Повышение эффективности аппаратов и энергосбережение в производстве этилена

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ И ИНФОРМАТИКА

УДК 66.048.37

Башаров М.М., Зарипов Р.Т., Долгова А.Н.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АППАРАТОВ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭТИЛЕНА

В статье рассмотрены основные проблемы при производстве этилена и пути их решения. Представлены разработанные авторами структурированная контактная газожидкостная тарелка и нерегулярная насадка «Инжехим» и их применение в промышленности.

Ключевые слова: колонные аппараты, насадка, барботажная тарелка, ректификация, газо-разделение.

Одним из энергоемких процессов на предприятиях топливно-энергетического комплекса (ТЭК) является процесс получения этилена. Большинство действующих в настоящее время установок проектировались в 60-80 гг. прошлого столетия. За это время появились новые высокоэффективные контактные устройства, которые взамен устаревшим позволяют повысить качество разделения смесей, снизить гидравлическое сопротивление колонн и, что особенно важно, уменьшить энергозатраты на единицу выпускаемой продукции [1].

Повышение конкурентоспособности выпускаемой продукции и снижение энергозатрат на проведение процессов приводит к необходимости разработок новых технологий и аппаратурного оформления или модернизации действующих установок и производств. Второй путь характеризуется меньшими материальными затратами и сроками выполнения работ, однако использование новых технологий и аппаратов позволяет более эффективно и менее энергозатратно решать многие производственные задачи [2].

Большинство контактных устройств для использования в новых или модернизируемых тепломассообменных аппаратах предлагаются зарубежными фирмами ЗиЬет, Koch-Glitsh, Цзэхуа и др. Контактные устройства имеют большую стоимость и длительные сроки поставок.

16

В связи с этим актуальным является разработка, исследование и использование на предприятиях ТЭК отечественных контактных устройств, не уступающих по эффективности зарубежным, но с меньшей стоимостью [1].

Кроме этого, важной задачей является очистка технологических газов от дисперсной фазы, особенно аэрозольных частиц. При движении аэрозолей вдоль стенок аппаратов происходит осаждение дисперсной фазы на поверхностях оборудования. Тем самым повышается гидравлическое сопротивление и сопротивление теплопередачи.

Аналогичные проблемы наблюдаются в ОАО «Казаньоргсинтез», ОАО «Нижнекамскнефтехим» и других предприятиях, а также предприятиях теплоэнергетики при работе компрессоров при сжатии и транспортировании газов. Например, на ОАО «Казаньоргсинтез» в производстве этилена при работе холодильников, расположенных на участке низкотемпературного разделения пирогаза, где необходима очистка газа на различных стадиях процесса [2], а также необходимо повышение производительности аппаратов.

Участки производства, в которых сосредоточены перечисленные проблемы:

1. Пиролиз этана в трубчатых печах. В процессе пиролиза происходит глубокое расщепление предельных углеводородов, расщепление нафтеновых колец и интенсивная дегидрогенизация шестичленных парофинов с образованием ароматических углеводородов. В результате образуются преимущественно этилен, пропилен и сложная смесь жидких углеводородов, главным образом ароматических. Образовавшийся газ (пирогаз) охлаждают, после чего продукты пиролиза подвергают разделению и очистке. На данной стадии очистка газа от дисперсной фазы необходима ввиду угрозы засорения горелок в пиролизных печах. Кроме того, влажность газа также играет немаловажную роль [2].

При транспорте влажного газа по трубопроводам выделившаяся вода почти всегда ускоряет процесс коррозии труб, а лед и кристало-гидраты могут закупоривать клапаны, фитинги и даже сам газопровод, резко снизить или совершенно прекратить поступление газа к потребителю [3]. Поэтому содержание водяных паров в товарных природных газах регламентируется (точка росы по воде), так как конденсация воды нарушает нормальные условия эксплуатации объектов

17

добычи, транспортировки и переработки газа [4], а иногда приводят и к аварийным остановкам [5].

2. Компрессия и межступенчатое охлаждение пирогаза. Здесь необходима установка сепараторов для очистки газов в связи с тем, что работа компрессорного оборудования сопровождается частичным уносом масляной фазы с газовым потоком. Образуется масляный аэрозоль (туман). Последующая коагуляция масла вызывает снижение качества теплоносителей и получаемых продуктов, а также эффективности работы теплообменных аппаратов вследствие дополнительного термического сопротивления на поверхности теплообмена [2].

