Исследования батарейного сепаратора с циклонными элементами для очистки природного газа от примесей

Для фракций (100-200 °С) показаны несколько большие отклонения рассчитанных значений физико-химических свойств от измеренных экспериментально, что объясняется повышенным присутствием аренов. Однако она не превышает 3 %.

Таким образом, предложенный подход к моделированию технологических свойств и модели регрессионной неаддитивности и "квазиаддитивности", соответствующие представлениям об образовании промежуточных сольватов и ас-социатов УВ, с высокой точностью описывают большой массив экспериментальных данных для нефтяных систем, в том числе, и существенно неавдитивных свойств нефтяных систем, прежде всего вязкости.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Крестов Г. А. Физико-химические свойства бинарных растворителей. /Справ, изд. - JI.: Химия, 1988. - 688 с.

2. Шахпаронов М. И. Введение в современную теорию растворов. - М.: ВШ. - 1976. - 296 с.

3. Куликова И. А., Сваровская Н. А. и др. Оценка энтальпийных характеристик нефтяных систем по данным калориметрических исследований. /Препринт № 6 ТФ СО АН СССР. - Томск: СО АН СССР. - 1991.-44 с.

4. Сваровская Н. А., Марасанова И. В. и др. Физико-химические основы прогнозирования неаддитивности свойств нефтяных систем. /Сб. научн. тр. по межвуз. НТК "Нефтегазовые ресурсы" - М.: ГАНГ. - 1994. - С. 181-185.

5. Kravtsov А. V., Svarovskaya N. A., Marasanova I. V. Studies on the Behavior of Liquid hydrocarbon. // React. Kinet. Cotol. Lett. - 1995. - Vol. 55. — N. 1. - P. 59-67.

6. Сваровская H. А., Марасанова И. В., Яблонский Г.С. Учет физико-химических закономерностей при моделировании свойств лёгких нефтяных систем. - Томск: ТПУ. - 1997. - 48 с.

УДК 66.01

ИССЛЕДОВАНИЯ БАТАРЕЙНОГО СЕПАРАТОРА С ЦИКЛОННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА ОТ ПРИМЕСИ

М.В. ВАСИЛЕВСКИЙ, А.Т. РОСЛЯК, Е.Г. ЗЫКОВ

В работе представлены результаты обследования промышленного сепаратора природного газа, установлены причины снижения эффективности пылеулавливания, проведены модельные испытания и определены возможные варианты повышения эффективности батарейных сепараторов.

Опыт эксплуатации крупнейшего в мире производства метанола из природного газа на Томском нефтехимическом комбинате выявил в первые годы важную проблему; связанную с преждевременным выходом из строя дорогостоящих компрессорных установок. Обследования, проведенные авторами статьи и работниками комбината, установили, что в поступающем из магистрального газопровода природном газе имеются твердые включения. Специально проведенные исследования по улавливанию из газопровода твердых примесей и их анализу показали, что твердые включения представляют собой частицы с размерами 1-5 мкм, которые активно агломерируют, в осадке - частицы 15-100 мкм. По результатам рентгеноструктурного анализа твердые включения являются частицами кварца, кремния и окислов железа (рп = 2,4 г/см3).

На входе в компрессор в соответствии с проектной технологической схемой установлен сепаратор для очистки газа от жидких углеводородных частиц. Он состоит из трех расположенных одна над другой секций: секция сбора примеси, секция ввода газа и распределения его по сепарирующим элементам, секция сбора и вывода очищенного газа. Сепарационные элементы рис.1) представляют собой циклончики с корпусом диаметром 57, высотой 190 мм, имеют выводной патрубок диаметром 35 мм и закручиватель, состоящий из трех лопастей, имеющих загиб от осевого направления на четверть оборота. Выводной патрубок во входной части имеет конфузор, так что зазор между корпусом и кромкой составляет 4,5 мм. Угол наклона на выходе из закручивателя р = 50°. Все лопатки циклончиков имеют одинаковое направление закрутки - по часовой стрелке. Конусная часть корпуса имеет высоту 40 мм, диаметр разгрузочного отверстия - 25 мм. Циклонные элементы расположены в корпусе сепаратора на окружностях в следующих количествах (г- радиус, п - количество элементов) (см. таблицу 1).

