Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ТАРАСКИН МИХАИЛ МИХАЙЛОВИЧ
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ОЧИСТКА ГАЗОВ ОТ ЖИДКОЙ ФАЗЫ НА ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ ПРЕДПРИЯТИЙ ТЭК
05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Казань - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Лаптев Анатолий Григорьевич
Официальные оппоненты: Розенцвайг Александр Куртович доктор технических наук, профессор, Камская государственная инженерно-экономическая академия (ИНЭКА), профессор кафедры Математическое моделирование и информационные технологии Мутрисков Анатолий Яковлевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет, профессор кафедры Энергосбережение и энергообеспечение промышленных предприятий
Ведущая организация: Казанский национальный исследовательский технологический университет (КНИТУ)
Защита состоится 18 октября 2012 г. в 16 час 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.082.02 при ФГБОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет по адресу: г. Казань, ул. Красносельская, д. 51, зал заседаний Ученого совета (Д-223).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет
Автореферат разослан л17 сентября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.082.кандидат химических наук, профессор Э.Р. Зверева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Энерго- и ресурсосбережение становится все более актуальным направлением в различных отраслях промышленности и особенно в топливно-энергетическом комплексе (ТЭК). На предприятиях ТЭК добываются и перерабатываются углеводородные газовые и жидкие смеси.
Процессы переработки газов можно разделить на 2 группы: первичные и вторичные.
К первичным отнесены процессы выделения из природных и нефтяных газов отдельных компонентов и фракций. К вторичным отнесены процессы глубокой переработки отдельных компонентов или фракций, выделяемых из газовых смесей (пиролиз индивидуальных углеводородов, производства моторных топлив из конденсата, производства этилена, бензола и т.д.).
Природный газ, добываемый из месторождений, обычно содержит различные механические твердые и жидкие примеси в виде песка, пыли, воды, масла, конденсата, сварочного грата, окалины, сернистых соединений и др. Жидкие примеси - частицы воды и конденсата, скапливаясь в пониженных местах газопровода, также сужают его сечение и способствуют образованию гидратных и гидравлических пробок. Все это может привести к значительному снижению пропускной способности газопровода, в результате увеличения коэффициента гидравлического сопротивления и потерь давления газа.
При переработке углеводородных смесей одним из путей энергосбережения на предприятиях ТЭК является модернизация теплотехнологических схем ректификации.
Известен подход энергосбережения за счет разделения газожидкостных потоков перед подачей в колонны на жидкую и газовую фазы. В результате чего отсепарированная жидкая фаза в зависимости от ее температуры подается на соответствующие тарелки по высоте колонны. Аналогично поступают и с газовой фазой. Поэтому аппараты для разделения газов и паров на дисперсную и спошную фазы являются важной составляющей частью при комплектовании технологической аппаратуры в энергетике, а также в химической, нефтехимической и родственным им отраслям промышленности.
Разнообразие условий работы установок и поставленных задач вызывают необходимость в создании более совершенных методов расчета и новых конструкций сепарирующей аппаратуры или модернизации действующей.
Объекты исследования. Аппараты очистки природных и технологических газов от дисперсной фазы (капельной влаги). Технологические установки ректификации углеводородных смесей на предприятиях ТЭК.
Цель. Повысить энерго - и ресурсоэффективность очистки природных и технологических газов от дисперсной фазы. Снизить энергозатраты на очистку и транспортировку газа по трубопроводам, а также на дальнейшее разделение в массообменных аппаратах. Снизить энергозатраты на ректификацию углеводородных смесей на предприятиях ТЭК.
Задачи.
- Разработать высокоэффективный энергосберегающий аппарат очистки газов от дисперсной фазы (капельной влаги).
- Получить уравнения и разработать метод расчета эффективности комбинированного сепаратора удаления жидкой фазы из газов и паров.
- Выполнить расчет сепарационнно-гидравлической эффективности разработанного аппарата. Выбрать высокоэффективные контактные устройства.
- Показать примеры энергосбережения на промышленных ректификационных установках за счет очистки газов (паров) от жидкой фазы.
Научная новизна.
1. Предложен комплексный подход к оценке эффективности аппаратов газоочистки, который заключается как в использовании фактора интенсивности газосепарации, так и в применении энергетического коэффициента, характеризующего энергозатраты и эффективность очистки.
