CC BY
202
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 66.048.3-982
Э. В. Осипов, Ф. М. Сайрутдинов, Э. Ш. Теляков,
К. С. Садыков
ВЛИЯНИЕ НАЛИЧИЯ В ОТКАЧИВАЕМЫХ СМЕСЯХ ЛЕГКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ЖИДКОСТНО-КОЛЬЦЕВОГО ВАКУУМНОГО НАСОСА (ЖКВН)
Ключевые слова: жидкостно-кольцевой вакуумный насос, установка вакуумной ректификации.
Исследована зависимость изменения производительности жидкостно-кольцевого вакуумного насоса от наличия в откачиваемой смеси легких углеводородов (ЛУ) в интервале температур от 15 до 45 °С. Показано, что давление насыщенных паров рабочей жидкости (ДНП) оказывает существенное влияние на производительность ЖКВН, причем ДНП заметно возрастает даже при концентрации ЛУ составляет 0.11% по массе. Предложена схема вакуумсоздающей системы (ВСС) установки АВТ, в которой рабочая жидкость ЖКВН подаётся в насос «на проток».
Keywords: liquid ring vacuum pump, vacuum rectification unit.
Depend between capacity of liquid ring vacuum pump and concentration of light hydrocarbons in temperature interval 15-45 0С is researched. Shown, that vapor pressure of service liquid has the influence on capacity of liquid ring vacuum pump. Vapor pressure are grown, when the concentration of light hydrocarbons are 0.11 % mass. The scheme of vacuum creation systems of atmospheric-vacuum distillations unit is presented. In this scheme service liquid feed «make up».
Введение
Установки АВТ являются головным блоком НПЗ, в котором формируется исходной сырьё для остальных стадий переработки (гидрокрекинг, гидроочистка, каталитических крекинг, и т.д.).
Исходным сырьём для вакуумного блока установки АВТ является мазут, отводимый с куба атмосферной колонны. Сам же вакуумный блок состоит из следующих элементов: трубчатой печи, в которой мазут нагревается до температуры 400 - 410 0С [1]; вакуумной колонны, где происходит разделение мазута на требуемые компоненты; вакуумсоздающей системы (ВСС), которая создаёт и поддерживает требуемый вакуум в колонне.
На сегодняшний день можно считать доказанным [2], что понижение давления в колонне даёт ощутимые преимущества, всвязи с чем наметилась тенденция по переводу колонн на более глубокий вакуум.
При решении задач совершенствования ВСС технологических установок предприятий химической, нефтехимической и
нефтеперерабатывающей промышленности
границей проектирования, как правило, является требование по давлению в верхней части колонны при заданной нагрузке на ВСС. Нагрузка на ВСС складывается из нескольких составляющих:
• газов натекания (атмосферный воздух), поступающих в ВК через неплотности в колонне (сварные швы, фланцевые разъёмы, уплотнения насосов), а также в растворенном виде с питанием колонны;
• легких газов разложения, образующихся в системе за счёт термодеструкции тяжелых углеводородов, содержащихся в сырье;
• несконденсированных водяных паров, вводимых в систему из технологических соображений.
Границей проектирования в таких задачах служит величина остаточного давления (требуемый вакуум) при заданных условиях
(производительности по мазуту). Как правило, для установок ректификации мазута давление устанавливается в пределах 20-50 мм рт. ст.
Экспериментальная часть
Определение состава откачиваемого газа
Состав легких углеводородов (ЛУ) (газы разложения), как правило, приводится в исходном техническом задании (ТЗ) на проектирование и зависит от типа и количества перерабатываемой на НПЗ нефти. ЛУ практически не конденсируются в колонне и целиком поступают на ВСС. Как правило, ЛУ, отходящие с верха вакуумной колонны,
содержат в своём составе метан, пропан, бутан и их производные, а так же кислород и водород, сернистые соединения.
Так же на всасывание ВСС поступают и более тяжелые конденсируемые углеводороды. При этом, если состав несконденсируемых ЛУ известен, то состав конденсируемых углеводородов
определяется путём построения кривой истинных температур кипения (ИТК) по данным кривой разгонки (ОИ), которая приводится в ТЗ. Существует множество методик по переводу кривой ОИ в кривую ИТК, в данной статье использовалась методика, заложенная в универсальную
моделирующую программу (УМП) ChemCad 5.2.
