Энергоэффективное оборудование разделения и очистки веществ в химической технологии

УДК 66.048.37+66.015.23

М. И. Фарахов, А. Г. Лаптев

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ РАЗДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ ВЕЩЕСТВ В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Ключевые слова: колонное оборудование, сепарационное оборудование, насадки, математическое моделирование, тепломассообменные процессы.

Рассмотрены проблемы и задачи по технологическому аудиту, модернизации колонного и сепарационного оборудования на предприятиях нефтехимии. Статья посвящена 20-тилетию создания ИВЦ «Инжехим», одной из ведущих научно-производственных фирм РФ по созданию, исследованию и внедрению собственных научно-технических разработок. Представлен обзор монографий по математическому моделированию тепломассообменных и сепарационных процессов, а также с результатами промышленного внедрения новых конструкций контактных устройств и аппаратов.

Keywords: column equipment, separation equipment, tools, mathematical modeling, heat and mass transfer processes.

The problems and challenges of technological audit, modernization column and separation equipment at the enterprises of the petrochemical industry. The article is devoted to the 20 Anniversary of the establishment ITC "Inzhehim, one of the leading scientific and industrial companies of the Russian Federation on creation, testing and implementation of its own scientific and technological developments. Provides an overview of monographs on mathematical modeling of heat and mass transfer and separation processes, as well as with the results of commercial introduction of new designs of contact devices and apparatus.

Решением задач технологического аудита и модернизации оборудования в нефтегазохимическом комплексе активно занимается Инженерно-внедренческий центр «Инжехим» (инженерная химия), который образован и работает с 1991 года. В его состав входят профессора, доценты, аспиранты и научно-технические работники ряда ведущих вузов г. Казани. Имеется собственное производство по изготовлению инновационных научнотехнических разработок (контактных устройств тепломассообменных аппаратов, сепарирующих элементов аппаратов очистки газов и жидкостей и другого оборудования).

Основные направления деятельности центра «Инжехим»:

1. Модернизация действующего тепло- и массообменного оборудования в различных отраслях промышленности с целью получения новой продукции, снижения энергозатрат на единицу продукции, повышения качества получаемых продуктов и адаптации установок к изменению нагрузок и состава сырья, температурных режимов. Увеличение производительности и разделяющей способности действующих ректификационных и абсорбционных колонн, а также аппаратов с совмещенными процессами.

2. Разработка и внедрение высокоэффективного сепарационного оборудования для разделения дисперсных систем, содержащих нефтяные и газовые продукты. Обезвоживание нефти и нефтепродуктов и выделение следов нефти из водных стоков, отделение воды от нефти и нефти от воды, а также сгущения шламов.

3. Очистка сточных вод от вредных примесей.

4. Очистка газов от пыли и аэрозолей. Проектирование и изготовление промышленных аппаратов (циклонов, скрубберов, фильтров и др.) на любую производительность.

5. Разработка и внедрение высокоэффективного экстракционного оборудования.

6. Выполнение технологических расчетов тепло-массообменного оборудования. Разработка рабочих проектов и изготовление стандартного и нестандартного оборудования. Участие в пуске и опытно - промышленной эксплуатации.

ИВЦ «Инжехим» является членом Некоммерческого Партнерства Саморегулируемой организации в области энергетического оборудования «РусЭнергоАудит».

Технологический аудит производства это комплекс мероприятий по детальному обследованию действующего производства, проводимого для следующих целей:

1.Наращение мощности производства;

2. Адаптация производства к изменению состава сырья или требований к выпускаемой продукции;

3. Анализ возможности использования имеющегося технологического оборудования к изменению ассортимента или выпуску новой продукции;

4.Анализ возможности использования имеющегося технологического оборудования при изменении технологии производства;

5.Анализ существующего производства с целью выявления резервов ресурсо- и энергосбережения.