3. Щелочная очистка и осушка пирогаза. При работе узла очистки пирогаза от углекислого газа, сероорганических соединений и сероводорода при помощи 10%-го водного раствора щёлочи с массообменных колонн происходит частичный унос жидкой фазы, которая далее поступает на узел осушки. Поэтому для повышения срока службы осушителей необходима установка сепаратора для улавливания жидкой фазы. Также для увеличения производительности процесса осушки пирогаза необходимо провести реконструкцию контактных устройств в аппарате на более высокоэффективные.

4. Низкотемпературное разделение пирогаза. Поступающий из узла осушки пирогаз последовательно проходит холодильники, в которых охлаждается, а образованная газожидкостная смесь поступает в кубовую часть укрепляющей секции метановой колонны [2].

Ректификационная колонна К-302 предназначена для разделения этан-этиленовой и пропан-пропиленовой фракций. При увеличении нагрузки резко увеличивается унос жидкости (с 0,033 до 0,21 кг/кг), что существенно снижает эффективность разделения (до 10% относительных). Кроме этого, переливные устройства не справляются с увеличенной нагрузкой (допустимая ~ 38 т/ч, реальная ~ 49 т/ч). Следовательно, требуется реконструкция контактных устройств в верхней части колонны. Унос жидкости в нижней части колонны остается в пределах допустимого, однако большинство переливных устройств тарелок (кроме 4-5 нижних) не справляются с увеличенной нагрузкой по жидкости (например, допустимая нагрузка для тарелки №24 - 116 т/ч, а реальная - 124 т/ч). Требуется реконструкция тарелок с 4 по 25 (общее количество тарелок 46).

По приведенным в [1] данным ректификационная колонна К-303, предназначенная для получения этилена, при увеличении производительности установки газоразделения с 160 до 260 тыс. тонн этилена в год не обеспечивает заданное качество разделения. Содержание этилена уменьшается с 0,99966352 до 0,9966851 масс. долей. Число теоретических тарелок уменьшается с 25 до 21, а среднее КПД колонны падает с 0,25 до 0,2. Одной из причин является возросший унос жидкости (с 0,024 до 0,14 кг/кг), что снижает эффективность разделения до 7-8 % относительных. Также на эффективность работы тарелки влияют гидродинамические неоднородности, которые усиливаются при увеличении расхода жидкости и пара. Кроме этого, переливные устройства тарелок работают близко к максимально допустимому пределу (допустимая ~ 205 т/ч, реальная 192 т/ч при флегмовом числе 4,41). При увеличении флегмового числа переливные устройства не справляются с нагрузкой.

Ректификационная колонна К-305 предназначена для вторичной деметанизации этан-этиленовой смеси (удаляются легкие углеводороды). В верхней части колонны при повышении нагрузки унос жидкости увеличивается незначительно (до 0,04 кг/кг), за счет повышения столба жидкости эффективность разделения становится больше (на 7-8 % относительных). Однако, переливные устройства тарелок работают на верхнем допустимом пределе. Следовательно, требуется реконструкция контактных устройств в верхней части колонны. В нижней части колонны переливные устройства тарелок не справляются с увеличенной нагрузкой по жидкости (например, максимальная нагрузка 60 т/ч, а необходимая - 73 т/ч). Следовательно, требуется реконструкция тарелок в нижней части для увеличения предельных нагрузок на 25-30%.

5. Транспортирование товарного этилена на заводы ПНД и ПВД. На этом участке товарный этилен, поступающий с установок газоразделения, должен быть очищен от дисперсной фазы перед подачей его на заводы по производству полиэтилена.

Для очистки газов разработан сепаратор с насадочными контактными устройствами «Инжехим» [2]. Степень очистки газовой фазы от масляной фазы составляет выше 99%. Внедрение сепараторов дает положительные результаты на заводе «Этилен» и других производствах.