Таблица 1

2г 1240 1110 980 850 720 590 460 330

п 52 45 40 36 30 23 18 11

В секторе со стороны входа газового потока элементы отсутствуют. Периферийные циклончики расположены выше остальных приблизительно на высоту корпуса циклончика.

Газ поступает в распределительную камеру, проходит через циклончики и через центральные трубки очищенным выходит в сборную камеру.

В условиях поступления жидких частиц входное пространство образует первую ступень очистки. Частицы в распределительной камере взаимодействуют с выходными трубками циклончиков, осаждаются на них и стекают в циклончики. Неотсепарированные частицы проходят стадию выделения в самих циклончиках.

При этом в условиях образования подвижных пленок жидкости в сепа-рационных элементах они находятся в состоянии одинакового гидродинамического режима.

При вскрытии сепаратора обнаружилось, что на дне имеется слой спрессованной пыли с плоской поверхностью за исключением донного отверстия и отсутствием пыли в участке, соответствующем вводу газа в сепаратор. Уровень пыли составлял 2/3 высоты сферичного днища, причем по периферии, на расстоянии 1/3 от сопряжения с цилиндрической частью, пыль отсутствовала.

Такое состояние пылевого слоя показывает, что, начиная с некоторого момента, возникли сильные перетоки газа, причем эти перетоки носили струйный характер с направлением потоков от периферии в радиальном направлении и вверх в основной массив циклончиков, расположенных ниже периферийных.

Обследование циклонной насадки показало, что периферийные циклончики (п = 52) оказались в рабочем состоянии, т.е. чистыми, остальные, за исключением 6 элементов, оказались забитыми в части закручивателя. Три циклончика оказались забитыми полностью. Очевидно, что через периферийные циклончики и эти 6 элементов поток проходил с большой скоростью, так, что произошло истирание элементов. Причем в области сужения могло проходить накапливание частиц и разделение потока на две ветви вверх и вниз с увеличением крутизны потока. Интенсивное истирание элементов происходит в области сопряжения конической и цилиндрической части, причем все периферийные циклончики, а также 15 элементов, расположенных в переднем фронте со стороны входа газового потока, имели сквозные щели и канавки в этой области, Большое количество отложений имелось во входной камере на нижерасположенных элементах. Это могло произойти в условиях залпового поступления пыли, когда выходящие трубки задерживали пыль и она осаждалась сгустками, которые не могли пройти через циклончики. С внешней стороны выходных трубок абразивного износа нет. Нет износа и внутри трубок. Это говорит о том, что периферийные циклончики сепарировали пыль с достаточно высокой эффективностью, при этом большая часть газа проходила вместе с пылью через разгрузочные отверстия и в пылесборном пространстве перетекала в циклончики, расположенные на меньших радиусах. Причина забивки циклончиков - неравномерность поступления пыли, т.е. концентрации, а также большая неравномерность по крупности, так что поток разгружается по ходу движения. При этом циклончики переднего фронта находятся под большим перепадом, чем остальные и они в меньшей степени засорены, с другой стороны периферийные циклончики оказываются в меньшей степени загруже-ными пылью.

Износ внутренних трубок засоренных циклончиков незаметен, что свидетельствует о слабой закрутке потока или даже ее отсутствии. Последнее обстоятельство заставляет полагать, что вихри, поступающие в пылесборную камеру, взаимокомпенсируются, выделение частиц из потока затруднено из-за турбулизации и образования поперечных токов газа.

Был проведен анализ пыли, вынесенной из сепаратора. Частицы покрыты мазутно-битумной пленкой, плохо смачивались водой, седиментируются в воде частично. Такие частицы плохо рикошетируют и обладают повышенными абразивными свойствами.

