Особенности теплового и гидравлического расчёта пароэжекторной вакуумсоздающей системы (ВСС) на примере ВСС установки гидрокрекинга

УДК 621.522.3

Э. В. Осипов, Э. Ш. Теляков, К. С. Садыков Д. И. Кашифразов

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЁТА ПАРОЭЖЕКТОРНОЙ ВАКУУМСОЗДАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ (ВСС) НА ПРИМЕРЕ ВСС УСТАНОВКИ ГИДРОКРЕКИНГА

Ключевые слова: вакуумсоздающие системы, пароэжекторный вакуумный насос.

В статье описывается методика расчёта пароэжекторной вакуумсоздающей системы (ВСС на базе ПЭН) колонны установки гидрокрекинга. По результатам расчёта была спроектирована ВСС и с учетом гидравлических сопротивлений промежуточных конденсаторов скорректированы степени сжатия по ступеням насоса.

Keywords: vacuum creating systems, steam jet vacuum pump.

The article describes the method of calculation of steam jet vacuum creating systems (VCS-based SJP) column hy-drocracking unit. According to the results of calculation has been designed taking into account the VCS and hydraulic resistance intercondensers adjusted compression ratio on the stage of the pump.

Введение

Вакуумсоздающая система (ВСС) предназначена для создания вакуума в секции гидрокрекинга и гидроочистки комбинированной установки гидрокрекинга и рассчитывалась на основании Запроса на техническое предложение. ВСС представляет собой пароэжекторный вакуумный насос, состоящий из трех ступеней сжатия. Сжатие откачиваемой смеси происходит в паровых эжекторах за счет кинетической энергии рабочего агента (РА), а конденсация РА происходит в промежуточных конденсаторах поверхностного типа. Вода подается в трубное пространство конденсаторов, смесь откачиваемых паров и рабочего агента подается в межтрубное пространство.

Задачей проектирования являлось определение оптимальных рабочих параметров функционирования ВСС, при которых достигались наименьшие затраты энергоресурсов (рабочего агента и хла-доагаента). Поэлементное исследование системы является малоэффективным, поскольку все элементы системы обладают своими характеристиками, конкретные значения которых устанавливаются только в рамках интегративной характеристики сложной химико-технологической системы (СХТС) [1,2].

Анализ исходных данных

Параметры технологических потоков. Согласно исходному заданию, в качестве рабочего тела в паровых эжекторах используется водяной пар среднего давления (Р=8 кгс/см2 (изб), t=230 0C). Хладоагентом, подающимся в межтрубное пространство промежуточных холодильников-конденсаторов, является оборотная вода (Р=3 кгс/см2 (изб), t=28 0C).

Параметры исходной смеси. Исходная смесь представляет собой водной пар с небольшим содержанием углеводородов С6+.

Согласно исходным данным, вакуумная колонна эксплуатируется в двух режимах работы (SOR и EOR), которые характеризуется различным количеством среды (1166 и 1182 кг/час соответственно), поступающей на всасывание в ВСС. Температура в верху колонны составляет 65.60С, давление 23 мм Hg.

Для обеспечения работоспособности ВСС во всех режимах, предусмотренных заданием, расчёт производился на наибольшую возможную нагрузку на ВСС (режим БОЯ).

Таким образом, ВСС должна обеспечивать откачку 1182 кг/час среды (номинальная нагрузка на ВСС). Согласно исходному заданию, ВСС должна обеспечивать устойчивую работу вакуумной колонны при изменении нагрузки в диапазоне 60-120%.

В технологический объект, работающий под вакуумом, через неплотности конструкции (сварные швы, прокладки, сальниковые уплотнения и т.д.) [13] поступает атмосферный воздух (газы натекания). Для обеспечения запаса по производительности ВСС расход подсасываемого атмосферного воздуха принимается равным 80 кг/час.

С учетом всего вышеизложенного, количество смеси (при нагрузке 120% от номинальной), поступающей на всасывание в ВСС, составит 1498.4 кг/час. Для учета проводимости шлемовой линии от верха колонны до всасывающего патрубка ВСС давление смеси на входе в ВСС принято Рвс=21 мм Н^.

Описание ВСС

Компоновка насоса. На рис. 1 представлена принципиальная схема проектируемой ВСС.

Рис. 1 - Принципиальная технологическая схема проектируемой ВСС

Обозначения аппаратов: 1-401 - эжектор первой ступени; Б-423 - холодильник-конденсатор первой ступени; 1-402 - эжектор второй ступени; Б-424 - холодильник-конденсатор второй ступени; 1403 - эжектор третьей ступени; Е-431 - холодиль-

ник-конденсатор третьей ступени; У-408 - капле-уловитель.