6. Модернизация ректификационных колонн. Для увеличения производительности и эффективности массообменных тарелок разрабатываются специальные конструкции переливных устройств, которые создают вторую зону контакта фаз. Переливы не доходят до основания нижележащей тарелки и имеют снизу отражательную пластину, которая обеспечивает распределение жидкости в межтарель-чатом пространстве в виде пространственной пленки, струй и капель. Контакт жидкости газа или пара с жидкостью происходит сначала в барботажном слое на тарелке, а затем в межтарельчатом пространстве. Для создания второй зоны контакта фаз выполнен расчет гидродинамических характеристик трубчатых контактных устройств. Установлено, что эффективность клапанной тарелки с учетом второй зоны контакта фаз увеличивается на 7-8%.

Рассмотрено несколько вариантов модернизации колонн К-302, К-303, К-305:

1. Установить в колонне на каждой тарелке в отверстиях клапанов (клапаны удаляются) вдоль сливной планки трубчатые ударные распылители жидкой фазы. Это обеспечит повышение предельной нагрузки по жидкой фазе:

• для К-302 - до 59 т/ч верха колонны и до 223, 4 т/ч низа колонны, эффективность разделения увеличится на 4-5 % в верхней части и на 6-7% в нижней части колонны;

• для К-303 до 235 т/ч верха колонны и до 220 т/ч низа колонны, тогда эффективность разделения смеси увеличится на 7-8%;

• для К-305 - до 32,5 т/ч верха колонны и до 78 т/ч низа колонны, эффективность разделения увеличится на 2-3% в верхней части и на 6-8% в нижней части колонны.

Для улучшения структуры потока жидкости на тарелке предложено изменить форму приемной планки, что повышает КПД тарелки на 8-9% (рис.1). Увеличение относительного свободного сечения тарелки за счет дополнительных отверстий в полотне дает повышение эффективности на 4-5%.

2/7

Рис.1. Вид сливной планки: к - высота сливной планки

Для реконструкции трех колонн при проектной нагрузке 160 тыс. тонн этилена в год потребуется 5582 штуки контактных элементов. За счет повышения КПД колонн экономическая эффективность при данном варианте реконструкции заключается в снижении расхода тепла в колоннах К-302 на 0,2 Гкал/ч, в К-303 на 0,57 ГКал/ч, К-305 на 0,1 ГКал/ч.; в итоге на 6960 Гкал в год. При увеличенной нагрузке до 260 тыс. тонн этилена снижение расхода тепла в колоннах составит: К-302 на 0,624 Гкал/ч, в К-303 на 0,96 ГКал/ч, К-305 на 0,113 ГКал/ч.; в итоге на 13576 Гкал в год. Однако, данный вариант реконструкции не снижает возросший унос жидкости в колоннах.

2. В связи с тем, что при увеличении производительности колонн значительно возрастает унос жидкости, что снижает эффективность разделения. Предложено заменить клапанные тарелки в верхней части колонн К-302, К-303 и в нижней части колонны К-305 (тарелки удаляются) на насадочные элементы, разработанные в России ООО ИВЦ «Инжехим» и представленные на рис.2 (т.к. многие известные типы насадок при повышенных нагрузках захлебываются). В нижней части колонн К-302, К-303 и верхней части К-305 следует выполнить реконструкцию, как предложено в первом варианте. В колоннах создать секции с новой насадкой, которые обеспечат высокую эффективность разделения. Кроме этого, перепад давления в колонне снижается на 10% и возможно ведение процесса при меньшем флег-мовом числе, что дает экономию греющего пара в кипятильнике.

Для реконструкции колонн требуется:

• для К-302 - 35 м насадочных элементов (2 секции высотой по 4,5 метров, между секциями устанавливается распределительная тарелка);

• для К-303 - 30 м3 насадочных элементов (1 секция высотой 10 метров);

• для К-305 - 27, 5 м насадочных элементов (2 секции высотой по 5,5 метров, между секциями устанавливается распределительная тарелка).

Рис.2. Вид насадочных элементов

За счет повышения КПД колонн при проектной нагрузке 160 тыс. тонн этилена в год экономическая эффективность при данном варианте реконструкции заключается в снижении расхода тепла в колоннах К-302 на 0,649 Гкал/ч, в К-303 на 0,6 ГКал/ч, К-305 на 0,248 ГКал/ч; в итоге на 11946 Гкал в год. При увеличенной нагрузке до 260 тыс. тонн этилена снижение расхода тепла в колоннах составит: К-302 на 1,13 Гкал/ч, в К-303 на 0,96 ГКал/ч, К-305 на 0,398 ГКал/ч; в итоге на 19904 Гкал в год.