Для выяснения сепарирующей способности газоочистителя были проведены исследования модели сепаратора и его элемента. Геометрические соотношения корпуса модели соответствовали.соотношениям промышленного сепаратора (масштаб 1:10). Однако элементы были выполнены в масштабе 1:2,1 и соответственно их количество оказалось

равным Мг = 2,1 к 11 , где М, и М2 - величины, обратные масштабам. Такой выбор обуславливается еле

м; ю2

дующими причинами. Уменьшение диаметра циклончиков до 5 мм вызывает масштабные эффекты, которые искажают данные о процессе сепарации. В этом случае течение неавтомодельно, размеры частиц пыли составляют заметные

доли процента от размеров ииклончика, преобладают силы адгезии. Необходимо, чтобы элемент работал в модели так, как и в натуре, т.е. порядок интенсивности разделения был одним и тем же [1|. Для каждого циклончика гидродинамика ниже пылевыводного отверстия определяется суммарными потоками моментов импульсов и полных импульсов от всех циклончиков, что в модели также выполняется.

На рис. 2 представлены схемы модели сепаратора и устройства для испытания элемента.

С

Рис.2

Корпус модели выполнен прозрачным, что позволило проводить наблюдения за поведением потоков в камере сбора пыли и в камере сбора очищенного газа. Приемник пыли в устройстве для испытания индивидуального циклончика также прозрачен. Для цементной пыли с а6 = 3.1 и 5М = 21 мкм (дисперсия и медианный размер) эффективность осаждения элемента составляла 88-92%, причем в приемнике наблюдалась интенсивная циркуляция пыли в меридиональных плоскостях. Элемент, в котором отсутствует конфузор, обладает меньшей эффективностью осаждения (75-79%) и тоже дает хотя и слабые, но видимые циркуляции в приемнике.

По аналогии с [2] оценим величину 5, = 50 (размер частиц, масса которых в уносе составляет 50%), и величину 1§а, -стандартное отклонение величины 1я8 в распределении г)гр(8) - фракционной эффективности сепарации частиц [3].

Причем т(Д8) = Ф(£) - интеграл вероятности нормального распределения величины х, х = 1§(8/8,=м)/1Еа,г

Общая эффективность г|г, = Ф(х0); *0

1 &8м/8п

(V

+ <т5 г

13].

Учитывая, что тангенциальная скорость потока после закручивателя равна м^бР, а плановая скорость »со: /о); ъ = го/Я - отношение радиусов выводной трубки и корпуса, получим:

Ъ-гч

"17=50

0.5

<у„

4

\-гЛ

0.25

В этих формулах V- коэффициент кинематической вязкости, р, - плотности газа и частиц, и>га - скорость газа во входном сечении кольцевого канала, А = А/2 Л - расстояние от входного сечения газоотводной трубки до пылевыводного отверстия, - показатель степени в уравнении распределения вращательных скоростей по радиусу. Для условий эксперимента примем следующие значения:

Р

Я

\ 0.5

1.И-ВХ р5 2-И)

(

1.5-10 1.2 0.0125

ч0.5

2400 2-2

2.16-10~6(м).

Для элемента, подобного рабочему, гЦ « 0.6, р а 40°, учитывая не полную закрутку потока лопатками (просвет, не перекрываемый лопатками составляет 30%) tg(3 = 0.84. Расчет показывает, что для этих условий 8г50 = 4.75-10 6м; ст, = 1.68; хо = 1.18; %= 0.88. Поскольку элемент при индивидуальном испытании оказался не достаточно эффективным, был испытан циклончик cñ¡= 0.45 и двухзаходным винтовым закручивателем с tgfi = 3.1. Он формировал короткий факел, не создавал видимых поперечных (меридиональных) циркуляций в приемнике. Распределение пыли оказалось равномерным по периферии приемника и небольшим "холмом" в центре. Общая эффективность улавливания 98-99%. Расчеты показали следующие результаты: 5гЯ = 1.29-10"'; ст, = 2.1; х0 = 2.04; г|() = 0.98.