От компоновки основных элементов вакуумного насоса зависит общее энергопотребление системы и её работоспособность. Так как откачиваемая смесь в основном состоит из водяных паров (94 % масс.) то наиболее целесообразнее в первой ступени сконденсировать максимальное количество водяных паров для снижения потребления пара последующими ступенями. Для этого всю оборотную воду требуется подать в трубное пространство холодильника-конденсатора первой ступени, а за тем последовательно подавать в остальные промежуточные конденсаторы. В последней ступени не обязательно обеспечивать низкую температур конденсации, поэтому на эту ступень устанавливают небольшой теплообменник, а для снижения гидравлических сопротивлений оборотную воду разделяют и смешивают после конденсатора последней ступени.

Принцип действия ВСС. Парогазовая смесь с верха вакуумной колонны подаётся на всасывание в паровой эжектор 1-401, где смесь сжимается до промежуточного давления за счёт кинетической энергии водяного пара.

Смесь водяного пара и откачиваемой смеси подаётся в межтрубное пространство холодильника-конденсатора Е-423, где происходит разделение паровой и жидкой фаз. Сконденсированная жидкая фаза направляется в сепаратор У-407.

Несконденсированная часть направляется на всасывание в паровой эжектор 1-402, где сжимается до промежуточного давления за счёт кинетической энергии водяного пара. Образовавшаяся смесь подается в межтрубное пространство холодильника-конденсатора Е-424, где происходит разделение газовой и жидкой фаз. Сконденсированная часть сбрасывается в У-407.

Несконденсированная в холодильнике Е-424 парогазовая смесь подаётся на всасывание в паровой эжектор 1-403, где сжимается до давления выхлопа за счет кинетической энергии водяного пара. Смесь рабочего тела и откачиваемой жидкости после эжектора поступает в межтрубное пространство холодильника-конденсатора Е-431, где происходит разделение газовой и жидкой фаз. Сконденсированная часть сбрасывается в У-407.

Определение степеней сжатия по ступеням насоса

Основное влияние на откачные характеристики разрабатываемого ПЭНа будут оказывать следующие элементы насоса: паровой эжектор и промежуточный холодильник-конденсатор первой ступени. Согласно литературным данным [4] оптимальное давление нагнетания первой ступени насоса является Рнаг1=80 мм Н§. Однако, данные, представленные в таблице, необходимо корректировать для расчёта конкретной установки, так как в составе откачиваемой смеси содержится значительное количество водяного пара, конденсируемого в конденсаторе первой ступени. Согласно [5], удовлетворительная конденсация смеси (порядка 90%) достига-

ется при температурах 33-36 С в интервалах давления 65-75 мм Н^.

Как было изложено выше, откачиваемая смесь сжимается в паровых эжекторах, куда в качестве активной среды подаётся водяной пар. Пар под давлением истекает через расширяющееся сопло со сверхзвуковой скоростью в виде турбулентной или ламинарной струи. Вследствие турбулентного перемешивания вихревых масс паровой турбулентной струи с молекулами откачиваемого газа или вязкостного трения между граничными слоями вязкостной струи и прилегающими слоями газа последний увлекается во входной конус - конфузор, служащий для обеспечения возможно более полного перемешивания пара с газом. Этот процесс характеризуется равномерностью значений всех параметров смеси (давления, плотности, скорости и температуры) по сечению потока. Вследствие обмена энергиями и возникновения скачка уплотнения давление откачиваемого газа возрастает, достигает статического давления смеси, а скорость потока уменьшается до звуковой. В горле диффузора завершается выравнивание значений параметров смеси, и в расширяющемся выходном конусе происходит дальнейший переход кинетической энергии смеси в потенциальную, который сопровождается уменьшением скорости и увеличением давления смеси до выпускного давления.

Расчёт паровых эжекторов производился в соответствии с теорией газовой динамики [6] по расчётным формулам, приведённым ниже.

Критическая скорость определялась по зависимости (1):

2к ЯТ

акр -

к +1

где к - показатель адиабаты; Я - газовая постоянная, Дж/кг-0С; Т - температура, К.

Приведённая скорость определялась по зависимости (2):

V

~

А--

а

кр

Газодинамические функции (3)-(5):

п(А) -I 1 -А2 1 к +1

к -1 2

Я(А) - А| 1--А2

к+1

«я>- 2 г а+1

к-1

к-1

Общепринято работу эжектора рассматривать по одномерной теории движения газа, в которой используются несколько безразмерных параметров:

•коэффициент эжекции п - отношение расхода сжимаемого газа к расходу рабочего газа;

•степень расширения Е - отношение полных давлений рабочего и сжимаемого газов;

к

•степень сжатия е - отношение давления за эжектором к давлению откачиваемой среды;

•геометрический параметр эжектора а - отношение площадей потоков рабочего и сжимаемого газов в камеру смешения;

•отношение температур сжимаемого и рабочего газов 0.