2. На основе использования вероятностно-стохастической модели и теории турбулентной миграции частиц в газах получены выражения для расчета эффективности (КПД) сепарации крупной и мелкой дисперсной фазы в насадочном слое и в вихревых контактных устройствах.
3. Получено решение одномерного уравнения массопереноса дисперсной фазы с источниками массы и показано удовлетворительное согласование с расчетами по вероятностно-стохастической модели и экспериментальными данными.
4. Разработан алгоритм расчета эффективности очистки газов в комбинированном газосепараторе, состоящим из слоя с мелкой насадкой и зоны с вихревыми элементами.
Практическая значимость.
- Разработана и запатентована конструкция комбинированного аппарата очистки газов от капельной влаги.
- На основе использования фактора интенсивности газосепарации и энергетического коэффициента выбраны режимные и конструктивные характеристики разработанного комбинированного газосепаратора, который обеспечит высокую эффективность (98-99%) разделения при небольших затратах.
- Показан пример энергосберегающей модернизации теплотехнологической схемы с ректификационными аппаратами в производстве фенола и ацетона с использованием разработанного газосепаратора. Обеспечено снижение расхода греющего пара на 2,1т/т продукции (на 22%).
- Показан пример энергосберегающей модернизации теплотехнологической схемы установки получения моторных топлив с использованием разработанного газосепаратора. Обеспечено снижение энергозатрат в ректификационной колонне на 12% (на 5500 кВт).
Результаты работы приняты к использованию на Сургутском ЗСК.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается применением апробированных математических моделей, основанных на теории турбулентной миграции частиц и энергетического метода; определением параметров моделей с применением балансовых соотношений переноса импульса; согласованием результатов расчета эффективности очистки газов по различным моделям и с экспериментальными данными; использованием апробированных контактных устройств.
Автор защищает:
1. Применение вероятностно-стохастической модели и энергетического метода для расчета комбинированного газосепаратора.
2. Решение одномерного уравнения массопереноса тонкодисперсной фазы для расчета профиля концентрации и эффективности газоочистки.
3. Конструкцию разработанного комбинированного газосепаратора.
4. Алгоритм расчета эффективности комбинированного газосепаратора.
5.Разработанные научно-технические решения по энергосберегающей модернизации теплоиспользующих схем с ректификационными колоннами.
Личное участие автора заключается в:
- получении уравнений для расчета эффективности газоочистки вихревыми элементами;
- решении уравнения массопереноса тонкодисперсной фазы с источником массы;
- расчетах эффективности газоочистки трубчатыми, насадочными и вихревыми контактными устройствами;
- разработке конструкции комбинированного газосепаратора и алгоритма его расчета;
- расчетах энергосберегающих теплотехнологических схем с промышленными ректификационными колоннами;
- разработке технических решений по энергосбережению.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- X международном симпозиуме Энергоресурсоэффективность и энергосбережение, (г. Казань, 2009);
- 16-й и 17-й межд. науч. - техн. конф. студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, (Москва, 2010, 2011);
- ХXIII, ХХIV, Международных научных конференциях Математические методы в технике и технологиях - ММТТ, (Белгород-2010, Саратов-2011);
- XVIII Международной молодежной научной конференции Туполевские чтения (Казань, 2010);
- VI Цй всероссийской науч.- техн. студ. конф. Интенсификация тепло - и массообменных процессов в химической технологии, (Казань, 2010.);
- Всероссийской научно-практической конференции, (Нижнекамск, 2012);
- V,VII-й Международной молодежной научной конференции Тинчуринские чтения, (Казань, 2010, 2012.) Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 148 наименований, справки об использовании результатов работы.
Общий объем диссертации изложен на 130 стр. и включает 18 рисунков, 20 таблиц и приложение.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 17 работ, из них статьи в журналах из перечня ВАК, 1 патент, 2 статьи и 11 тезисов докладов на различных конференциях.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во ведении отмечается актуальность работы в связи с задачами энерго- и ресурсосбережения на предприятиях ТЭК. Формулируется цель и задачи исследования, рассматриваются основные подходы энергосбережения за счет очистки газов, отмечается научная новизна и практическая значимость результатов диссертационной работы.