На заключительном этапе технологического аудита производиться экономическая оценка капитальных затрат на проведение предполагаемой модернизации с целью повышения производительности до заданного уровня, необходимое время для ее реализации и сроки окупаемости предполагаемой реконструкции.

Полученные при проведении технологического аудита результаты технологических расчетов составят основу исходных данных для проекта реконструкции производства с целью его расширения.

Одним из приоритетных направлений деятельности ИВЦ «Инжехим» является разработка и внедрение высокоэффективных регулярных и нерегулярных насадок для колонных аппаратов, а также барботажных тарелок (рис. 1, 2).

Фильтр

Брызго- ^ каплеулов и тел и

Распределители

жидкости

Массообменные

насадки

Опорные и прижимные решетки

Распределители ч газожидкостного

///////'/////А

///////'//////

ІЇ///////////Л

’улуХулу':##

'/////////////Л

Рис. 1. - Насадочная колонна с Рис. 2. - Тарельчатая колонна с

внутренними устройствами «Инжехим» внутренними устройствами «Инжехим»

Теоретические основы расчета аппаратов

Расчеты промышленных аппаратов выполняются по математическим моделям тепломассообменных процессов, разработанных авторами представленных ниже монографий [1-4].

В монографии [1] разработана методология сопряженного физического и математического моделирования промышленных аппаратов химической технологии, основанная на представлении физического процесса в виде совокупности элементарных явлений, обладающих иерархией масштабов, математическая структура которых инвариантна к взаимодействию и масштабу аппарата. Постулируется параметрическое взаимодействие явлений, сопряжение их осуществляется на основе вариационной формулировки законов сохранения, что позволяет решить задачу масштабного перехода при проектировании массо- и теплообменных аппаратов.

Получены оригинальные математические модели массотеплопереноса для барботажных, струйных, вихревых, пленочных и других аппаратов разделения жидких и газовых (паровых) смесей. Предложенные модели могут быть использованы при диагностике, управлении и проектировании, а также реконструкции массообменных аппаратов.

В монографии [2] рассмотрены процессы переноса импульса, массы и энергии в ламинарных и турбулентных пограничных слоях в рабочих зонах тепло- и массообменных аппаратов. Для математического описания данных процессов использованы различные модели (Прандтля, Кармана, Ландау - Левича и др.), а также гидродинамическая аналогия, обобщенная на градиентные течения.

Основное внимание сосредоточено на пограничных слоях на поверхности раздела двухфазных сред (газ (пар) - жидкость, жидкость - жидкость). Даны уравнения для расчета коэффициентов тепло- и массоотдачи при различных условиях взаимодействия фаз в тепло- и массообменных аппаратах, показаны примеры расчета и сравнение с опытными данными. Для расчета эффективности тепло- и массопереноса в промышленных аппаратах (насадочные, тарельчатые, вибрационные, градирни и др.) рассмотрены математические модели с использованием систем дифференциальных уравнений в частных производных. Даны результаты расчета и рассмотрены способы повышения эффективности тепломассообменных процессов.

В монографии [3] рассмотрены задачи математического моделирования процессов переноса импульса и массы в двухфазных системах жидкость - жидкость. Представлены основные закономерности гидродинамики и массообмена при жидкостной экстракции в колонных аппаратах. Даны уравнения для расчета коэффициентов массоотдачи в сплошной и дисперсной фазах, полученные на основе использования гидродинамической аналогии и модели диффузионного пограничного слоя.

Представлена модель многоскоростного континуума для расчета полей скоростей и концентраций в колонных экстракторах с ситчатыми тарелками и виброэкстракторах с насадкой ГИАП. Даны результаты расчета эффективности промышленных экстракторов и варианты модернизации аппаратурного оформления.

Внедрение научно-технических разработок

Сотрудниками ИВЦ «Инжехим» разработано и исследовано более десяти различных конструкций контактных устройств для модернизации колонного оборудования при проведении процессов ректификации и абсорбции (хемосорбции) различных смесей.