Коэффициент эжекции и степень сжатия, которые и будут определять требуемый расход водяного пара, определяется по уравнениям (6)-(8).

п -

А

А,

1

А - к

БаЛ 2

к+1

Я

яА )

к

к-1 ¡к +1 к-1

А3 А1

(п +1

(

\

1 + пс+V

1+

я

Я

с-

ср2 с1

отношение теплоёмкостей, а индексы 1,2

и 3 относятся к параметрам рабочего, откачиваемого и смешанного потоков соответственно.

Количество водяного пара, необходимого для сжатия откачиваемой смеси до промежуточного давления, а так же само промежуточное давление смеси после парового эжектора, определялись по формулам (6) и (8). Графическая зависимость количества затрачиваемого водяного пара от достигаемого давления после эжектора представлена на рис. 2. Явление конденсации рабочего тела при истечении через активное сопло эжектора учитывалось в соответствии с [7].

Как видно из рисунка 2, с уменьшением давления нагнетания снижаются затраты водяного пара, однако при давлениях ниже 50 мм Н§ водяные пары конденсируются не полностью, что приводит к дополнительной нагрузке на последующие ступени. Для увеличения степени конденсации (отношение количества образовавшегося конденсата к исходному количеству смеси) в первую ступень необходимо подавать больше оборотной воды, что ведёт к дополнительным затратам.

Расчёт ВСС проводился с использованием системного подхода, когда исходная система «разделялась» на несколько более низких иерархических объектов. Более подробно подобный подход описан в [8].

Тепловая нагрузка на конденсатор находится в прямой зависимости от количества водяного пара, поступающего в межтрубное пространство, и, следовательно, от давления нагнетания и температуры конденсации. При ориентировочном значении коэффициентов теплопередачи кор = 150 ккал/(м2*ч*0С), требуемая площадь теплообмена приведена на рис. 3.

Для обеспечения заданного съёма тепла из нормального ряда конденсаторов по ТУ 3612-02300220302-011200 «Аппараты теплообменные кожу-

хотрубчатые с плавающей головкой, кожухотрубча-тые с Ц-образными трубами» выбираем конденсатор КП-1.6-2.5 -М1/20Г-6-Т-2-У-И с поверхностью теплообмена 609.7 м2.

3500

3000

^ 2500 пТ

2000

с

=1

ж 1500 а.

1000

60

Давление, мм Нд

Рис. 2 - Количество затрачиваемого водяного пара от давления нагнетания

640.00 -

600.00 560.00 520.00 480.00 ' 440.00 400.00

60 65 70

Давление нагнетания, мм Нд

Рис 3 - Требуемая поверхность теплообмена в зависимости от давления нагнетания

Данный теплообменник представляет собой горизонтальный кожухотрубчатый поверхностный горизонтальный конденсатор с плавающей головкой, длина теплообменных труб 6 м, число ходов по трубам 2, расположение труб в трубной решетки по вершинам квадрата, диаметр труб 20 мм, с креплениями для теплоизоляции, климатического исполнения У.

Однако данный теплообменник необходимо пересчитать на конкретные производственные условия. Основными требуемыми результатами расчета являются количество несконденсированной среды, гидравлические сопротивления, температуры в трубном и межтрубном пространствах. Данные результаты расчёта приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Данные расчёта I ступени

Давление нагнетания, мм ^ 63 73.5 84

Количество среды, поступающей на вторую ступень, кг/час 453.54 201.86 200.36

Гидравлическое сопротивление, мм ^ 11.49 5.15 15.30

Температура смеси на выходе, 0С 36.27 37.47 37.50

Температура оборотной воды на выходе, 0С 34.24 35.58 36.73

Согласно табл. 1, наименьшие гидравлические сопротивления достигаются при давлении нагнетания 73.5. Дальнейшее увеличение степени сжатия нецелесообразно, так как количество смеси, не-

500

в -

1

а

сконденсированной в конденсаторе практически не изменяется, а расход пара увеличивается на 494 кг/час.

В соответствии с подходом, изложенным выше, определялись степени сжатия по оставшимся ступеням насоса. Результаты расчёта ВСС, а так же суммарное энергопотребление ВСС представлено в таблице 2.