В первой главе выполнен обзор работ по энергосберегающим модернизациям установок на предприятиях ТЭК. Рассмотрены основные способы и аппараты очистки газов, а так же подходы к математическому моделированию процессов сепарации дисперсной фазы. Отмечено, что значительный вклад в этом направлении сделаны отечественными и зарубежными исследователями: Грин Х., Медниковым Е.П., Николаевым Н.А., Сугак Е.В., Ужовым В.Н., Росляковым П.В., Нигматуллиным Р.И., Мягковым Б.И., Старком С.Б., Зиганшином М.Г., Махоткиным А.Ф. и многими другими.
Во второй главе рассмотрены выражения для определения эффективности очистки газов от дисперсной фазы. Для выбора наиболее рациональной конструкции газосепаратора записаны фактор интенсивности использования аппарата и энергетический коэффициент. Представлены выражения для расчета эффективности насадочных и вихревых газосепараторов.
Основной задачей при выборе конструкций газосепарирующих устройств для заданных условий проведения процесса является достоверный расчет эффективности сепарации дисперсной фазы. Сепарационная эффективность может быть определена по содержанию дисперсной фазы в газах до поступления в газоочистной аппарат и на выходе из него по выражению GH GK VHH VKH 1 VKK, (1) GH VHH VHH где - массовый расход дисперсной фазы (капель, тумана, пыли), содержащейся в G газах, кг/с; - объемный расход газов, м3/с;
V - концентрации частиц в газах, кг/м3.
Нижние индексы "H" - начальные и "" - конечные значения. Обычно для аппаратов принимается.
VH VK Суммарную степень очистки газов, достигаемую в нескольких последовательных аппаратах (или зонах), рассчитывают по уравнению аддитивности 1 -i, (2) i где - эффективность сепарации в i аппарате (зоне).
i Кроме эффективности газоочистки важное значение имеют фактор интенсивности аппарата и энергетические затраты.
Фактор интенсивности использования аппарата газоочистки оценивается по выражению M GH GK, (3) i V V где M - масса частиц, оседающих в аппарате за единицу времени, кг/с; - рабочий V объем аппарата, м3.
Ниже фактор (3) записан используя КПД очистки. Из (1) и (3) получено GH VHH. (4) i V V В теплотехнике для оценки энергетической эффективности теплообменников используется энергетический коэффициент E Q/ N, где Q - тепловой поток, Вт;
N - мощность на прокачку теплоносителя, Вт. По аналогии для аппарата газоочистки в диссертации используется выражение M GH GK H K, (5) E N pVH p p где - перепад давления газа в аппарате, Па.
Из (1) и (5) следует H E . (6) где 1 .
Выражениея (5) и (6) можно применять при оценке энергетической эффективности как действующих газосепараторов, так и проектируемых.
Оценку эффективности аппаратов газоочистки следует выполнять по максимальным значениям, как фактора i (3), так и коэффициента E (6).
Для определения сепарационной эффективности контактного устройства рассмотрено уравнение конвективного массопереноса частиц.
В диссертации используется подход Ф.П. Заостровского и К.Н. Шабалина ( 19511953г.г.), когда осаждение аэрозолей рассматривается как разновидность диффузионного процесса и для его описания пользуются уравнения из теории массопередачи. Данные авторы стали использовать коэффициент скорости пылеулавливания называемого в настоящее время - скорость турбулентного осаждения (турбулентной миграции) - ut (м/с).
На вход контактного устройства (вертикального канала) поступает газ с концентрацией тонкодисперсной фазы Сн. По мере движения газа за счет различных механизмов происходит миграция (движение к стенке) дисперсной фазы. Допущения:
материал стенок хорошо смачивается осаждаемой жидкой фазой; диаметр частиц dч мал по сравнению с масштабом несущих их пульсационных моделей :. (такому d условию удовлетворяют аэрозольные частицы 200 мкм); полидисперсность частиц d учитываются пофракционо; при С<0,2 кг/м3 частицы не соударяются и не коагулируются друг с другом. Если длина контактного устройства на порядок больше его диаметра можно свести трехмерную задачу к одномерной и рассматривать изменение концентраций частиц только по вертикальной координате oz, т.е. от входа смеси к выходу.
