УЗЕЛ ПОДГОТОВКИ ГАЗОПАРОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА
GAS, STEAM AND FLUID FLOW PREPARATION ASSEMBLY

Изобретение относится к оборудованию для подготовки неоднородного газопарожидкостного потока перед вводом в каталитический реактор или в машину подачи потока и может использоваться во всех технологических процессах с потоками «сложных» газопарожидкостных смесей и технологических линиях, включающих любой (по меньшей мере, один) из двух указанных агрегатов, например в линии подачи смеси в реактор гидрирования фенола при производстве капролактама.
6
6
2
Известны аналоги - узлы подготовки неоднородного газопарожидкостного циркуляционного потока перед подачей в трубчатые каталитические реакторы гидрирования фенола, описанные в работе Бадриана А.С., Кокоулина Ф.Г., Овчинникова В.И., Ручинского В.Р., Фурмана М.С., Чечика Е.И. «Производство капролактама», М.: Химия, 1977, стр.92, рис.25. Конструкции узлов подготовки потока аналогов включают: вертикальный испаритель фенола (СНО), поступающего в процесс в жидком агрегатном состоянии, со штуцерами ввода фенола (сбоку корпуса) и водорода (Н - снизу в днище), а также финишный теплообменник-перегреватель для окончательной температурной «доводки» газопарожидкостной смеси перед каталитическим реактором гидрирования. Указанные аппараты соединены трубопроводами с запорно-регулирующей арматурой.
6
6
2
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
Работа узлов подготовки-аналогов заключается в том, что подогретый жидкий фенол (СНО) с температурой 130÷140°С по передаточному трубопроводу вводится в испаритель. Туда же подается циркуляционный-реакционный газ (упрощенно - водород H). Барботируя через слой жидкого кипящего фенола (СНО), циркуляционный газ насыщается парами фенола и, частично захватывая с поверхности раздела фаз жидкокапельные фенольные фрагменты (со скоростью витания, соответствующей или меньше скорости потока), «устремляется» по технологическому трубопроводу в финишный теплообменник. В финишном теплообменнике неоднородный газопарожидкостный поток подогревается до температуры около 155°С (при двухстадийной схеме гидрирования на никель-хромовом катализаторе). При нагреве часть жидко-капельных фрагментов переходит в паровую фазу и смесь направляется в каталитический реактор гидрирования, где в трубках, заполненных катализатором, реализуется требуемое химическое взаимодействие - гидрирование с образованием одного целевого продукта производства капролактама - циклогексанона (СНО), или в смеси с циклогексанолом (СНО) - побочным продуктом производства (перерабатываемом затем в циклогексанон). В различных вариантах схем гидрирования: в одностадийной-селективной - сразу в циклогексанон (СНО) или в двухстадийной-неселективной - с получением смеси продуктов циклогексанона (СНО) и циклогексанола (СНО), при использовании различных типов катализатора в реакторе, оптимальные температурные интервалы подготовки потока могут изменяться.
Недостатком конструкций-аналогов является низкая безопасность технологического процесса, низкий срок службы катализатора (из-за спекания его верхних слоев в трубках), частые остановки линии для замены и высокая трудоемкость замены спекшихся слоев. Указанные недостатки причинно обусловлены неполным переходом в паровую фазу - проскоком через финишный теплообменник и попаданием в трубки реактора жидко-капельных фрагментов фенола, особенно в переходные моменты времени - существования неустановившихся режимов (пуска, повышения нагрузки и пр.). В установившемся режиме возможно объединение мелкообъемных фрагментов в крупные жидкофазные образования. Попадание жидкофазного фенола в трубки реактора приводит к спеканию принимающих его верхних слоев катализатора. Резко увеличиваются гидравлические сопротивления этих трубок. Перераспределяются расчетно-равные потоки парогазовой смеси по отдельным трубкам, и увеличивается давление в реакторе. При большом объеме проскока жидкой фазы возможно критическое локальное выделение тепла, приводящее к взрывному развитию процесса.