Эффективность пылеулавливания в модели батарейного газоочистителя определялась как отношение веса уловленной пыли к весу пыли, прошедшей через циклончики, который определялся как разница весов пыли, поданной в аппарат и осевшей в раздающей камере. Также определялись расход газа и сопротивление аппарата. Для цикпончиков, подобных изображенным на рис. 1, с трехлопастным закручивателем и входным конфузором на газоотводной трубке эффективность не превышала 77% (кривая I1 на рис. 3).

При отсосе запыленного воздуха из приемника в количестве 4% от поступившего эффективность увеличилась до 81% (кривая 1" на рис. 3). Визуальные наблюдения не удалось провести из-за сильного взмучивания пыли в приемной камере, хотя слой выделявшейся пыли просматривался.

Для циклончиков с трехлопастными закручивателями без конфузоров эффективность составляла 74% (кривая 2' на рис. 3), а с отсосом запыленного газа в количестве 4% от поступившего поднялась до 78% (кривая 2"). Наблюдения показали, что выход пыли в приемник из циклончиков был прерывист, однако явных перетоков заметно не было.

П

Рис. 3

Для обоих типов циклончиков эффективность осаждения пыли в диапазоне скоростей и>0 =.3-8 м/сек возрастала незначительно.

Были также применены циклончики с дврзаходным винтовым закручивателем (кривая З1 и 3" - с отсосом 4%). Эффективность пылезадержания батарейным аппаратом с этими циклончиками оказалась самой низкой, причем она увеличивается с ростом н>0. Наблюдения показали наличие перетоков и пыление дальних от входа циклончиков в камере очищенного газа.

Были проведены работы по определению степени загрузки пылью циклончиков. К пылевыводному отверстию каждого элемента присоединялся индивидуальный приемник в виде трубки диаметром 15 мм и длиной 100 мм. Уловленная пыль, попавшая в трубки, взвешивалась. Степень неравномерности распределения пыли по стоякам определялась по формуле:

Д£ = О

с р

Ц* п >=1

Здесь Стах, Сср - максимальное, минимальное и среднее значение весового расхода пыли в циклончиках.

Степень неравномерности в зависимости от концентрации пыли представлена на рис. 4.

Рис.4

Поведение кривой на рис. 4 показывает, что равномерность загрузки циклончиков пылью с увеличением концентрации частиц во входном потоке нарушается. Кроме того, с увеличением концентрации происходит фракционирование, поскольку выгруженная пыль из стояков отличалась по цвету. С увеличением концентрации возрастает сопротивление, т.к. в винтовых каналах происходит отложение пыли. Эти отложения возникают в результате попадания сгустков частиц после их сдува с внешней поверхности газоотводных трубок или при концентрировании частиц у поверхностей этих трубок.

Таким образом, в батарейном газоочистителе процессы сепарации проходят менее эффективно, чем для циклонов с индивидуальным приемником. Особенно это проявляется для высокоэффективных циклончиков с большим коэффициентом закрутки потока. Очевидно, что в этих элементах превалирующую роль играют эжекционные процессы, проходящие в приосевой области. В этой области напор имеет большое отрицательное значение, и в эту область газы поступают из сборной и приемной камер. Известны вихревые эжекторы, у которых при давлении на входе 0,3 МПа получено абсолютное давление 10" МПа (разряжение 0,00999 МПа). Поскольку осевые градиенты давления в вихревых камерах намного меньше радиальных, небольшие изменения в давлениях в выходных отверстиях потоков, которые зависят от распределения и уровня вращательной компоненты, которая в свою очередь зависит от запыленности потока, приводят к перетокам (циркуляции части газа между элементами). Причем потоки внутрь циклона идут также из газосборника (очищенный газ). Любые отклонения в размерах элементов могут привести к перетокам даже без пыли. Например, в [4,5] показано, что смещение выходного патрубка от оси на 0,4 мм значительно меняет гидродинамическую картину линий токов внутри циклона.

Элемент промышленного сепаратора относится к высокопроизводительным циклонным аппаратам с коэффициентом крутки 1). Гидродинамике этого элемента присущи все свойства противоточных циклонов, т.е. элемент обладает эжектирующей способностью потоков в приосевой области. Часть газа может эжектироваться из сборника очищенного газа в приемник пыли, тогда длина пылевого факела при коническом пережиме может достигать 20-2^ и более [6].