Тогда уравнение переноса аэрозольных частиц в газе получит вид uz C Dd C , (7) z z z где - коэффициент турбулентной диффузии частиц, м2/с; uz- скорость газа, м/с.
Dd Используем известный подход, когда массоперенос дисперсной фазы к стенке (или межфазной поверхности) в уравнении переноса учитывается в виде объемного источника массы.
В общем виде источник массы записывается в форме M jF r , (8) V V где V - рабочий объем контактного устройства, м3; j - поток массы оседающих частиц, кг / (м2 с); F- поверхность контакта (стенок), м2.
окальный поток массы дисперсной фазы в теории газоочистки записывают в форме аналога уравнения массоотдачи j utC, (9) ut где - скорость турбулентного осаждения, м/с; - концентрация частиц в ядре потока, принимается средней по поперечному сечению.
С учетом выше изложенных допущений уравнение (7) при uz u получит вид 2 utCF u Dd . (10) z z2 V Уравнение (10) является аналогом известной однопараметрической диффузионной модели структуры потоков в аппаратах с источником массы.
В диффузионной модели коэффициент турбулентной диффузии заменяют на коэффициент обратного (продольного) перемешивания, который учитывает неоднородности и турбулентный перенос.
При L>>d, т.е. если длина канала значительно больше диаметра, можно допустить малый вклад перемешивания по высоте. Тогда уравнение (10) получит вид u C F t u . (11) z V Данное уравнение записано в конечных разностях C u FC i1 i t i i u , (12) zV ii где i=1,2,Е n,- n - число ячеек (шаг интегрирования); z - длина ячейки;
i Из уравнения (12) получена концентрация дисперсной фазы в i-й ячейке C i . (13) i u az t i 1 u где u F V a- объемный коэффициент, 1/с, a- удельная поверхность, м2/м3.
t С учетом принятых допущений по выражению (13) вычисляется профиль концентрации частиц по длине контактного устройства. Определив конечную концентрацию находится КПД (1).
С/Сн На рис. 1 дано сравнение расчетного и экспериментального профиля концентрации частиц по длине канала. Частицы красителя уранита с dч=9мкм; диаметр трубы 15,75 мм; скорость газа 18,1 м/с; (С/Сн - в логарифмических координатах). Расхождение с опытными данными в пределах погрешности эксперимента.
Рис. 1. Профиль концентрации частиц. Сплошная линия расчет по выражению (13); точки - экспериментальные данные Sehme G.A.
z, м Следует отметить, что эффективность газоочистки (как и тепломассообменных процессов) часто связывают с гидравлическим сопротивлением рабочей зоны аппарата (т.е. за исключением местных сопротивлений). Такой подход получил название лэнергетический метод определения эффективности газосепараторов. По аналогии с процессами тепло - и массообмена степень очистки в энергетическом методе связывают с числом единиц переноса N :
1exp(N). (14) Зависимость связывают с удельными энергозатратами (Дж/м3) на осаждение N (улавливание) дисперсной фазы.
В теории массообмена число единиц переноса записывается в виде C d F N , (15) C C G CK где F- поверхность контакта фаз, м2; G- массовый расход газа, кг/с; - коэффициент массоотдачи, м/с, - плотность газа, кг/м3.
Так, например, для трубчатого контактного устройства: F=dL; G SV, где L- длина трубки, м; d- диаметр трубки, м;
S- площадь поперечного сечения трубки, м2, объемный расход газа, м3/с, u - средняя скорость газа, м/с. Из (15) число V- единиц переноса для газоочистки имеет вид (ut ~ ) 4utL N= ud и из (14) получено utL =1-exp- 4 (16) .
ud Следует отметить, что аналогичное выражение получено Медниковым и др. на основе теории турбулентной миграции частиц.
Для определения коэффициента переноса частиц (скорость миграции) ut использованы полуэмпирические зависимости Мс Сoy Hanratty ut 3,25104 22,9, (17) , ut 0,17, 22,9, (18) 2 где u* - безразмерное время релаксации; d 18 время - релаксации, с; u - приведенная скорость турбулентного осаждения ut ut u* ;
t u - динамическая скорость трения на стенке канала, м/с; - плотность частиц, кг/м3.
* Одним из основных параметров в выражениях (17) и (18) является динамическая скорость, которая находится обычно из уравнений баланса сил или используя среднюю скорость диссипации энергии.