3
Наиболее близким по технической сущности решением, принятым за прототип, является узел подготовки неоднородного газожидкостного циркуляционного потока перед подачей в реактор - колонну синтеза аммиака (NН), описанный в работе Румянцева О.В. «Оборудование цехов синтеза высокого давления в азотной промышленности», М.: Химия, 1970, стр.39, рис.2.2 (в составе схемы агрегата синтеза аммиака с конденсационной колонной). На рис.2.2, стр.39 приведена схема агрегата синтеза аммиака, отличающаяся от приведенных в той же работе других схем (рис.2.1; 2.3 и др.) конструкцией узла подготовки и названная по основному аппарату этого узла - конденсационной колонне. Узел предреакторной подготовки циркуляционного потока в этой схеме в отличие от схемы аналога включает сепарационную камеру с трубопроводом ввода в нее неоднородной смеси. Сепарационная камера размещена в нижней части корпусного аппарата, верхняя часть которого выполнена в виде перегревателя - финишного трубного теплообменника (верхним днищем сепарационной камеры является трубная перегородка теплообменника). Объединенный аппарат позиционирован под названием конденсационная колонна. От теплообменника-перегревателя к реакционной колонне синтеза аммиака подведен трубопровод подачи отсепарированного нагретого газового потока. В нижней части сепарационной камеры смонтирован трубопровод слива жидкого продукта.
Работа известной конструкции прототипа состоит в следующем. Циркуляционный газожидкостный поток попадает в нижнюю часть конденсационной колонны - в расширенную сепарационную камеру. Так как поперечное сечение камеры в несколько раз больше сечения трубопровода, скорость смешанного газожидкостного потока резко уменьшается. Капельные фрагменты жидкой фазы, не поддерживаемые резко уменьшившимися скоростными-инерционными силами, под действием сил тяжести падают вниз, собираются на нижнем днище и выводятся из корпуса колонны - сепарационной камеры по трубопроводу слива жидкой фазы (жидкого аммиака). Одновременно освободившийся от жидкой фазы - отсепарированный газовый поток «уходит» вверх, попадает в трубное пространство перегревателя - финишного теплообменника, нагревается первичным более горячим продуктом, «проходящим» по межтрубному пространству, и передается в реактор-колонну синтеза аммиака. Особенность, упрощающая конструкцию узла подготовки неоднородного циркуляционного потока агрегата синтеза аммиака, заключается в том, что выводимая здесь жидкая фаза - жидкий аммиак - является целевым - конечным продуктом синтеза, который далее отводится на очистку и в складское хранилище.
Недостатком узла подготовки газопарожидкостного потока, принятого за прототип, является пониженное содержание - пониженная массовая доля паровой фазы в выводимом из узла подготовки готовом газопаровом потоке в случаях, когда паровая фаза (являясь парами отделяемой в узле жидкости) представляет необходимый реагент, подлежащий последующей переработке (т.е. сырцовый продукт, направляемый в реактор или машину подачи потока). Указанный недостаток узла подготовки неоднородного газопарожидкостного потока, известного из технологических схем агрегатов синтеза аммиака, обусловлен использованием в конструкции узла подготовки единственного гидродинамического эффекта - эффекта отделения жидкости от газообразной среды с разделением технологических линий движения этих потоков. В технологических процессах, где образующаяся жидкая фаза является первичным фазовым состоянием или конденсатом сырцовой (подлежащей подаче в каталитический реактор или машину подачи потока) паровой фазы, например в технологии гидрирования фенола, требуется возвращение жидкой фазы обратно в первичную расходную емкость. С последующим повторным введением ее в поток, направляемый в штатный испаритель (аппарат испарения). И, таким образом, к первому недостатку прототипа (пониженная нагрузка узла по массе паровой фазы) в выводном потоке добавляется другой - из-за необходимости защиты реактора или машины от попадания жидкости - узлом подготовки потока создается бесполезно циркулирующий контур жидкой фазы (сепарационная камера - первичная расходная емкость - испаритель - сепарационная камера).
Целью изобретения является повышение удельной нагрузки узла по массе паровой фазы в готовом газопаровом потоке (увеличение массовой доли паровой фазы в потоке) и исключение бесполезной циркуляции жидкости-сырца (источника паровой фазы) при использовании в технологиях, где паровая фаза - необходимый сырьевой компонент смеси, например в технологии гидрирования фенолом.