На рис. 5 представлена схема промышленного сепаратора, из которой следует, что факелы могут достигать дна.

470

о е

ю

о

ю

1051.

о

е

м

о ч<

Г"

о

<ч

01360

Рис. 5

Технические характеристики сепаратора следующие: расход 0=99624 нм3/ч; давление в сепараторе Р=1 МПа, плотность газа при нормальных условиях р0 = 0.709 кг/нм3; число элементов Ъп = 256; сопротивление при расчетном давлении 0,5 МПа - АР МПа.

То, что на выходе из пылевого отверстия факел имеет большую протяженность, следует из данных по эффективности сепарации пыли в модельном элементе с осаждением частиц в трубчатых приемниках различной длины представленных в таблице 2.

Таблица 2

длина приемника, мм 50 100 200

эффективность осаждения 61 75 91

Оценка сепарирующей способности по фракциям рабочего элемента с индивидуальным приемником может быть определена по формулам (1), (2). Расчетные данные приведены в табл. 3

Таблица 3

3-Ю6 7 14 28

X 0 1.33 2.67

0.54 0.91 0.99

Для рабочих условий:

р = 7.09кг/м3; р8 = 2400кг /лг3; 0О = 3600м3 /ч;

0п рл , V = 1,4 Л0~~5м2 /с,2  Я = 0.051 м :

вЕ=во~ = во-~ = 3600 • 2.767м3 / ч; Р , Р

^ • £ п = 20.3-10"4 -256 = 0.52м2; =5,32 м/с, ~го = 0.6, цг = 0.5, Ъ. =2, tg¡3 =0.84,

/1Есх; г](8) =Ф(х).

<5»,=5о = 6.99-10 (м); стч=1,68.

Исходя из анализа литературных данных по износу рабочих колес турбомашины, наиболее опасными с точки зрения износа являются частицы в диапазоне 70-120 мкм [7]. Эти частицы способны к жгутообразованию в каналах колес и не рассеиваются за счет рикошетирования. Элементы с трехлопастным закручивателем могут выделять частицы 30 мкм с эффективностью более 99% при условии отсутствия перетока и удалении отсепарированной пыли из приемника.

Опыт эксплуатации установок по переработке природного газа показал, что имеет место залповое поступление пыли, которое происходит в весенне-летний период из-за срыва отложений со стен газопровода, а также неудовлетворительной работы систем газоочистки [8].

В этой ситуации рассмотренный сепаратор перестал выполнять свою функцию из-за засорения части циклончи-ков и возникновении перетоков. Очевидно, что отвод части газа из подсепарационного пространства так же не решил бы проблемы.

Еще одним неблагоприятным обстоятельством явился абразивный износ циклончиков. Анализ технических показателей различных батарейных газоочистителей с циклонными элементами показал, что более надежными элементами являются циклоны фирмы "Энергоуголь" [9].

Такой циклон тоже создает длинный факел в пылесборнике. Каждый циклон имеет один полуулиточный ввод, который способствует организации симметрии течения, и меньший размер выходного патрубка при приемлемом коэффициенте гидравлического сопротивления. Как показал опыт эксплуатации многих газоочистительных систем на основе батарейных сепараторов с использованием этих элементов, засорение их не наблюдалось [9].

Применение диффузорного патрубка при выходе пыли сокращает длину факела. Применение индивидуальных стояков с затворами непрерывной выгрузки пыли способствует повышению эффективности обеспыливания в сепараторе до значения, равного эффективности обеспыливания в индивидуальном циклоне, при этом могут быть применены высокоэффективные элементы.

Были рассмотрены варианты разгрузителей потока от пыли при высоких концентрациях. Наиболее предпочтительным, с экономической точки зрения, оказалось техническое решение со встроенными инерционными сепараторами из V-образных элементов в отстойники на вводе в параллельные участки газопроводов.