Для осесимметрического потока в цилиндрическом канале известно выражение u ucp 8, где - коэффициент гидравлического сопротивления.
* Рассматривая трубчатое контактное устройство с ленточным завихрителем записано условие баланса сил, действующих на газовый поток в проекции на вертикальную ось:
S Fcos, (19) где Sг - площадь поперечного сечения канала, м2; F - площадь канала (контакта), м2;
- касательное напряжение на стенке канала, Па; р- перепад давления, Па.
Движение газового потока во внутренней поверхности контактной трубки происходит по спирали с углом подъема винтовой линии arctgd. (20) S где S- шаг ленточного завихрителя, м.
Из (19) получена динамическую скорость ( u ):
* pS. (21) u* F cos Для мелких капель с по (17) получена безразмерная скорость:
ut p S d d ut 3,25104()2 3,25104u* 2 3,25104 2 2.
18 18 F cos (22) Отсюда скорость турбулентного осаждения равна:
ut 2, p S d (23) ut 3,25104 18 .
F cos Эффективность сепарации из выражения (16) при 22,9 (мелкие капли):
2, L p S d . (24) t 1 exp1,3103 du F cos 18 При 22,9 из (18) и (21) имеем pS (25) ut 0,17u* 0,17.
F cos Выражение для эффективности сепарации (крупные капли) получено в виде:
0,5 L pS t 1 exp 0,68. (26) du F cos В третей главе рассмотрена конструкция комбинированного газосепаратора.
По принципу действия почти все применяемые в промышленности сепараторы являются комбинированными, так как в каждом из них при осаждении капель жидкости из газового потока используется несколько механизмов. Удаление капельной влаги из газовых сред осуществляется в так называемых сепараторах очистки осушки газа.
В диссертации разработан комбинированный сепаратор осушки газов от капельной влаги (рис. 2) и методы расчета эффективности сепарации жидкой фазы.
Сепаратор работает следующим образом. Исходная газожидкостная смесь поступает во внутреннюю трубу 1 сепаратора через патрубок 3. Далее смесь, минуя направляющую решетку 4, где происходит выравнивание потока, поступает на секцию нерегулярных насадок Инжехим (рис.3) 5, где происходит укрупнение капель жидкости Рис. 2. Сепаратор очистки газов от жидкой фазы:
1 - внутренняя труба, 2 - корпус, 3 - входной патрубок, 4 - направляющая решетка, 5 - секция нерегулярных насадок, 6 - трубки с ленточным завихрителем, 7 - патрубок выхода отделенной жидкой фазы, 8 - сетчатый демистер, 9 - патрубок выхода очищенного газа.
После секции насадок смесь проходит через трубки с ленточным завихрителем 6.
Жидкая фаза осаждается на внутренней стороне стенок трубок за счет центробежной силы (при скорости газа больше 30 м/с), вызванной ленточным завихрителем, и стекает в нижнюю часть аппарата под действием силы тяжести. Через патрубок 7 отделенная жидкость покидает аппарат. Очищенный газ через сетчатый демистер 8, предотвращающий вторичный унос жидкой фазы, покидает внутреннюю трубу 1 и выходит из аппарата через патрубок 9.
Направляющая решетка представляет собой проницаемую поперечную перегородку из металлического листа с отверстиями. Коэффициент сопротивления направляющей решетки от 4,9 до 5,9, вследствие чего, по численным исследованиям Фарахова М.И., за решеткой не наблюдается зоны циркуляции потока. В качестве контактных устройств в насадочной секции используются нерегулярные металлические насадки Инжехим (рис.3.). Трубки с ленточным завихрителем установлены на тарелке. Сетчатый демистер расположен по периметру между центральной трубой и корпусом аппарата под углом 45 и состоит из мелкой сетки, уложенной в пакет.
Рис. 3. Нерегулярная насадка Инжехим.
По разработанному алгоритму с использованием полученных выражений произведены расчеты эффективности сепарации различных газожидкостных смесей в разработанном аппарате. Результаты расчетов представлены на рис. 4 -7.
.
