Энергосбережение на установке деметанизации в производстве этилена

К ЗАЩИТЕ ДИССЕРТАЦИЙ

УДК 669.015

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ НА УСТАНОВКЕ ДЕМЕТАНИЗАЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭТИЛЕНА

А.Г. ЛАПТЕВ*, Е.В. ГУСЕВА*, М.И. ФАРАХОВ**

*Казанский государственный энергетический университет **Казанский государственный технологический университет

Рассмотрена теплотехнологическая схема установки деметанизации с целью снижения энергозатрат и уменьшения потерь этилена с метановодородной фракцией. Предложены пути снижения энергозатрат за счет сепарации жидкой фазы в исходной смеси и в этилене-хладоагенте. Показаны схемы сепаратора, установка которого даст снижение тепловых нагрузок на холодильники, и маслоуловителя, установка которого обеспечит очистку этилена-хладоагента и, как следствие, снижение термического сопротивления теплообменника-дефлегматора.

Современные нефтеперерабатывающие и нефтехимические предприятия являются крупными потребителями энергоресурсов всех видов. Большая часть энергосберегающих принципов в технологии нефте- и газопереработки должны закладываться на стадии научно-исследовательских и проектных разработок. В связи с этим при формировании заданий на проектирование обязательно должны определяться нормативные удельные энергоемкости продукции. Следующим фактором, определяющим энергосберегающую политику в производствах, служит совершенствование технологического энергосберегающего оборудования, надежности применяемых агрегатов, а также повышение эффективности проводимых технологических процессов.

Аппараты для очистки газов от мелкодисперсной фазы являются важной составляющей частью при комплектовании технологической аппаратуры в теплоэнергетике, а также в газовой, химической и в родственных им отраслях промышленности. Различные тепломассообменные аппараты, сушилки, печи, диспергаторы, компрессоры и многие другие виды оборудования не могут работать без эффективной системы газоочистки. Разнообразие условий работы и задач вызывает необходимость создания новых конструкций газоочистительной аппаратуры и совершенствования методов расчета их эффективности. К настоящему времени накоплен определенный опыт решения этих сложных задач. Однако, несмотря на значительные достижения в теории и практике газоочистки, остается ряд задач, требующих новых методов решения.

Подобная проблема наблюдается на ОАО «Казаньоргсинтез» в производстве этилена при работе холодильников на участке низкотемпературного разделения пирогаза и в холодильных циклах на установках газоразделения.

Производство этилена состоит из одной технологической линии. Этилен получается путем термического разложения углеводородного сырья с последующим разделением газов пиролиза конденсационно-ректификационным методом.

© А.Г. Лаптев, Е.В. Гусева, М.И. Фарахов Проблемы энергетики, 2005, № 9-10

В холодильном цикле этилен-хладоагент, поступающий из узла компримирования в теплообменники, содержит мельчайшие масляные частицы. Масляный аэрозоль оседает на стенках и на поверхностях теплообменных труб аппаратов. В результате образования масляной пленки на поверхности теплообмена повышается термическое сопротивление, и, в частности, метановодородная фракция (МВФ), поступающая в трубное пространство теплообменника, охлаждается с меньшей эффективностью. Результатом является повышенное содержание этилена в МВФ. Кроме этого, через каждые 3-4 месяца необходимо производить очистку теплообменника водяным паром.

Для обеспечения нормальной работы узла деметанизации необходимо установить маслоуловитель в холодильном цикле.

На участке низкотемпературного разделения пирогаз, поступающий из узла осушки, проходит последовательно три холодильника, в которых поэтапно охлаждается. Жидкость в каждом холодильнике конденсируется. Образованная газожидкостная смесь поступает в кубовую часть укрепляющей секции метановой колонны. Таким образом, жидкая фаза в каждом холодильнике переохлаждается (тем самым увеличивается нагрузка на последующий холодильник), и в колонну поступает неразделенная газожидкостная смесь. Поэтому необходима установка сепараторов жидкой фазы после каждого холодильника, тогда отсепарированная жидкая фаза, в зависимости от ее температуры, будет отводиться из каждого холодильника и подаваться на соответствующие тарелки по высоте колонны. Таким образом упадет нагрузка на холодильники и создастся более благоприятный температурный профиль в ректификационной колонне.

Из вышесказанного следует, что сепарация дисперсной фазы имеет большое значение при работе тепломассообменного оборудования.

Для решения задачи проектирования сепараторов разработана математическая модель сепарации дисперсных частиц в аппаратах с интенсивными гидродинамическими режимами.

Принцип сепарации основан на использовании одного или нескольких механизмов осаждения взвешенных в газе аэрозольных частиц. Влияние каждого из механизмов на общую эффективность сепарации зависит от размеров частиц и условий проведения процесса. При одновременном действии нескольких механизмов общая эффективность записывается по правилу аддитивности эффективностей:

где П; - эффективность сепарации за счет г-го механизма.

Для расчета эффективности сепарации при турбулентном режиме движения аэрозоля на основе вероятностно-стохастической модели получена формула [1]

где - скорость турбулентного осаждения (сепарации), м/с; иср - средняя скорость газа, м/с; Ь - длина канала, м; йэ - эквивалентный диаметр канала, м.

Скорость турбулентной сепарации мелких частиц и{ может быть выражена

через приведенную скорость турбулентного осаждения частиц, для определения которой в работе [1] приведена формула авторов Liu и Agarwal:

ut = 0,019 • 10

,4 2 -4 "чрч u5 2 4 U*‘ prvr

где dM - диаметр дисперсной частицы, м; рч - плотность дисперсной частицы, кг/м3; pr - плотность газа, кг/м3; vr - коэффициент кинематической вязкости газа, м2/с; и* - динамическая скорость, м/с. Данная формула применима для сепарации частиц размером менее 10 мкм.

Для вычисления скорости осаждения ut относительно крупных частиц Ужовым В.Н., Медниковым Е.П., McCoy D.D., Hanratty ТЛ.получена зависимость

ut =

Для расчета динамической скорости при турбулентном движении газа в контактных устройствах различных конструкций получено уравнение [2]

и* = к

fAp^pVT ЬРг

где к = 1,7^2 - функция от числа Рейнольдса; Ар - перепад давления в рабочей зоне сепаратора.

В результате многочисленных расчетов эффективности сепарации аэрозолей по формуле (2) с использованием и*, определенной по уравнению (5),

получено обобщающее уравнение для сепараторов с насадочными элементами: для мелких частиц

nt =1 - exP

1,40 • 10

-4 <рчдр1,25

2,75р3,25 рг

5d э

/ \ 1— •/3 гч o'

иср

L

V У

для крупных частиц

nt =1 - exP

-1,44

d э

L

\0,75/ , \ 0,25

иср

V ср У

АР^

V рг

Данный подход применим для различных условий движения газового потока с дисперсной фазой (закрученное движение, движение сквозь нерегулярные и регулярные насадки с гофрами и микрорельефом и т.д.).

В результате выполненных расчетов разработаны конструкции промышленных сепараторов с оригинальными контактными устройствами: для разделения газожидкостной смеси на установке газоразделения Э-100 (рис. 1) и для очистки этилена-хладоагента от масляных аэрозолей для узла деметанизации (рис. 2).

1

РисЛ. Схема сепаратора: А - вдод Рис.2. Схема маслоуловителя: А - вход

пирогаза; Б - выход пирогаза; В - дренаж; исходного продукта; Б - выход этилена; В -1 - корпус аппарата; 2 - внутренний выход масла; Г, Д - штуцера для контроля цилиндр; 3 - контактные элементы

Сепаратор (рис. 1) имеет вид двойного цилиндра, внутри которого размещены контактные элементы жалюзийного типа 3. Пакеты жалюзи установлены вертикально с определенным шагом друг от друга. Профиль регулярной насадки - волнообразный.