Насадки «Инжехим» внедрены в нескольких десятках массообменных аппаратах и газосепараторах. Например, за последние несколько лет:

- ректификационная колонна выделения фенола (2007 г.);

- две ректификационные колонны выделения гексена (2008 г.);

- пять ректификационных и две абсорбционные колонны получения формальдегида и изопрена-мономера (2006-2009 гг.);

- две абсорбционные колонны в производстве бутилкаучука (2008 г.);

- две колонны водной отмывки и охлаждения пирогаза (2008 г.);

- колонны получения товарного диоксида углерода (2007-2008 гг.);

- четыре ректификационные колонны разделения этаноламинов (2006 г.);

- газосепараторы очистки природного газа (2010 г.);

- колонна сероочистки природного газа (2011 г.);

- очистка товарного этилена от масляных аэрозолей (2011 г.) и др.

Результатами выполненных модернизаций является повышение качества продукции,

увеличение производительности и снижение удельных энергозатрат.

Так, например, в производстве фенола снижены энергозатраты на ректификацию (по греющему пару) на 40%, а в производстве этаноламинов более чем в два раза. При этом повышено качество продукции до мирового уровня.

Результаты исследований и внедрений научно-технических разработок даны в следующих монографиях [4-6].

В монографии [4] рассмотрены теоретические основы расчета при проектировании или модернизации промышленных установок разделения углеводородных смесей. Приводятся основные расчетные формулы гидравлических и тепломассообменных характеристик контактных устройств. Представлены конструкции тарельчатых и насадочных контактных устройств колонных аппаратов и методы расчета эффективности тепло- и массообменных процессов. Даны конструкции новых контактных устройств и результаты экспериментальных исследований гидравлических и массообменных характеристик. Показаны примеры модернизации промышленных ректификационных колонн, насадочных абсорберов и других тепломассообменных аппаратов, внедренных на предприятиях нефтехимии.

В монографии [5] описаны процессы разделения углеводородных смесей в тарельчатых и насадочных колоннах. Приводятся технологические схемы и аппаратурное оформление данных процессов. Даны математические модели и алгоритмы расчета ректификационных колонн с массообменными тарелками и абсорберов с различными типами насадок.

Модернизация массообменных аппаратов рассмотрена на примерах установок разделения углеводородных смесей Сургутского ЗСК; колонны щелочной очистки пирогаза в производстве этилена и ректификационной колонны в производстве изопрена.

В монографии [6] решены задачи расчета и модернизации промышленных установок разделения и переработки углеводородного сырья. Представлены математические модели для определения эффективности разделения смесей в тарельчатых и насадочных колоннах. Особое внимание сосредоточено на проблемах энергосбережения и повышения эффективности процесса ректификации. Дан обзор конструкций современных насадок и тарелок. Приведены результаты экспериментальных исследований новых насадок. Рассмотрены конкретные примеры модернизации технологических установок на Сургутском ЗСК и разработки мини - ТЭЦ.

В ИВЦ «Инжехим» большой объем НИОКР связан с математическим моделированием процессов очистки газов и жидкостей от дисперсной фазы, разработкой и внедрением аппаратов газо- и водоочистки. Разработанные конструкции аппаратов очистки газов от дисперсной фазы, а также тонкослойного отстойника даны на рисунках 3 и 4. Результаты исследований и внедрений научно-технических разработок представлены в нижеследующих монографиях [7-12].

В монографии [7] рассмотрены теоретические основы гидромеханики одно- и многофазных систем. Приводятся сведения по гидродинамике и теории пограничного слоя, очистке газов и жидкостей от дисперсной фазы. Даны конструкции аппаратов, методы и примеры расчетов (отстойников, фильтров, центрифуг, сепараторов, флотаторов, смесителей и т.д.). Представлены оригинальные конструкции сепарирующих элементов и распределителей фаз.