0,0,0,0,0,0, Рис. 4. Зависимость эффективности 0,0,2 сепарации в насадочной секции от удельной 0,поверхности насадки для частиц различного размера: 1 - частицы размером 1 мкм;
100 200 300 400 500 600 700 800 900 102 - частицы размером 2 мкм; 3 - частицы размером 3 мкм;
На рис. 4 показана зависимость эффективности сепарации дисперсной фазы в насадочной секции от удельной поверхности насадки Инжехим для частиц размером av от 1 до 3 мкм. В расчете использовалась модельная система воздух + вода при скорости газа 5 м/с.
Таким образом, установлено, чем больше удельная поверхность насадочного слоя, тем выше эффективность очистки. В дальнейших расчетах используется удельная поверхность насадки равной 800 м2/м3, что соответствует номимальному размеру одного насадочного элемента ~ 8 мм.
На рис. 5 представлена зависимость комплекса энергоэффективности газоочистки /P от скорости газожидкостной смеси в насадочной секции для различных насадок.
Видно, что наиболее рациональным является использование насадки Инжехим с номинальным размеров 8 мм.
0,0000,0000,0000,000 Рис. 5. Зависимость /P от 0,000скорости газа в насадочной 0,000секции для различных 0,00001 насадок:1 - Инжехим 8 мм;
2 - кольца Рашига 8мм;
u м/с Г 3 - Инжехим 24 мм; 4- кольца 2 3 4 5 6 Рашига 25мм.
В данном примере рассчитывалась система воздух с каплями воды. Установлено, что эффективность сепарации частиц размером более 3 мкм выше 0,9. На рис. представлена зависимость эффективности сепарации частиц от скорости газожидкостного потока в секции трубок с ленточным завихрителем для аэрозольных частиц размером от 1 до 3 мкм.
Эффективность сепарации / P 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,15 20 25 30 35 1 2 3 Рис. 6. Зависимость эффективности Рис. 7. Фракционная эффективности сепарации аэрозольных частиц воды от сепарации капель воды из природного газа.
скорости газа в трубках: 1 - частицы На графике видно, что довольно высокая размером 1 мкм; 2 - частицы размером 2 эффективность очистки наблюдается для мкм; 3 - частицы размером 3 мкм; 4 - частиц размером более 3 мкм. Скорость частицы размером 4 мкм. газа 35 м/с.
На графике видно, что при скорости газа более 40 м/с эффективность сепарации достигает значений 0,98-0,99. На рис. 7 приведена фракционная общая эффективность сепарации капель воды из природного газа сеноманской газоносной толщи, содержащего 5 % влаги.
В четвертой главе рассмотрен пример использования разработанного комбинированного газосепаратора при энергосберегающей модернизации теплотехнологической схемы с колоннами ректификации в производстве фенола и ацетона на ОАО Казаньоргсинтез. Также рассмотрена энергосберегающая модернизация теплотехнологической схемы ректификации на установке получения моторных топлив Сургутского завода стабилизации газового конденсата (ЗСК).
На ОАО Казаньоргсинтез концентрирование гидроперекиси изопропила бензола (ГПИПБ) проводят на двух ректификационных колоннах под вакуумом. Поступающий оксидат объединяют с возвратной изопропилбензольной фракцией - дистиллятом второй по ходу колонны в емкость под атмосферным давлением и подают в первую колонну.
Дистиллят первой колонны - возвратную изопропил-бензольную фракцию - с содержанием ГПИПБ до 6,4 мас. % возвращают на узел окисления, а кубовую жидкость подают на вторую колонну. Кубовую жидкость второй колонны концентрируют до содержания 89-90 мас. %. ГПИПБ и направляют в производство фенола и ацетона, а дистиллят возвращают на первую колонну концентрирования через емкость, где он объединяет с оксидатом.
По данному способу выработка концентрированного ГПИПБ в пересчете на 100% содержания основного вещества составляет соответственно при содержании ГПИПБ в оксидате на уровне 20 мас. % и расходе 9046 кг/ч, при содержании 28 мас. % и расходе 13069 кг/ч.
Как показывает промышленная эксплуатация установки концентрация гидропероксида в готовом продукте практически не достигает 90 мас. %, а расход греющего пара в кипятильнике колонны составляет 9,6 т/ч.
Рассмотрен вариант: дросселирование и далее разделение в газосепараторах проводят как перед первой, так и перед второй ректификационными колоннами с отбором газовой фазы в количестве 19-21 мас. % от поступившего оксидата.