Указанная цель достигается тем, что в известном узле подготовки газопарожидкостного потока, включающем трубопровод и расположенные по ходу потока в трубопроводе сепарационную камеру и входную трубную перегородку горизонтального теплообменника-перегревателя, во входной трубной перегородке теплообменника-перегревателя выполнен, по меньшей мере, один канал от нижнего сегмента плоскости входной перегородки (расположенный ниже уровня трубок) к, по меньшей мере, одной заделанной в перегородке части трубки, причем ось канала в месте прохода через стенку заделанной части трубки отнесена от входной плоскости перегородки на полдиаметра трубки. Канал выполнен Г-образной формы с продольной и поперечной ветвями, полученными двумя операциями сверления с отглушкой торцевого (технологического) участка поперечной ветви. Поперечные ветви, по меньшей мере, двух Г-образных каналов, проведенные через стенки заделанных частей, по меньшей мере, двух нижних трубок теплообменника, соединены одной продольной горизонтальной ветвью канала, выполненной с большим диаметром и расположенной в самой нижней точке перегородки. По меньшей мере, один выполненный во входной перегородке канал снабжен патрубком, один конец которого герметично присоединен ко входному торцу продольной ветви канала, а другой конец патрубка опущен в углубленную нижнюю часть сепарационной камеры. Штуцер ввода теплоносителя в межтрубное пространство теплообменника-перегревателя расположен напротив тех трубок, заделанная часть которых во входной трубной перегородке дооснащена каналами.
Изобретение поясняется Фиг 1-7.
На Фиг.1 приведен продольный вид узла подготовки газопарожидкостного потока с трубной сепарационной камерой, эксцентрично расширенной вертикально вверх.
На Фиг.2 представлен продольный вид узла подготовки с расширенной вниз в виде «стакана» нижней частью сепарационной камеры.
На Фиг.3 изображен фрагмент поперечного вида реконструированного низа входной трубной перегородки с одной трубкой, дооснащенной Г-образным каналом, продольная ветвь которого размещена ниже уровня трубок (входа газопарожидкостного потока в пароперегреватель-теплообменник).
На Фиг.4 то же, что и на Фиг.3, но с тремя трубками, дооснащенными тремя раздельными Г-образными каналами.
На Фиг.5 то же, что и на Фиг.4, но с тремя поперечными ветвями каналов, замкнутыми на одну продольную горизонтальную ветвь (канала), выполненную с большим диаметром.
На Фиг.6 приведен фрагмент продольного разреза низа перегородки по обеим ветвям одного из каналов.
На Фиг.7 представлен продольный вид узла подготовки с расширенной вниз в виде стакана нижней частью сепарационной камеры, причем введенный канал (во входной трубной перегородке) дооснащен (соединен с одним концом) патрубком, второй конец которого опущен вниз стакана камеры.
Узел подготовки газопарожидкостного потока (по ходу вводимой в узел смеси) (Фиг.1; 2; 7) состоит из основного трубопровода 1 подачи смешанного газопарожидкостного потока, в который вставлена сепарационная камера 2 в виде трубной катушки. Сепарационная камера 2 может быть выполнена в виде эксцентричного расширения трубы 3 вверх (Фиг.1) или опущенным вниз накопительным стаканом 4 (Фиг.2; 7). Выход сепарационной камеры 2 (по движению потока) соединен с входным фланцем 5 перегревающего теплообменника 6, в котором размещена входная трубная перегородка 7. Теплообменник 6 является одноходовым по трубному пространству. В перегородке 7 заделаны концы трубного пучка - пучка трубок 8 (Фиг.3; 4; 5; 6). Во входной трубной перегородке 7 и, по меньшей мере, в стенке одной заделанной в нее части нижней трубки 8 выполнен, по меньшей мере, один Г-образный канал, состоящий из поперечной (по потоку) и продольной ветвей 9 и 10. Каждая из двух ветвей 9 и 10 получена одной операцией сверления. Сверление поперечной ветви 9 проведено до «протыкания» стенки трубки 8 насквозь. При этом технологический (по условию доступа сверления) участок 11 поперечной ветви 9 отглушен (заглушен), на Фиг.6 участок 11 мелко заштрихован. Ось поперечной ветви 9 канала Г-образной формы размещена во входной перегородке 7 теплообменника 6 на расстоянии, равном полдиаметра трубки 8. По высоте ось продольной ветви 10 канала Г-образной формы размещена ниже уровня трубок - т.е. входа газопарового потока в трубки 8. В вариантах, показанных на Фиг.4 и 5, каналами Г-образной формы дооснащены три нижних трубки 8 теплообменника 6, причем каналы по варианту, приведенному на Фиг.4, выполнены полностью раздельно. Продольные ветви 10 всех трех каналов размещены ниже уровня трубок - входа газопарового потока в трубное пространство теплообменника 6. В отличие от варианта Фиг.4 в варианте Фиг.5 у трех поперечных ветвей каналов Г-образной формы продольные ветви 10 объединены в одну общую ветвь, имеющую больший диаметр.