Представлены математические модели процессов разделения эмульсий в отстойниках, полей скоростей и брызгоуноса на барботажных тарелках, полей скоростей в ситчатых

экстракторах. Приведены результаты численного исследования процессов в промышленных аппаратах. Даны рекомендации по аппаратурному оформлению процессов.

Рис. 3 - Газосепараторы «Инжехим»

Рис. 4 - Вид тонкослойного отстойника «Инжехим»

В монографии рассматриваются [8] характеристики и свойства аэрозолей (туманов) и других газовых выбросов в промышленности. Представлены механизмы и математические модели физической коагуляции аэрозолей и осаждения дисперсной фазы в газах и жидкостях. Более подробно рассмотрен энергетический метод улавливания мелких частиц и вероятностно-стохастическая модель. Разработан новый метод определения скорости сепарации аэрозолей. Представлены выражения для расчета эффективности сепарации аэрозолей в аппаратах с насадочными элементами.

Решаются производственные задачи по очистке газов и жидкостей от дисперсной фазы на установках газоразделения в производстве этилена. Показаны примеры энергосбережения на промышленных установках за счет очистки газов от дисперсной фазы. Даны конструкции новых аппаратов-сепараторов и отстойников, и варианты модернизации существующих.

Представлены результаты численного исследования полей скоростей в отстойниках и сравнение с физическим моделированием.

Рассмотрены задачи очистки жидкостей от тяжелых и плавающих дисперсных частиц в отстойниках с сепарирующими элементами. Решена производственная задача по очистке нефтяных топлив от водной фазы, приводящая к энергосбережению при разделении углеводородных смесей.

В монографии [9] рассмотрены углеводородные смеси с элементами дисперсной фазы, образующиеся в процессах нефтегазопереработки и их влияние на эффективность работы промышленных установок. Кратко изложены способы очистки нефтепродуктов от водной фазы и твердых веществ. Основное внимание уделяется конструкциям и методам расчета тонкослойных отстойников. Даны результаты физического и математического моделирования работы отстойников. Сделан эксергетический анализ работы установки разделения ШФЛУ и рассмотрены способы повышения ее эффективности за счет сепарации дисперсной фазы из углеводородных смесей. Показаны примеры модернизации промышленных отстойников на Сургутском ЗСК, приводящие к повышению качества нефтяных топлив и энергосбережению при их получении.

В монографии [10] даны характеристики и свойства аэрозолей (туманов) и других газовых выбросов в промышленности. Представлены механизмы и математические модели физической коагуляции аэрозолей. Более подробно рассмотрен энергетический метод улавливания мелких частиц и вероятностно-стохастическая модель. Разработан новый метод определения скорости сепарации аэрозолей в аппаратах с насадками.

Решена производственная задача по очистке этилена-хладогента от масляного тумана на установке газоразделения в производстве этилена. Дана конструкция нового аппарата с насадочными элементами.

В монографии [11] изложена методология очистки стоков промышленных предприятий от нерастворимых твёрдых и жидких взвесей. Среди существующих методов очистки наибольшее внимание уделяется перспективному флотационному методу очистки стоков. Рассмотрены теоретические основы процесса флотации, аппаратурное оформление различных способов флотационной очистки, произведена оценка энергетических затрат. Предложены новые конструкции струйных флотационных аппаратов, методика их расчёта и определения эффективности.

В монографии [12] представлены типы и конструкции различных охладителей. Особое внимание уделено конструктивным особенностям градирен. Представлены математические модели испарительного охлаждения воды и основные методы расчетов градирен. Для решения проблемы масштабного перехода подробно рассмотрено применение модели многоскоростного континуума и полуэмпирической диффузионной модели для описания процессов переноса импульса, массы и тепла в промышленных градирнях с целью определения эффективности теплообмена с учетом неравномерности распределения воздушного потока. Для этого использован метод сопряженного физического и математического моделирования.