Двухступенчатое дросселирование оксидата с использованием газосепараторов позволит увеличить производительность установки по концентрированию гидропероксида кумола на 10-12%, поднять концентрацию ГПИПБ товарного продукта на 2 абс. % и снизить расход водяного пара на 0,9-2,1 т/т гидропероксида (или всего 7,т/ч вместо 9,6 т/ч). Суммарная максимальная экономия составит около 46160 кВт на установку.
Далее рассмотрено использование газосепаратора на установке получения моторных и котельных топлив (УМТ) Сургутского завода стабилизации газового конденсатора.
УМТ, входящая в состав комплекса производства моторных топлив Сургутского завода стабилизации конденсата (ЗСК), предназначена для переработки стабильного конденсата, производимого на установках стабилизации конденсата, с получением фракции начала кипения (НК) -700С - компонента автобензина, бензиновой фракции 851600С, керосинной фракции 140-2400С, дизельной фракции >3400С- тяжелого остатка переработки.
Исходная смесь поступает в колонну испаритель И-1- и далее пары с верха испарителя в колонну ректификации К-3, а снизу жидкая фаза в колонну К-1. Как следует из расчетов унос жидкой фазы в испарителе при максимальной нагрузке составляет 0,2 кг/кг (20%), что является недопустимой величиной и создает повышенный расход энергии. Поэтому после испарителя предложена установка сепаратора. Сепаратор предотвратит попадание жидкой фазы с верха И-1 в колонну К-3. Это обеспечит экономию тепловой энергии 5500 кВт (снижение энергозатрат на 12%).
Основные результаты и выводы:
1. Рассмотрен метод оценки энергетическо-сепарационной эффективности аппаратов газоочистки. Для этого предложено использование фактора интенсивности сепарации и энергетического коэффициента (аналог Кирпичева). Использование этих коэффициентов позволит обосновано выбирать режимные и конструктивные характеристики газосепараторов, при условии удовлетворения техническому заданию на очистку газов по начальной и конечной концентрациям.
2. Для определения эффективности аппаратов очистки газов от тонкодисперсной фазы рассмотрена турбулентная диффузия частиц и энергетический метод расчета КПД газосепараторов.
3. Подробно рассмотрена энергетическая и вероятностно - стохастическая модели и теория турбулентной миграции частиц. На основе использования полуэмпирических выражений зарубежных авторов получены расчетные формулы эффективности очистки газов в вихревых контактных устройствах.
4. На основе использования одномерного уравнения массопереноса тонкодисперсной фазы получено решение в конечных разностях для вычисления профиля концентрации частиц по длине контактного устройства. Полученное решение удовлетворительно согласуется с данными по эффективности с использованием вероятностно-стохатической модели и с экспериментальными данными.
5. Разработана конструкция комбинированного сепаратора очистки газов от жидкой фазы и представлен алгоритм его расчета.
6. Произведены расчеты реальных процессов: сепарация масляного аэрозоля из этилен-хладоагента; осушка природного газа. По результатам расчетов наблюдается высокая эффективность очистки газов в комбинированном сепараторе.
Таким образом, комбинированный сепаратор обеспечивает высокую эффективность (98-99%) удаления жидкой фазы размером более 3 мкм, а масляного аэрозоля более мкм, имея при этом относительно небольшие геометрические размеры и низкое гидравлическое сопротивление, а, следовательно, и энергозатраты на эксплуатацию.
7. Показаны примеры энергосбережения (по греющим агентам) на ректификационных установках предприятий ТЭК с использованием разработанного газосепаратора. За счет более рациональной подачи газовой (паровой) и жидкой фаз в массообменные колонны обеспечивается снижение энергозатрат на 12-22%.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
Патенты:
1. Патент на изобретение № 111023 от 21.06.2011 А.Г. Лаптев, М.М. Башаров, М.М. Тараскин, А.Р. Исхаков. Сепаратор осушки газов от капельной влаги.
Опубликовано 10.12.2011.
В изданиях из перечня ВАК РФ:
2. Лаптев А.Г., Минигулов Р.М., Тараскин М.М. Сепарационная и энергетическая эффективность аппаратов газоочистки // Вестник ИГЭУ.-2011.-№1. - С. 20-22.
