ОТСТОЙНИК ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНОЙ СИСТЕМЫ ГАЗ (ПАР)-ЖИДКОСТЬ С НИЗКОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ДИСПЕРСНОЙ ГАЗОВОЙ (ПАРОВОЙ) ФАЗЫ В ЖИДКОЙ ФАЗЕ
SETTLING TANK TO SEPARATE NONUNIFORM SYSTEM GAS (STEAM)-LIQUID WITH LOW CONCENTRATION OF DISPERSE GAS (STEAM) PHASE IN LIQUID PHASE

Изобретение предназначено для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость с низкой концентрацией дисперсной газовой (паровой) фазы в жидкой фазе и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, газовой, нефтехимической, химической, пищевой и других отраслях промышленности для разделения газожидкостных смесей, например при разделении продуктов охлаждения дистиллята ректификационной колонны, фракционирующей углеводороды, в отстойном аппарате на небольшое количество газовой (паровой) и преобладающую жидкую фазы.
Известна конструкция сепаратора неоднородных систем газ (пар)-жидкость, включающая емкость со штуцерами ввода исходной неоднородной смеси и вывода раздельно газовой (паровой) и жидкой фаз (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1970. С. 650). Недостатком представленной конструкции является большая металлоемкость из-за необходимости обеспечения длительного времени разделения неоднородной системы под действием гравитационной силы и низкое качество разделения, обусловленное тем, что мелкие капли жидкости в газовой фазе и пузырьки газа в жидкой фазе не успевают, соответственно, осадиться или всплыть за ограниченное время пребывания неоднородной системы в аппарате.
Известен сепаратор для разделения текучей смеси веществ различной плотности, таких как газ и жидкость, который включает кожух, роторный узел, отверстие для пропускания потока текучей среды, выступ, выступающий вверх от кожуха и окружающий отверстие, и патрубок, причем патрубок может соединяться с выступом так, что внутренняя поверхность патрубка сочетается с изогнутой поверхностью выступа для получения изогнутой поверхности для пути потока (Газоочистной сепаратор: пат. 2522834 Рос. Федерация. № 2012106222/03; заявл. 10.07.09; опубл. 20.07.14). Основным недостатком данного изобретения является высокая энергоемкость аппарата для создания центробежной силы, необходимая для вращения ротора, представляющего собой вал, сопряженный с пакетом тарелок, и, как следствие, удорожание процесса сепарации.
Известен также газоотделитель, включающий корпус со штуцерами для ввода и вывода газожидкостной смеси и барботер, отличающийся тем, что корпус газоотделителя размещен горизонтально, снабжен штуцером отбора жидкости в нижней части и штуцером отбора газа в верхней части, причем штуцеры отбора жидкости и газа соединены со штуцером вывода газожидкостной смеси, верхняя образующая которого расположена не ниже верхней образующей корпуса газоотделителя, а барботер размещен в горизонтальной плоскости, проходящей через нижнюю сторону вписанного в поперечное сечение корпуса квадрата, и выполнен в виде системы труб (Газоотделитель: пат. 2035197 Рос. Федерация. № 5003948/26; заявл. 02.08.91; опубл. 20.05.95). Недостатками данного изобретения являются:
отвод разделившихся газовой и жидкой фаз по одному общему трубопроводу, что приведет, по крайней мере, к частичному повторному смешению газовой и жидкой фаз и, как следствие, к снижению эффективности разделения фаз в аппарате в целом;
подача газа в барботер под уровень жидкой фазы в корпусе приведет к снижению эффективности отделения газовой дисперсной фазы от сплошной жидкой фазы, поскольку скорость свободного всплывания одиночных газовых пузырей при низкой концентрации газовой фазы в неоднородной системе значительно выше и, соответственно, эффективность разделения выше, чем при стесненном всплывании совокупности пузырьков, возникающей при дополнительном барботаже газа в газоотделителе, увеличивающем концентрацию газовой фазы в неоднородной системе.