Пирогаз поступает через верхний штуцер аппарата во внутреннюю обечайку. Капли жидкости, поступающие с газовым потоком, при контакте с насадкой оседают в криволинейных каналах под действием инерционных сил. Жидкая фаза по поверхности насадки стекает в нижнюю часть аппарата. По мере накопления определенного объема жидкости внизу аппарата, она выводится через нижний штуцер и далее подается на соответствующую тарелку укрепляющей части колонны. Основное назначение данного сепаратора - выделение крупных капель жидкой фазы из потока пирогаза. Эффективность сепарации составляет 95 %.

Маслоуловитель (рис. 2) представляет собой цилиндрическую обечайку 1 с эллиптическими днищем 2 и крышкой 3 и содержит три ступени очистки [3]. Первая зона расположена в верхней части внутренней обечайки и включает в себя слой мелкой неупорядоченной насадки 4. Вторая зона очистки выполнена в виде уложенной во внутреннюю обечайку ниже первой зоны многослойной рулонной регулярной насадки из тонкой перфорированной металлической ленты 5. Фильтрационная зона расположена на боковой поверхности промежуточной обечайки и представляет собой многослойный фильтр из чередующихся слоев металлической тканевой сетки 6 ткани различной порозности. Согласно условию

аддитивности (1), суммарная степень очистки газовой фазы от масляной составляет более 99 %.

Для исследования степени термодинамического совершенства промышленных объектов проводились расчеты и анализ материальных и энергетических балансов. Результаты проведенного термодинамического анализа представлены в таблице.

Таблица

________Сравнительный анализ существующей и предлагаемой систем_____

Вид схемы Эксергия

Еперед - кВт Еполезн , кВт Пе

Существующий -40110,1 -20576,9 0,513

Предлагаемый -32534,6 -19349 0,60

Как видно из таблицы, эксергетический КПД предлагаемой схемы на 9 % выше, чем у существующей схемы. Одновременно достигается почти 20 %-ное снижение требуемого подвода эксергии от внешних источников и соответствующее снижение затрат энергоресурсов.

В результате установки сепараторов для разделения газожидкостной смеси после каждого холодильника перед входом в метановую колонну значительно снизятся тепловые нагрузки на эти холодильники и увеличится эффективность работы ректификационной колонны. Экономия теплоты после установки сепараторов составит 3094 ГКал в год, т.е. 7-8 %.

Установка маслоуловителя значительно снизит содержание масляных аэрозольных частиц в этилене-хладоагенте. Повысится эффективность теплообменного процесса, что даст снижение температуры МВФ. Кроме энергосбережения, обеспечится еще и снижение потерь этилена вверху колонны с метано-водородной фракции. Увеличится время бесперебойной работы оборудования, снизятся газовые выбросы на факел за счёт стабильной работы установки.

Экономический эффект от проведенных мероприятий составит более 50 тыс. евро в год.

Summary

Heat technological installation diagram of demethanization for the purpose of decreasing the energy consumpfion and diminishing the losses of ethylene with methane -hydrogen fraction has been considered. The ways of decreasing the energy consumption owing to separation of fluid phase in base stock and in ethylene - refrigerant have been suggested. Circuits of separator and oil catcher have been represented. Setting the separator will secure decreasing the heat load on refrigerators. Installing the oil-catcher will ensure the purification of ethylene - refrigerant. All this will decrease thermal resistance of heat exchanger -dephlegmator.

Литература

1. Сугак Е.В., Войнов Н.А., Николаев Н.А. Очистка газовых выбросов в аппаратах с интенсивными гидродинамическими режимами. - Казань: РИЦ «Школа», 1999. - 224 с.

2. Лаптев А.Г., Фарахов М.И., Миндубаев Р.Ф. Очистка газов от

аэрозольных частиц сепараторами с насадками. - Казань: Издательство

«Печатный двор», 2003. - 120 с.

3. Лаптев А.Г., Фарахов М.И., Гусева Е.В. Очистка газов от масляных туманов и повышение эффективности теплообменных аппаратов. // Научнотехнический и общественно-информационный журнал «Энергосбережение в Республике Татарстан».- 2004. - № 1-2 (15-16). - С. 77-79.

Поступила 26.04.2005