Водяной пар в систему вводится из технологических соображений в расчёте 0.01% от нагрузки по сырью. В колонне пар не
конденсируется, и в полном объеме поступает на
откачку в ВСС. Как правило, при введении в колонну водяного пара давление в колонне поддерживается на уровне 40 мм рт. ст. Возможна также ректификация мазута без ввода в колонну водяного пара («сухая» перегонка мазута), в этом случае давление в колонне поддерживается на уровне 20 мм рт. ст.
Принципиально расчёт ВСС по обеим схемам идентичен, поэтому в статье
рассматривается подбор ВСС для ректификационной колонны с вводом водяного пара, так как в этом случае нагрузка на ВСС значительно возрастёт.
Исходный состав газов разложения по данным типового НПЗ представлен в таблице 1.
Таблица - 1 Состав газов разложения
Компонент Расход, кг/час % мас.
Н20 4000 52.37%
С02 69.84 0.91%
1 2 3
С2Н4 4.22 0.06%
С2Н6 6.69 0.09%
Н28 61.78 0.81%
02 344.07 4.50%
N2 47.30 0.62%
СН4 58.98 0.77%
С3Н6 78.13 1.02%
С3Н8 32.21 0.42%
С4Н10 108.32 1.42%
С4Н8 54.45 0.71%
С5Н10 38.14 0.50%
С5Н12 26.90 0.35%
С3Н88 1.46 0.02%
С6Н14 4.85 0.06%
ШР181 362.88 4.75%
N8? 193 199.92 2.62%
ШР206 479.99 6.28%
ШР218 341.38 4.47%
ШР230 449.03 5.88%
ШР243 319 4.18%
ШР255 276.91 3.63%
ШР268 271.81 3.56%
Итого 7638.25 100 %
Анализируя данные, представленные в табл. 1, можно сделать вывод, что основную нагрузку на ВСС формируют вода (52%) и конденсируемые углеводороды (35%).
Исследование зависимости давления насыщенных паров рабочей жидкости от концентрации лёгких углеводородов
В данной работе рассматривалась ВСС на базе ЖКВН, описанная в [3]. Для снижения нагрузки на ЖКВН и увеличения доли конденсации водяных паров и углеводородов перед вакуумным насосом предлагалось установить предвключённый паровой эжектор и конденсатор [3]. Все данные
были получены путём проведения численных экспериментов на математических моделях, подробно описанных в [4,5]. Сами математические модели были синтезированы в среде УМП ChemCad путем сборки модели из отдельных элементов, имеющихся в базе данных программы, и объединение их материальными потоками.
Основной целью проведённого численного эксперимента было получение зависимости давления насыщенных паров рабочей жидкости от температуры, так она оказывает значительное влияние на производительность ЖКВН в целом.
В [3] было показано, что
производительность ЖКВН возрастает, если в качестве рабочей жидкости использовать дистиллятный продукт самой вакуумной колонны, так как при этом достигается наибольшее термодинамическое сродство между откачиваемой парогазовой смесью (ПГС) и рабочей жидкостью (р.ж.). Применительно к установкам АВТ, в качестве р.ж., на первый взгляд, предпочтительнее использовать конденсируемые углеводороды, входящие в состав ПГС (фракции 180-270 0С). Однако эти фракции обладают способностью растворять в себе легкие углеводороды, что способствует изменению давления насыщенных паров (ДНП).
Зависимость ДНП р.ж. от массовой концентрации в ней легких углеводородов слу представлена на рис. 1.
♦ Сл^0% А Сл^0.06% X Слу=0.11%
Рис. 1 - Зависимость ДНП рабочей жидкости от массовой концентрации легких углеводородов
Анализируя данные, представленные на
рис. 1, можно сделать вывод о том, что повышение
концентрации ЛУ в рабочей жидкости до 0.11 % масс. приводит к повышению ДНП рабочей
жидкости от 237 до 67 раз в интервале температур 15-45 0С. Таким образом, при проектировании ВСС на базе ЖКВН необходимо учитывать влияние растворимости ЛУ в рабочей жидкости.
Анализ экспериментальных данных
Влияние ДНП р.ж. на
производительность ЖКВН
ВСС на базе ЖКВН по способу подведения рабочей жидкости делится на 3 вида:
• с частичной рециркуляцией рабочей жидкости;
• с полной рециркуляцией рабочей жидкости;
• без циркуляции рабочей жидкости (работа «на проток»).
Вторая схема это наиболее предпочтительный вариант, так как при таком способе подведения достигается значительная экономия рабочей жидкости. Однако при таком способе работы жидкость нагревается, при этом производительность насоса падает.
Наибольшая производительность ЖКВН достигается при подаче рабочей жидкости «на проток», при этом температура жидкости в насосе приближается к температуре свежей рабочей жидкости.
Как правило, зависимость
производительности ЖКВН от давления всасывания приводятся в каталогах заводов-изготовителей для системы «вода-воздух», где в качестве р.ж. используется вода с температурой 15 0С, а откачиваемого газа - воздух с температурой 20 0С. Иногда в таких каталогах приводится характеристика насоса и для воздуха, насыщенного водяными парами, при этом производительность ЖКВН значительно возрастает [6].
Требуемый типоразмер насоса
предварительно определяют по номинальной (заводской) производительности насоса, для чего необходимо определить объемный расход среды, выходящий из промежуточного конденсатора. Зависимость объёмного расхода от температуры и давления конденсации представлена на рис. 2.
V = V,
0
-72 мм рт.ст.
-80 мм рт.ст.
-88 мм рт.ст.
•112 мм рт. ст.
Рис. 2 - Зависимость
температуры конденсации
расхода ПГС от
Температура конденсации, равная 30-33 С, вполне достижима при использовании водяных поверхностных конденсаторов. При такой температуре требуемая производительность ЖКВН по влажному воздуху должна составлять около 10000 м3/час. Такой производительностью обладает, например, ЖКВН фирмы 81И1 ЬРИ 11535.
Условия эксплуатации ЖВКН на НПЗ значительно отличаются от условий, приведённых в каталогах. Откачиваемый газ весьма проблематично охладить до температуры 20 0С, а р.ж. в насос будет подаваться с температурой выше 15 0С. Это связано с тем, что на большинстве НПЗ применяется водяной охлаждение, а вода в системах оборотного водоснабжения редко опускается ниже температуры 23 0С. Изложенные обстоятельства приводят к необходимости перечёта заводской характеристики ЖКВН на условия конкретного предприятия.
Подобный пересчёт можно проводить на следующей формуле:
- +1
^ Г Р1 - Рй Л Р1 -12.78
(1)
где V - производительность насоса, м3/час; Ц) -производительность насоса по каталогу; tl -температура откачиваемой среды; tрж. -
температура рабочей жидкости; Р1 - давление всасывания, мм рт. ст.; Рй - ДНП р.ж. Коэффициент 12.78 соответствует ДНП воды (в мм рт.ст. при 15 0С).
Данная формула не всегда точно описывает изменение производительности ЖКВН, существуют другие эмпирические зависимости для конкретных типоразмеров насоса [6], однако в них входят геометрические размеры рабочего колеса, которые являются «ноу-хау» завода изготовителя, что делает их затруднительными для использования. Для подобной задачи формула (1) является достаточно точной, для уточнённого расчёта можно использовать расчетные модели, синтезированные в УМП ChemCad и описанные в [3]-[5].
Пересчитанная по формуле (1) характеристика насоса представлена на рис. 3. В качестве рабочей жидкости принята конденсируемая углеводородная фаза откачиваемой смеси, отходящей с верха вакуумной колонны с температурой, равной 300С.
Давление всасывания, мм рт.ст.
Ряд1 -Ш— Ряд2 -А— РядЗ —к— Ряд4
Рис. 3 - Характеристика насоса 81И1 ЬРИ 11535
На рис. 3 ряд 1 - паспортная
характеристика 81И1 ЬРИ 11535; ряд 2 - при слу = 0 % мас.; ряд 3 - при слу = 0.06 % мас.; ряд 4 - при слу = 0.11 % мас.
Анализируя данные, представленные на рис. 3, можно сделать вывод, что наличие в составе р. ж. ЛУ значительно снижает производительность ЖКВН. При отсутствии же ЛУ производительность насоса заметно увеличивается, что позволяет рассматривать варианты либо снижения типоразмера насоса, либо снижения давления нагнетания паровой ступени, что позволяет снизить энергозатраты.
В отдельных случаях, в зависимости от производительности вакуумной колонны, можно вообще отказаться от использования паровой ступени, или заменить её другим формвакуумным устройством.
Влияние ДНП р.ж. на мощность, затрачиваемую ЖКВН
Откачиваемый газ поступает в серпообразное пространство, образованное ступицей рабочего колеса, лопатками и внутренней поверхностью кольца рабочей жидкости. Такое пространство носит название «ячейка всасывания» ЖКВН. Ячёйка всасывания создаётся за счет эксцентриситета между геометрическим центром корпуса ЖКВН и ступицы рабочего колеса. Мощность, затрачиваемая на её создание, приводится, как привило, в каталогах к ЖКВН, или в технической документации к насосу. Однако, при использовании в качестве рабочей жидкости конденсируемых углеводородов из откачиваемой ПГС, возникает необходимость пересчета паспортной характеристики насоса, так как плотность таких углеводородов существенно отличается от плотности воды (851 кг/м3 у конденсируемых углеводородов против 997 кг/м3 у воды при 150С).
Если известна мощность, затрачиваемая при использовании в качестве р.ж. воды (номинальная мощность Р^), то требуемую мощность можно определить по формуле (2) [6]:
Р = Р1 . у 005 (2)
где у - кинематическая вязкость, мм2/с.
Наличие в составе р. ж. ЛУ не оказывает значительного влияния на кинематическую вязкость, так как их суммарная концентрация не велика.
Оценку изменения затрачиваемой мощности от изменения кинематической вязкости (пересчёт паспортной характеристики насоса) проведём для рабочей жидкости с слу= 0% мас.
На рис. 4 показана зависимость
затрачиваемой мощности, пересчитанная по формуле (2) от давления всасывания.
Давление всасывания, мм рт. ст.
“♦“Номинальная характеристика “Н“ Требуемая мощность
Рис. 4 - Зависимость затрачиваемой мощности, от давления всасывания
Как видно из рис. 4, требуемая мощность возрастает на 4%. Это можно объяснить тем, что кинематическая вязкость углеводородной фракции больше кинематической вязкости воды. Это обстоятельство приводит к тому, что возрастают затраты, связанные с преодолением силы трения между кольцом р.ж. и стенками корпуса ЖКВН. Поэтому, при использовании углеводородной фракции в качестве р.ж., частоту оборотов электродвигателя ЖКВН целесообразнее всего увеличивать.
Выводы
Производительность ЖКВН существенно зависит от концентрации ЛУ в рабочей жидкости. поэтому, при использовании ВСС на базе ЖКВН, глее в качестве р. ж. используется углеводородная фракция, целесообразнее всего подводить р.ж. «на проток», увеличивая при этом частоту вращения электродвигателя насоса.
Литература
1. http://kafedratpn.gubkin.ru/images/stories/vnpz/plant_Atm osphericVacuumDistillationOfOil.htm
2. С.В. Максимов, А.И. Калошин, О.Л. Карпиловский, ХТТМ, 4, С. 28 (2000).
3. Э.В. Осипов, С.И. Поникаров, Э.Ш. Теляков, К.С. Садыков, Р.Г. Теляшев, А.Н. Обрывалина, Х.С. Шоипов, Мир нефтепродуктов, 12, С. 31-35 (2011).
4. Э.В. Осипов, С.И. Поникаров, Э.Ш. Теляков, Вестник Казан. технол. ун-та, 18, С. 193-201 (2011).
5. Э.В. Осипов, С.И., Поникаров, Э.Ш. Теляков, Совершенствование вакуумсоздающих систем (ВСС) установок АВТ. LAP, Saarbrucken, 2012, 130 с.
6. Liquid ring vacuum pumps and liquid ring compressors. Technical details and Fields of application. - Sterling SIHI group, 2009. - 70 с.
© Э. В. Осипов - асс. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, lipogi@mail.ru; Ф. М. Сайрутдинов - асп. той же кафедры, SaFarid@mail.ru4 Э. Ш. Теляков - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; К. С. Садыков - д-р техн. наук, ген. директор ООО «Научно-исследовательский институт вакуумного машиностроения», niivm@mail.ru.