3. Минигулов Р.М., Тараскин М.М., Лаптев А.Г. Снижение энергозатрат при комплексной подготовке природного газа // Изв. ВУЗов: Проблемы энергетики. -2010.
-№ 7-8. - С. 84-87.
4. Минигулов Р.М., Тараскин М.М., Фарахов М.И. Очистка газов от жидкой дисперсной фазы комбинированным сепаратором// Изв. ВУЗов: Проблемы энергетики.
-2010. № 3-4.-С 3-7.
В других изданиях:
5. Минигулов Р.М., Лаптев А.Г., Тараскин М.М. Внедрение научно-технических разработок при добыче и подготовке природного газа // Вестник Казанского государственного энергетического университета.-2009.-№3.-С. 8-13.
6. Башаров М.М., Тараскин М.М. Энергосбережение при концентрировании гидропероксида изопропилбензола в производстве фенола и ацетона // Вестник Казанского государственного энергетического университета.-2012.- №1.-С.13-17.
В материалах конференций:
7. Тараскин М.М., Исхаков А.Р. Определение эффективности очистки газов от тонкодисперсной жидкой фазы // Сборник трудов ММТТ-24. г. Саратов: СГТУ. -2011. -Т.
4. -С.116-117.
8. Минигулов Р.М., Тараскин М.М., Лаптев А.Г. Энергосбережение на установках очистки природного газа в районах крайнего севера // X международный симпозиум Энергоресурсоэффективность и энергосбережение г. Казань.-2009.-С. 282-286.
9. И. Асибаков, М.М. Тараскин. Модель сепарации мелких капель при очистке газов и паров // 16 межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. М.:МЭИ.-2010. -Т. 3.-С. 148-150.
10. Лаптев А.Г, Минигулов Р.М., Тараскин М.М. Математическая модель очистки газов от дисперсной среды вихревыми элементами // Сборник трудов ХXIII Международной научной конференции Математические методы в технике и технологиях - ММТТ - 23, - Белгород: БГТУ. -2010. -Т.4. секция 4. ЦС.57-59.
11. Крылова А.Н., Тараскин М.М. Энергосбережение на установке осушки природного газа // меж. молод. науч. конференция XVIII Туполевские чтения , Казань, КГТУ. -2010. -Т.3. - С. 145-147.
12. Тараскин М.М. Определение эффективности очистки газов и паров от дисперсной среды вихревыми элементами // Материалы докладов V-й Международной молодежной научной конференции Тинчуринские чтения В 2 т. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т. -2010.
-С.161-162.
13. Тараскин М.М. Сепарационная и энергетическая эффективность аппаратов газоочистки // Тезисы докладов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, 17-я межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. М.: МЭИ.-2011.-Т.3.-С. 140-142.
14. Тараскин М.М., Лаптев А.Г Энерго- и ресурсосбережение за счет очистки природного газа от дисперсной фазы // Материалы докладов VI Цй всероссийской науч.-техн. студ. конф.
Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии -Казань:
Казан. госуд. технол. ун-т. -2010. -С.157-159.
15. Башаров М.М., Тараскин М.М., Исхаков А.Р. Модели переноса дисперсной фазы в газах // Актуальные инженерные проблемы химических и нефтехимических производств и пути их решения: материалы Всероссийской научно-практической конференции.- Нижнекамск: НХТИ.-2012.-С.10-12.
16. Башаров М.М., Тараскин М.М. Энергосберегающая очистка газов в нефтехимическом комплексе// Актуальные инженерные проблемы химических и нефтехимических производств и пути их решения: материалы Всероссийской научнопрактической конференции.- Нижнекамск: НХТИ. -2012. -С.83-85.
17. Тараскин М.М., Исхаков А.Р. Очистка газов от аэрозолей в насадочных и вихревых аппаратах// Материалы докладов VII-й Международной молодежной научной конференции Тинчуринские чтения В 2 т. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т. -2012. - Т.2, - С.153.
Подписано к печати ___.____.2012г. Формат 60 х 84 / Гарнитура Times Вид печати РОМ Бумага офсетная Тираж 100 экз. Усл. печ.л. 1 Уч.-изд. л. 1. Заказ №
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям