для газовой фазы.
Общее число единиц переноса:
n (у - у),
_ _ ov = ДУФ
где У , У - относительные массовые концентрации в газовой фазе на входе и выходе из аппарата; АУср - средняя движущая сила процесса.
Произведенные расчеты показывают, что колонны поз. А-200а и А-200 практически способны справиться с требуемой степенью очистки при
ш
условии обеспечения полного смачивания насадки и равномерного распределения жидкости, поскольку расчетная суммарная высота слоя насадки составила 26,2 м, а имеющаяся в аппаратах суммарная высота слоя насадки - 25 м. Поэтому возможной причиной низкой эффективности работы абсорберов может быть плохая смачиваемость поверхности насадки и неравномерное распределение абсорбента по слою насадки. Известно [1], что при нагрузках абсорбера ниже точки подвисания в большинстве случаев не вся поверхность насадки смочена жидкостью. Кроме того не вся смоченная поверхность активна для массопередачи, активна лишь поверхность, покрытая текущей пленкой жидкости. Части поверхности, покрытые неподвижной пленкой жидкости, не являются активными. Неподвижные застойные зоны жидкости образуются также в точках контакта между элементами насадки. Имеющиеся методы по определению смоченной поверхности насадки противоречивы, между данными имеются значительные расхождения, которые можно объяснить несовершенством методики и различными способами подачи орошения. В работе произведен расчет доли смоченной и активной поверхности насадки. По первому методу доля смоченной поверхности насадки при орошении водой определялась по данным работы [2]:
= 1- ^ехр(- т),
в котором m=bReжp, где А, Ь, p - коэффициенты, значения которых выбираются в зависимости от насадки, Reж - критерий Рейнолдса для жидкости.
По второму методу доля смоченной поверхности может быть определена на основе данных, приведенных в работе Хикита и Катаока [3]:
20,
Т а б л и ц а 1
Доля смоченной поверхности (I метод) 0,377
Доля смоченной поверхности (II метод) 0,283
Доля активной поверхности (I метод) 0,374
Доля активной поверхности (II метод) 0,279
Как видно в данном случае, полученные первым и вторым методом результаты хорошо согласуются. Низкую долю смоченной и активной поверхности насадки можно объяснить недостаточным расходом орошения, а также несовершенством конструкции абсорберов и отсутствием перераспределительных устройств между слоями насадки [4].
С целью совершенствования процесса и снижения расхода абсорбента предлагается новая технологическая схема (рис. 2) с обеспечением замкнутого цикла по абсорбенту.
где Жж - массовая скорость жидкости, кг/м •с; о - поверхностное натяжение, мН/м.
Доля активной поверхности по первому методу [2] может быть определена:
_ и
е а(р + ци)' где a - удельная поверхность насадки, м2/м3; U -плотность орошения, м/с; p и q - постоянные, зависящие от типа и размера насадки [5].
Доля активной поверхности по второму методу [3] может быть определена:
Vе = АЖЖ455 0-т .
Результаты расчетов в табл. 1.
Рис. 2. Новая принципиальная технологическая схема абсорбционной установки
В новой схеме предполагается установка де-сорбционной колонны поз. 1, насоса поз. 2 и теплообменника поз. 3. Насыщенный абсорбент перед подачей в десорбционную колонну поз. 1 нагревается в теплообменнике поз. 3 за счет теплоты очищенного абсорбента, выходящего с низа колонны поз. 1, что позволяет сэкономить значительное количество теплоты и пара. Далее насыщенный абсорбент с температурой около 80 °С поступает на орошение в десорбционную наса-дочную колонну поз. 1, куб которой обогревается глухим паром (10 ата). В колонне поз. 1 абсорбент нагревается до температуры кипения, при этом происходит десорбция аммиака и аминов и частичное испарение абсорбента. Осуществление работы абсорбционной установки по данной схеме не потребует больших капитальных вложений, поскольку на установке 71/72 цеха 39/71 ОАО «АНХК» имеется не используемая в процессе де-
т
иркутским государственный университет путей сообщения
сорбционная колонна, которая может быть задействована. Таким образом, циркуляция абсорбента будет осуществляться через абсорбер поз. А-200, абсорбер поз. А-200а и десорбер поз. 1. В реконструируемой схеме предусмотрена также подпитка колонн «свежим» абсорбентом. Ожидаемый экономический эффект за счет снижения расхода абсорбента составит 224477 руб. в год. Расход пара на обогрев куба десорбционной колонны поз. 1 составит 0,487 кг/с (пар 10 ата). При этом общий расход пара на установке не увеличится, поскольку на эту же величину снизится расход пара, подаваемого на обогрев куба ректификационной колонны К-39, в которую в старой схеме подавался насыщенный абсорбент на разделение.