3. Известно, что на обычных массообменных тарелках из-за гидравлического градиента уровня жидкости скорость газа (пара) меньше у приемной планки и выше у сливной. В частности для клапанных тарелок было установлено, что при скорости газа в свободном сечении колонны 1,0 м/с около 20% клапанов, а при 0,7 м/с - до 50% клапанов не участвуют в барботаже. Это приводит к тому, что большая часть жидкости проходит по тарелке без контакта с газовой фазой, т.е. тарелка практически не работает.

Для повышения эффективности работы барботажной тарелки по всей ее площади авторами предложено разделить полотно тарелки на 3 условные секции (рис. 3). Каждая секция имеет различное относительное свободное сечение отверстия, уменьшающееся по направлению движения жидкости по тарелке, что компенсирует влияние градиента уровня жидкости: а - 12%, б - 10%, в - 8%. Это способствует равномерному распределению потока жидкости по полотну тарелки, устранению застойных зон вблизи приемной планки и обуславливает интенсификацию процессов тепло- и массообмена [6].

Рис.3. Общий вид контактного устройства

Здесь а, б, в - условные секции контактного устройства; 1 - приемный карман; 2 - приемная планка; 3 - сливная планка; 4 - основание тарелки; 5 - отверстие тарелки; 6 - контактный элемент (фиксированный клапан) [7].

На рис.4 приведен разрез фиксированного клапана А-А. Крышка элемента 1 - расположена под острым углом а к основанию 3 и составляет с лапкой 2 тупой угол р. Сплошной стрелкой показано движение жидкой фазы L, пунктирной - движение газовой (паровой) фазы G.

Данная конструкция структурированной контактной газожидкостной тарелки за счет своих отличительных признаков обеспечивает решение поставленной технической задачи - повышение эффективности контакта фаз и интенсификации процессов тепло - и массооб-мена [8].

Рис.4. Разрез фиксированного клапана А-А: L - поток жидкой фазы; G - поток газовой фазы; 1 - крышка элемента; 2 - лапка элемента; 3 - основание тарелки; 4 - отверстие тарелки [6]

23

2

1

Предложено заменить клапанные тарелки в верхней части колонн К-302, К-303 и в нижней части колонны К-305 (тарелки удаляются) на структурированные контактные газожидкостные тарелки. В нижней части колонн К-302, К-303 и верхней части К-305 следует выполнить реконструкцию как предложено в первом варианте. В этом случае перепад давления уменьшится на 15 -20% (по предварительному расчету). Содержание продуктов разделения удовлетворяет требованиям действующего производства.

Для снижения энергетических затрат на разделение в колоннах производства «Этилен 200» необходимо уменьшить поток рецикла, отбираемый в виде пара из емкости Е-316, который содержит более 80% этилена. Для этого требуется увеличить степень конденсации паров, поступающих с верхней тарелки К-305 в теплообменик Т-334, т.е. необходима реконструкция или замена теплообменника Т-334.

Выводы. Таким образом, возможно два основных пути повышения эффективности разделения смесей и производительности промышленных массообменных колонн. Первый (минимальный) - путем изменения конструкции существующего контактного устройства. Второй - замена устаревших тарелок на высокоэффективную насадку или структурированную газожидкостную тарелку, что позволяет интенсифицировать процесс разделения веществ и снизить энергозатраты на единицу продукции.

Источники

1. Лаптев А.Г., Крылова А.Н. Энергоресурсосбережение при разделении различных веществ с использованием новых контактных устройств // «Повышение эффективности энергетического оборудования - 2012»: сб. тр. VII ежегодной Международной научно-практической конф. Санкт-Петербург, 2012. С.726-736.

2. Фарахов М.И., Лаптев А.Г. Высокоэффективные аппараты водо- и газоочистки в промышленности // Передовые технологии и перспективы развития ОАО «Казаньоргсинтез»: тезисы докладов междунар. юбилейной начно-практич. конф. Казань, 2008. С.86-89.