В варианте, показанном на Фиг.7, входное отверстие продольной ветви 10 канала Г-образной формы дооснащено патрубком 12, опущенным в нижнюю часть накопительного стакана 4 сепарационной камеры 2.
Ввод теплоносителя в межтрубное пространство одноходового (по трубному пространству) теплообменника-перегревателя 6 осуществляется по штуцеру 13. Вывод - по штуцеру 14. Штуцер ввода 13 расположен внизу напротив трубок 8, заделанная часть которых в трубной перегородке 7 дооснащена каналами Г-образной формы с ветвями 9 и 10.
Работа предложенного узла подготовки газопарожидкостного потока состоит в следующем. По трубопроводу 1 в трубную катушку с сепарационной камерой 2, выполненной в виде эксцентричного расширения трубы 3 вверх или накопительного стакана 4 вниз, подается неоднородный газопарожидкостный поток - поток, содержащий кроме газопаровой фазы жидко-капельные фрагменты сырцовой жидкости (жидкости - источника паровой фазы). При входе в сепарационную камеру 2, расширенную вверх (Фиг.1) или вниз (Фиг.2), в результате резкого увеличения проходного сечения скорость потока резко снижается. Жидко-капельные фрагменты, не поддерживаемые достаточными скоростными инерционными силами, выпадают в осадок - вниз - на нижнюю часть сепарационной камеры 2. «Отбитый» - отсепарированный от жидкости поток поступает на вход теплообменника 6, разделяется на струи, которые «заходят» в трубное пространство - в трубки 8 через входную перегородку 7. Газопаровые струи, входящие в трубки 8 (на начальном участке длины трубок 8) на расстоянии, приблизительно равном половине их внутреннего диаметра, сужаются до площади сечения, равного около 0,6 внутреннего проходного сечения трубок 8. В кольцевой пристеночной зоне каждой трубки 8, остающейся незаполненной газопаровым потоком, образуется условно вакуумное пространство (зона пониженного давления в сравнении с уровнями давлений перед входом в трубки 8 и на выходе из них). На верхних трубках 8 теплообменника 6, которые не дооснащены каналами Г-образной формы с поперечной 9 и продольной 10 ветвями, возникновение описанного эффекта не сопровождается его полезным использованием. (То есть механика движения струй отсепарированного газопарового потока в одноходовом по трубному пространству теплообменнике-перегревателе 6 в верхних трубках 8, не дооснащенных по перегородке 7 Г-образными каналами с ветвями 9 и 10, не отличается от работы известных устройств.) Отличия возникают в работе нижних трубок 8, дооснащенных Г-образными каналами по перегородке 7. Отсепарированный газопаровой поток, входящий в нижние трубки 8, также образует струи переменного сечения, т.е. также создает своим движением вакуумные зоны. Но вакуумные зоны нижних трубок 8 не остаются незаполненными - в них непрерывно автоматически подсасывается выпадающая в нижнюю часть сепарационной камеры 2 (участка трубы 3 по Фиг.1 или стакана 4 по Фиг.2; 7) сырцовая жидкость. «Подсасывание» сырцовой жидкости происходит автоматически по введенным (выполненным) во входной трубной перегородке 7 Г-образным каналам с ветвями 9 и 10, соединяющим образующиеся внутри трубочные, условно вакуумные пространства с нижней частью сепарационной камеры 2 - местом накопления выпадающей при расширительной сепарации жидкости.