Проведена диагностика процесса охлаждения воды в промышленных градирнях и предложены варианты модернизации.

Выводы

Более чем двадцатилетний опыт работы авторов с промышленными предприятиями показывает, что повышение эффективности процессов и энергосберегающие модернизации действующих технологических установок путем оптимизации режимов и замены устаревших

контактных устройств на новые высокоэффективные могут быть выполнены во время плановых капитальных ремонтов оборудования в течение 10-15 дней. При этом, как правило, сохраняется существующая технологическая схема установки с основным и вспомогательным оборудованием.

Кроме отмеченных преимуществ отечественных научно-технических разработок также важными являются меньшая стоимость, чем зарубежных, сроки изготовления и поставки, участие коллектива авторов во внедрении и опытно-промышленной эксплуатации.

В заключении можно отметить, что технический аудит и модернизацию технологических установок в большинстве случаев можно выполнить, опираясь на научнотехнический потенциал вузов, научно-производственных фирм РФ и работников предприятий без привлечения зарубежных поставщиков оборудования.

Литература

1. Дьяконов, С.Г. Теоретические основы и моделирование процессов разделения веществ / С.Г. Дьяконов, В.И. Елизаров, А.Г. Лаптев. - Казань: Изд-во Казанского ун-та, 1993. - 437 с.

2. Лаптев, А.Г. Модели пограничного слоя и расчет тепломассообменных процессов / А.Г. Лаптев. -Казань: Изд-во Казан ун-та, 2007. - 500 с.

3. Лаптев, А.Г. Модели переноса и эффективность жидкостной экстракции / А.Г. Лаптев. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2005. - 229 с.

4. Лаптев, А.Г. Основы расчета и модернизация тепломассообменных установок в нефтехимии / А.Г Лаптев, М.И. Фарахов, Н.Г. Минеев. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2010. - 574 с.

5. Лаптев, А.Г. Проектирование и модернизация аппаратов разделения в нефте- и газопереработке / А.Г Лаптев, Н.Г. Минеев, П.А. Мальковский. - Казань: Печатный двор, 2002. - 250 с.

6. Ясавеев, Х.Н. Модернизация установок переработки углеводородных смесей / Х.Н. Ясавеев, А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2004. - 307 с.

7. Лаптев, А.Г. Гидромеханические процессы в нефтехимии и энергетике / А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов.

- Казань: Изд-во Казанск. ун-та, 2008. - 729 с.

8. Лаптев, А.Г. Разделение гетерогенных систем в насадочных аппаратах / А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов.

- Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2006. - 342 с.

9. Фарахов, М.И. Сепарация дисперсной фазы из жидких углеводородных смесей в нефтепереработке и

энергосбережение / М.И. Фарахов, А.Г. Лаптев, И.П. Афанасьев. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т,

2005. - 134 с.

10. Лаптев, А.Г. Очистка газов от аэрозольных частиц сепараторами с насадками / А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов, Р.Ф. Миндубаев. - Казань: Изд-во «Печатный двор», 2003. - 120 с.

11. Алексеев, Д. В. Комплексная очистка стоков промышленных предприятий методом струйной флотации / Д.В. Алексеев, Н.А. Николаев, А.Г. Лаптев. - Казань: Казан. гос. технолог. ун-т, 2005. -156 с.

12. Лаптев, А.Г. Устройство и расчет промышленных градирен / А.Г. Лаптев, И.А. Ведьгаева. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2004. - 180 с.

© М. И. Фарахов - д-р техн. наук, проф. каф. процессов и аппаратов химической технологии КГТУ, дир. ООО ИВЦ «Инжехим», ingehim@kstu.ru; А. Г. Лаптев - д-р техн. наук, проф. каф. технологии воды и топлива КГЭУ, зам. директора по науке ООО ИВЦ «Инжехим», tvt_kgeu@mail.ru.