В процессе получения метиламинов на поверхности теплообменного и технологического оборудования образуется большое количество накипи. Процессы образования накипи и твердых осадков в промышленных аппаратах связаны с наличием в промышленной воде больших количеств растворенных солей кальция и магния. Эти процессы создают проблемы при эксплуатации теплообменного и массообменного оборудования. Отложения солей жесткости приводят к значительному увеличению тепловой энергии на нагрев и к эквивалентному повышению затрат на расход топлива. Они также отрицательно сказываются на теплообменных и гидравлических характеристиках, способствуют выводу из строя насосного, запорного и регулировочного оборудования, ускорению коррозионных процессов. В частности, в производстве метиламинов отложения накипи образуются в абсорберах А-200 и А-200а, что приводит к загрязнению контактных устройств - колец Рашига, поэтому увеличивается гидравлическое сопротивление абсорберов и снижается равномерность распределения жидкости. Решением проблемы может быть использование в качестве абсорбента конденсата пара, не содержащего солей жесткости. В усовершенствованной технологической схеме (рис. 3) в качестве абсорбента предлагается использовать конденсат водяного пара, получаемый после кипятильника поз. 40/3, подключенного к ректификационной колонне К-39/2. Использование конденсата взамен промышленной воды позволит снизить образование накипи в теплообменниках поз. 145А, 141 и другом технологическом оборудовании (абсорберах А-200, А-200а) схемы утилизации технологических газов уст. 71/72 цеха 39/71 химического завода. Для использования в качестве абсорбента конденсата водяного пара предлагается включить в технологическую схему кожухотрубчатый холодильник (Т-1), предназначенный для охлаждения аб-
сорбента, подаваемого в абсорбер поз. А-200. С этой целью произведен тепловой расчет и выбор
холодильника.
Рис. 3. Принципиальная технологическая схема абсорбционной
установки с подачей в качестве абсорбента конденсата водяного пара
Критерий Нуссельта для хладагента, движущегося по межтрубному пространству теплообменника, при Яв > 1000 рассчитывался:
Мы = 0, 24 Яв 0 6 Рг 0 36 .
Критерий Нуссельта для конденсата, движущегося по трубному пространству теплообменника, при переходном режиме 2300 < Яв < 10000 рассчитывался:
Мы = 0,008 Яв09 Рг 043.
Коэффициенты теплоотдачи для трубного и межтрубного пространства рассчитывались из уравнения:
а-1
Мы =-
X
где а - коэффициент теплоотдачи; I - характерный линейный размер; X - коэффициент теплопроводности.
Для определения коэффициент теплопередачи использовалось уравнение:
к = 1
1 а,
X
1 а
где Е — - сумма термических сопротивлений
стенки и загрязнений.
Требуемая поверхность теплообмена рассчитывалась по формуле:
ш
^ =
б
(к )'
где Д^ - средняя движущая сила; б - тепловой поток.
Исходные данные для расчета и выбора основного технологического оборудования (теплообменника Т-1) и результаты расчета сведены в табл. 2.
Т а б л и ц а 2
Исходные данные, результаты расчета Ед. изм. Результат
Конденсат водяного пара:
Массовый расход кг/с 1,37
Температура начальная °С 60
Температура конечная °С 40
Хладагент (вода):
Температура начальная °С 15
Температура конечная °С 34
Расчетные величины
Трубное пространство:
Критерий Рейнольдса 2445,5
Критерий Прандтля 3,5
Критерий Нуссельта 15,4
Коэффициент теплоотдачи Вт/(м2К) 476,57
Межтрубное пространство:
Массовый расход хладагента - воды кг/с 1,44
Критерий Рейнольдса 1242,2
Критерий Прандтля 7,0
Критерий Нуссельта 34,7
Коэффициент теплоотдачи Вт/(м2К) 832,42
Коэффициент теплопередачи Вт/(м2К) 248,00
Требуемая поверхность 2 м 18,1
По результатам расчетов подобран кожухо-трубчатый теплообменник 325 ХНГ-4-М1-0/25-4-1 по ГОСТ 15118-79 с поверхностью теплообмена 19,5 м2. В работе произведена оценка экономических затрат на хладагент, используемый в холодильнике поз. Т-1. По результатам расчетов годовые затраты на хладагент составят 233365,4 руб.
Таким образом, для повышения эффективности работы абсорберов, снижения выбросов вредных веществ в атмосферу и решения проблемы отложения солей жесткости в технологическом оборудовании могут быть использованы новые технологические схемы получения метиламинов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рамм В.М. Абсорбция газов. М. : Химия, 1976. 656 с.
2. Биу^а 8., 8акиша 8., Kagaku Kogaku, 1954, V. 18, № 2, Р. 64-67.
3. №кйа Н., Ка1аока Т. Kagaku Kogaku. 1956, V. 20, № 10, Р. 528-532.
4. Повышение эффективности работы абсорберов схемы утилизации «хвостовых» газов установки 71/72 цеха 39/71 химического завода / Баль-чугов А.В. и др. // Вестник АГТА. 2013. № 1. С. 100-103.