При обтекании потоком этих элементов [10] у поверхности происходит концентрирование частиц, концентрат с частью газа попадает в ловушки, газ выходит вверх из отсека - обтекателя, а пыль из ловушек ссыпается вниз. Чем крупнее частицы, тем с большей вероятностью они выделяются из потока. В этом сепараторе [10] выделяются и достаточно мелкие частицы, однако эффективность их выделения зависит от равномерности поля скоростей потока и первоначальной турбулентности, которые зависят от положения запирающих органов. Этот сепаратор с V-образными элементами в силу конструктивных особенностей газохода не имел стабилизирующих поток направляющих лопаток, поэтому сепарирующие элементы находились в неодинаковых условиях. Предполагалось, что эти устройства будут полезными для диспергации сгустков частиц, которые поступают в систему, т.е. произойдет сглаживание пиков, выравнивание концентрации во времени после залпового поступления пыли.

В результате проведенных мероприятий по монтажу инерционных сепараторов, замене циклонных элементов, отвода 4% газа из подсепарационного отсека на печи риформинга, поступление крупных частиц в компрессор не обнаружено, износ рабочих колес незначителен.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Масштабный переход в химической технологии. Разработка промышленных аппаратов методом гидродинамического моделирования/ Под ред. A.M. Розена. М.: "Химия", 1980, 319 с.

2. Василевский М.В., Мштьцев А.К., Перков В.В., Танков Н.К., Богданов А.Л. Эффективность сепарации частиц в вихревых камерах//Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики (доклады Всероссийской научной конференции). Томск: изд-во Томского университета, 1998, С. 276-27?.

3. Справочник по пыле- и золоулавливанию/ Под. обшей ред. A.A. Русанова. - 2е изд. - №: Энергоатомиздат, 1983. - 312 с.

4. Смит мл. Экспериментальное изучение вихря в циклонном сепараторе. Техническая механика. Труды американского общества инженеров-механиков, русский перевод. 1962, № 4, С. 229-236.

5. Смит мл. Анализ вихревого потока в циклонном сепараторе. Техническая механика. Труды американского общества инженеров-механиков, русский перевод. 1962, № 4, С. 237-248.

6. Аэродинамика закрученной струи. Под ред. Р.Б. Ахмедова. М.: "Энергия", 1977.

7. Абрамов Ю.И., Балусов В.А.. Силин A.B. Некоторые закономерности износа и прогнозирования пылевой эрозии рабочих колес центробежных компрессорных машин. - Тр. ЦКТИ, 1980. Вып. 181. С. 91-100.

8. Шавкин Н.К. Очистка природного газа на магистральных газопроводах. - М., 1973.

9. Потапов О.П., Кропп Л.Д. Батарейные циклоны. - М.: "Энергия". 1977,152 с.

10. Страус В. Промышленная очистка газов. Пер. с англ. - М.: Химия, 1981,616 с.

УДК 533.6.01135

ИТЕРАЦИОННЫЙ МЕТОД РЕШЕНИЯ ОДНОМЕРНЫХ УРАВНЕНИЙ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ

В.М. ГАЛКИН

В рамках одномерной стационарной модели газовой динамики рассматривается течение в сопле Лаваля в режиме запирания. Полага-ется, что внутри рассматриваемой области существует только одна точка, в которой число Маха (М) равно единице, причем М вдоль сопла монотонно возрастает от дозвукового до сверхзвукового значения. Итерационный метод строится на основе поиска минимума дополнительной функции, обладающей единственным минимумом в точке М=1. Апробация проводилась путем сравнения с методом установления для двухфазного течения.

Введение

В настоящее время, несмотря на широкое использование двумерных и трехмерных методик при моделировании газодинамических течений, одномерные модели попрежнему остаются в арсенале численных методов. Одномерные модели широко используются при расчете двухфазных течений смеси газа и конденсата через дросселирующие устройства и сопла, при расчете эжекторных устройств со сверхзвуковым режимом истечения, при расчете течений с энергоподводом, при моделировании процессов в МГД генераторах. Прежде всего, это связано с тем, что одномерная