В варианте на Фиг.7 для реализации подсоса из заглубленного стакана 4 сепарационной камеры 2 продольная 10 ветвь канала дополнительно оснащена герметично присоединенным патрубком 12, опущенным в стакан 4. В варианте, изображенном на Фиг.5, общей продольной ветвью 10 объединены вакуумные пространства трех нижних трубок 8. Всасывание по ветви 10 от сепарационной камеры 2 в данном варианте является общим до места пересечения с тремя поперечными ветвями 9, просверленными к различным трубкам 8. Естественно, диаметр продольной ветви 10 в этом варианте принимается больше диаметра ветвей 9.
Число трубок 8, дооснащенных Г-образными каналами, и диаметры ветвей 9 и 10 каналов определяются в зависимости от объемов жидкости, выделяющейся в сепарационной камере 2.
Сырцовая жидкость, попадая по Г-образным каналам в трубки 8, диспергируется (измельчается и рассеивается) в струях проходящего - транзитного газопарового потока. Многократно возрастает контактная поверхность измельченной жидкой фазы. Рассеивание в струе увеличивает объем несущей ее газопаровой фазы. Реализуются необходимые условия интенсивного теплообмена - поглощения тепла, передаваемого теплоносителем через стенки трубок 8 теплообменника 6 от нагреваемого межтрубного пространства.
Для концентрации наибольшего теплового вклада, отдаваемого теплоносителем на нижних трубках 8 с распыленной жидкой сырцовой фазой, требующих увеличенного теплоснабжения (для испарения дополнительной жидкости), штуцер 13 ввода теплоносителя в межтрубное пространство теплообменника 6 расположен напротив трубок 8, дооснащенных во входной трубной перегородке 7 каналами Г-образной формы (с ветвями 9 и 10). Следует отметить, что сырцовая жидкость попадает в трубки 8 и Г-образные каналы не принудительным впрыском, а естественным подсасыванием, причем по мере диспергирования (измельчения и рассеивания) в транзитной струе газопарового потока предыдущей порции (в условно дискретном представлении) поступает следующая и т.д.
Благодаря предложенному решению - дооснащению нижней части входной трубной перегородки финишного теплообменника-перегревателя с заделанными в ней частями теплообменных трубок, по меньшей мере, одним Г-образным каналом (размещенном в перегородке на определенном расстоянии - равном половине диаметра трубок от входной плоскости), реализован дополнительно (к сепарационному) гидродинамический эффект условного вакуум-всасывания. Эффект условного вакуум-всасывания создает вторичное - дополнительное перед каталитическим реактором (или машиной подачи потока) введение и диспергирование (измельчение и рассеивание) в потоке жидкой сырцовой фазы. Выделенная в сепараторе из условия обеспечения безопасности и предотвращения разрушения оборудования жидкая сырцовая фаза не возвращается снова в исходную емкость, что вызывало бы бесполезную циркуляцию жидкого сырья, а направляется в процесс. Точнее, в конечную - предреакторную (предмашинную) «точку» (позицию) - в перегреватель (финишный теплообменник), где осуществляется заключительный нагрев смеси. Так как жидкая фаза, вводимая через Г-образные каналы, диспергируется, распыляется в струях, контактная поверхность ее многократно возрастает, увеличивая интенсивность теплообмена, обеспечивая полноту перехода распыленных микрофрагментов в паровое состояние. Тем самым, увеличена массовая доля паровой фазы в потоке или (другими словами) повышена удельная нагрузка узла подготовки по массе паровой фазы в готовой газопаровой смеси, направляемой в каталитический реактор (машину подачи потока).
Предложенное решение позволяет реализовать описанный эффект всасывания, измельчения и рассеивания (распыления) жидкой сырцовой фазы минимальными техническими средствами. Достаточно выполнить два сверления - продольной и поперечной ветвей одного канала. Проведение заявленного изменения на уже работающих - действующих перегревателях требует их остановки всего на несколько часов. В настоящее время разрабатывается проект установки гидрирования фенола, где используется предложенный узел подготовки газопарожидкостной смеси перед каталитическим трубчатым реактором гидрирования.