Известен также фильтр-сепаратор, включающий корпус со штуцерами ввода газожидкостной смеси, вывода газа, отделенного от жидкости и примесей, и с установленными в нем фильтр-коалесцирующими секциями, выполненными из пористых элементов, и секции сепарации, при этом пористые элементы выполнены из ориентированных к вертикали объемных, пористых незамкнутых между собой по ходу подачи газожидкостной смеси пластин, внешние поверхности фильтр-коалесцирующих секций снабжены с одной стороны решетками наддува потока газожидкостной смеси, с другой - решетками отбора газа, а секция сепарации выполнена из перфорированных незамкнутых между собой по ходу подачи газожидкостной смеси пластин, поверхности которых снабжены ориентированными к вертикали пористыми жгутами, смещенными относительно друг друга и пористых жгутов смежной пластины (Фильтр-сепаратор: пат. 2480267 Рос. Федерация. № 2011146503/02 заявл. 17.11.11; опубл. 27.04.13). Недостатками данного изобретения являются:
аппарат имеет повышенную металлоемкость из-за большого объема зоны сбора жидкой фазы, представляющей собой самостоятельный дополнительный аппарат;
аппарат применяется только для разделения неоднородных систем типа «туман» с низким содержанием капельной жидкой фазы, при котором объем аппарата свободен от жидкой фазы;
установка секции сепарации после фильтр-коалесцирующих секций практически бесполезна, так как в секции сепарации возможно осаждение только относительно крупных капель жидкой фазы, которых после фильтр-коалесцирующих секций просто не должно оставаться в потоке газа;
установка фильтр-коалесцирующих секций, выполненных из вертикальных пористых пластин, малоэффективна, поскольку капли жидкой фазы, находящиеся в потоке газа, легко проходят сквозь поры перегородки при достаточном перепаде давления на перегородке;
практически невозможно разделять в аппарате неоднородную систему с низкой концентрацией газовых пузырьков в жидкости, так как при этом весь разделяемый поток будет проходить через аппарат практически без разделения на фазы из-за фактической соосности штуцеров ввода неоднородной системы и вывода газа, поскольку через этот штуцер с газом отводятся излишки жидкой фазы.
При создании изобретения ставилась задача разработки конструкции отстойника для эффективного разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость с низкой концентрацией дисперсной газовой (паровой) фазы в жидкой фазе, в котором отсутствует, по крайней мере, значительная часть недостатков, свойственных известным конструкциям отстойников.
Поставленная задача решается за счет того, что в отстойнике для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость с низкой концентрацией дисперсной газовой (паровой) фазы в жидкой фазе, включающем горизонтальный цилиндрический корпус с днищами, устройство для сепарации неоднородной системы, штуцер ввода неоднородной системы и штуцеры вывода газовой (паровой) и жидкой фаз, под штуцером ввода неоднородной системы располагают распределитель коллекторного типа с корытом с задней сегментной стенкой, сопряженной с горизонтальным цилиндрическим корпусом отстойника и параллельными перфорированными сливными планками с закраинами, расположенными параллельно продольной оси горизонтального цилиндрического корпуса отстойника, под каждой перфорированной сливной планкой с закраинами размещают фрагмент устройства для сепарации в виде пакета регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин, также в горизонтальном цилиндрическом корпусе отстойника располагают сливную перегородку в виде сегментной пластины, сопряженной с нижней частью горизонтального цилиндрического корпуса отстойника. Основой эффективного отстаивания является наличие в отстойнике большого зеркала отстаивания, поскольку чем больше площадь зеркала и тоньше слой разделяемой неоднородной системы, тем выше производительность отстойника. Этот фундаментальный принцип отстойного разделения использован в заявляемом изобретении в полной мере, поскольку вводимая в отстойник неоднородная система газ (пар)-жидкость разделяется при пленочном течении сплошной жидкой фазой в фрагменте устройства для сепарации в виде пакета регулярной многослойной насадки по поверхности гофрированных проницаемых пластин. Наличие отверстий в гофрированных проницаемых пластинах приводит к щадящему перемешиванию осветляемой жидкой фазы, выравниванию в ней концентрации газовых пузырьков и увеличению, таким образом, скорости всплывания газовых пузырьков в пленке жидкой фазы, а наличие гофров формирует каналы, в которых из формируемого потока газовой (паровой) фазы осаждаются капли жидкой фазы, которые могут быть вынесены из жидкой пленки при разделении неоднородной системы газ (пар)-жидкость.