3. Саркисьянц ГА., Беньяминович О.А., Кельцев В.В., Кельцев Н.В., Полозков В.Т., Халиф А.Л., Ходанович И.Е. Переработка и использование газа. М.: Гортехиздат, 1962. 218 с.

4. Иканин С.А., Магарил Р.З. Совершенствование процесса осушки природного газа // Известия ВУЗов. Нефть и газ. 2005. №4. С.86-90.

5. Мурин В.И., Кисленко Н.Н., Сурков Ю.В. и др Технология переработки природного газа и конденсата. Справочник: В 2 ч. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. Ч.1. 517 с.

6. Лаптев А.Г., Крылова А.Н. Интенсификация процесса осушки природного газа с использованием новых контактных устройств // «Проблемы тепломассобмена и гидродинамики в энергомашиностроении»: материалы докладов VIII школы-семинара молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е.Алемасова. Казань, 2012. С.443-446.

7. Патент на полезную модель №116064 «Структурированная контактная газожидкостная тарелка» / А.Г.Лаптев, А.Н.Крылова, М.М.Фарахов. Заявка №2011151350, 20.05.2012.

8. Лаптев А.Г., Крылова А.Н. Структурированная контактная тарелка для разделения газожидкостных систем // «Актуальные инженерные проблемы химических и нефтехимических производств и пути их решения»: материалы докладов Всероссийской научно -практической конф., посвященной 30-летию механического факультета Нижнекамского химикотехнологического института. Нижнекамск, 2012. С.34-35.

References

1. Laptev A.G., Kry'lova A.N. E'nergoresursosberejenie pri razdelenii razlichny'h vesch'estv s ispol'zovaniem novy'h kontaktny'h ustroystv // «Povy'shenie e'ffektivnosti e'nergeticheskogo oborudovaniya - 2012»: sb. tr. VII ejegodnoy Mejdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konf. Sankt-Peterburg, 2012. S.726-736.

2. Farahov M.I., Laptev A.G. Vy'sokoe'ffektivny'e apparaty' vodo- i gazoochistki v

promy'shlennosti // Peredovy'e tehnologii i perspektivy' razvitiya OAO «Kazan'orgsintez»: tezisy' dokladov mejdunar. yubileynoy nachno-praktich. konf. Kazan', 2008. S.86-89.

3. Sarkis'yanc G.A., Ben'yaminovich O.A., Kel'cev V.V., Kel'cev N.V., Polozkov V.T., Halif A.L., Hodanovich I.E. Pererabotka i ispol'zovanie gaza. M.: Gortehizdat, 1962. 218 s.

4. Ikanin S.A., Magaril R.Z. Sovershenstvovanie processa osushki prirodnogo gaza // Izvestiya VUZov. Neft' i gaz. 2005. №4. S.86-90.

5. Murin V.I., Kislenko N.N., Surkov YU.V. i dr Tehnologiya pererabotki prirodnogo gaza i kon-densata. Spravochnik: V 2 ch. M.: OOO «Nedra-Biznescentr», 2002. CH.1. 517 s.

6. Laptev A.G., Kry'lova A.N. Intensifikaciya processa osushki prirodnogo gaza s ispol'zovaniem

novy'h kontaktny'h ustroystv // «Problemy' teplomassobmena i gidrodinamiki v

e'nergomashinostroenii»: materialy' dokladov VIII shkoly'-seminara molody'h ucheny'h i specialis-tov akademika RAN V.E.Alemasova. Kazan', 2012. S.443-446.

7. Patent na poleznuyu model' №116064 «Strukturirovannaya kontaktnaya gazojidkostnaya tarelka» / A.G.Laptev, A.N.Kry'lova, M.M.Farahov. Zayavka №2011151350, 20.05.2012.

8. Laptev A.G., Kry'lova A.N. Strukturirovannaya kontaktnaya tarelka dlya razdeleniya

gazojidkostny'h sistem // «Aktual'ny'e injenerny'e problemy' himicheskih i neftehimicheskih proizvodstv i puti ih resheniya»: materialy' dokladov Vsero ssiyskoy nauchno-prakticheskoy konf., posvyasch'ennoy 30-letiyu mehanicheskogo fakul'teta Nijnekamskogo himiko-tehnologicheskogo instituta. Nijnekamsk, 2012. S.34-35.

Зарегистрирована 27.11.2012.