Таблица 2 - Данные расчёта ВСС

Номинальное ос- Остаточное давление на входе

таточное давление в ступень, мм Hg

на входе в насос, Ступень

мм Hg I II III

21 73.5 233.4 821

Параметр Ед. изм Значение

Расход оборотной воды м3/час 340

Расход пара на I ступень кг/час 2776

Расход пара на II ступень кг/час 452

Расход пара на III ступень кг/час 326

Итого кг/час 3554

Длина эжектора I ступени мм 6850

Длина эжектора II ступени мм 1500

Длина эжектора III ступени мм 650

Общие габариты установки (длина х высота) мм х мм 8820 х 6750

Общий вид спроектированной ООО «НИ-ИВМ» ВСС представлен на рис. 4.

Е-431

Wr- "f-H

J-403 1 Е-424

1фи m

Рис. 4 - Общий вид спроектированной ООО «НИИВМ» ВСС

Для учета подсоса инертного газа (атмосферного воздуха) не было данных по геометрии основной колонны, так как эти сведения являются «ноу-хау» фирмы изготовителя. Однако величина подсоса воздуха будет влиять решающее значение

на величину несконденсированной на первой ступени насоса смеси, которая идет на всасывание во II ступень. После согласования с Заказчиком расход подсасываемого воздуха был принят равным 60 кг/час.

Таким образом, определение оптимальных степеней сжатия позволило снизить общее энергопотребление на 494 кг/час при сохранении требуемых параметров работы ВСС. Следует так же отметить, что температура хладоагента достаточно высока и характерна для летних месяцев работы ВСС. В зимние месяцы работы, когда температура оборотной воды меньше, а так же при загрузке колонны по сырью на уровне 60% от номинала следует ожидать снижение остаточного давления вверху колонны.

Литература

1. Э.В. Осипов, Х.С. Шоипов, Э. Ш. Теляков. Реконструкция вакуумсоздающей системы (ВСС) колонны разделения мазута К-3 ТПП «Когалымнефтегаз» (ОАО «Лукойл - Западная Сибирь) // Вестник Казанского технологического университета. №3; Казан. гос. технол. унт. - Казань: КГТУ, 2014. - C. 209-212.

2. Э.В. Осипов, Х.С. Шоипов, Э. Ш. Теляков. Технологическое обследование вакуумной ректификационной колонны разделения мазута К-3 ТПП «Когалымнефтегаз» (ОАО «Лукойл - Западная Сибирь) // Вестник Казанского технологического университета. №21; Казан. гос. технол. ун-т. - Казань: КГТУ, 2013. - C. 283-286.

3. Э. В. Осипов, Е.А. Ефремов, Д.И. Кашифразов, Л.Э. Осипова. Влияние режимных параметров работы колонны разделения мазута на характеристику вакуум-создающей системы // Вестник Казанского технологического университета. №20; Казан. гос. технол. ун-т. -Казань: КГТУ, 2014. - С. 259-261

4. Пароэжекторные вакуум-насосы. Гипронефтемаш. М. 1965. - 129с.

5. Э.В. Осипов, Э.Ш. Теляков, С.И. Поникаров, К.С. Са-дыков Энергосберегающая технология создания вакуума в ректификационной колонне установки АВТ // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. М.: «Те-хинформ» МАИ, 2011, C. 31-35

6. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М., «Наука», 1969. 824 - с.

7. Э.В. Осипов, Э.Ш., Теляков, Т.С. Козырева, Э.Б. Мац. Алгоритмы учёта конденсации при истечении конденсируемого рабочего тела через активное сопло газового эжектора // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 19. С. 101-104.

8. Э.В. Осипов, Л.Э. Осипова. Расчет эжекционной системы аспирации воздуха с помощью универсальной моделирующей программы Chem Cad // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т.17. №9; - С. 221-223

© Э. В. Осипов - к.т.н., доцент каф. «Машины и аппараты химических производств» КНИТУ, eduardvosipov@gmail.com;

Э. Ш. Теляков - д.т.н., профессор той же кафедры, mahp_kstu@mail.ru; К. С. Садыков - д.т.н., ген. директор ООО «НИИВМ», niivm@mail.ru; Д. И. Кашифразов - магистр каф. «Машины и аппараты химических производств» КНИТУ.

© E. V. Osipov - Ph. D. docent of the department "Mechanical Engineering For Chemical Industry" of KNRTU, eduardvosipov@gmail.com; E. Sh. Telyakov - doctor of Tech. Sci., professor the department "Mechanical Engineering For Chemical Industry" of KNRTU, mahp_kstu@mail.ru; K. S. Sadikov - doctor of Tech. Sci., gene. Director of "NIIVM", niivm@mail.ru; D. I. Kashifrazov - M.Sc. student of the department "Mechanical Engineering For Chemical Industry" of KNRTU, ahmat_damir@mail.ru.