Целесообразно, чтобы гофрированные проницаемые пластины имели угол наклона гофра к горизонтали 40-60 градусов, что обеспечит устойчивый пленочный поток жидкой фазы по их поверхности при одновременном увеличении пути и времени пребывания пленки на гофрированной проницаемой пластине и, соответственно, в пакете гофрированных проницаемых пластин в 1,15-1,40 раза больше, чем при вертикальном расположении гофрированных проницаемых пластин. Полезно, чтобы гофрированные проницаемые пластины были выполнены из экспанзированной пластины толщиной 0,1-0,5 мм с образованием ромбовидных ячеек-отверстий с размером 3-8 мм и толщиной ребра 0,5-2,0 мм, что повышает технологичность изготовления гофрированных проницаемых пластин, снижает металлоемкость конструкции отстойника, а ромбовидность отверстий в гофрированных проницаемых пластинах способствует интенсивному разрыву стекающей пленки в вершинах острых углов ромбовидных отверстий и дополнительному увеличению ее поверхности, по сравнению с обычной перфорацией в виде круглых отверстий.
Целесообразно также, чтобы гофры смежных гофрированных проницаемых пластин были смещены на 90 градусов и контактировали между собой вершинами гофров, образуя полости размером в 3-5 раз больше, чем ребро ромбовидных ячеек-отверстий гофрированных проницаемых пластин, в которых из формируемого потока газовой (паровой) фазы осаждаются капли жидкой фазы, выносимые из жидкой пленки при разделении неоднородной системы газ (пар)-жидкость.
Полезно также, чтобы гофрированные проницаемые пластины фиксировались между собой в пакете при помощи точечной электросварки или сшивались спицами с заглушенными торцами, что обеспечивает, с одной стороны, простоту сборки пакета, а с другой - его конструктивную прочность.
Целесообразно, чтобы высота сливной перегородки по вертикальной оси симметрии была больше расстояния от нижних торцов среднего пакета регулярной многослойной насадки до горизонтального цилиндрического корпуса отстойника по вертикали, что гарантирует формирование в отстойнике гидравлического затвора, разделяющего выводимые из отстойника жидкую и газовую (паровую) фазы.
Необходимо, чтобы высота закраин перфорированных сливных планок в миллиметрах была не меньше гидравлического сопротивления при прохождении разделяемой неоднородной системы сквозь перфорированные сливные планки в миллиметрах столба слоя неоднородной системы, что обеспечивает достаточный напор разделяемой неоднородной системы на перфорированных сливных планках с закраинами для ее прохождения через пакет гофрированных проницаемых пластин без «захлебывания».
Целесообразно также, чтобы закраины перфорированных сливных планок имели прорези треугольного, квадратного или трапециевидного типа, ширина перфорированных сливных планок с закраинами была меньше ширины пакетов регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин, что позволяет равномерно орошать нижележащую насадку при увеличении расхода разделяемой неоднородной системы или ее газосодержания.
Целесообразно также, чтобы отстойник содержал секцию дополнительной очистки газовой (паровой) фазы, состоящую из абсорбционной колонки, снабженной вертикально расположенными пакетами регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин, аналогичными фрагментам устройства для сепарации и разделенными сегментными перегородками, сопряженными со стенками абсорбционной колонки, штуцера вывода дополнительно очищенной газовой (паровой) фазы и штуцера ввода жидкой фазы, которая подается в верхнюю часть абсорбционной колонки для улавливания унесенных капель жидкой фазы.
Целесообразно также при подаче жидкой фазы для улавливания унесенных капель жидкой фазы в верхнюю часть абсорбционной колонки, отличающейся от состава отделяемой жидкой фазы, отстойник дополнительно оборудовать сливной перегородкой, штуцером вывода жидкой фазы для орошения абсорбционной колонки и насосом с трубопроводом, соединяющим нижнюю часть горизонтального цилиндрического корпуса отстойника с верхней частью абсорбционной колонки. Это позволяет уменьшить расход подаваемой жидкой фазы, отличной от отделяемой жидкой фазы, на абсорбцию.
Конструкция отстойника для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость с низкой концентрацией дисперсной газовой (паровой) фазы в жидкой фазе представлена на фигуре 1, сечение А-А - на фигуре 2.
Конструкция отстойника для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость с низкой концентрацией дисперсной газовой (паровой) фазы в жидкой фазе с абсорбционной колонкой и конструкция отстойника для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость с низкой концентрацией дисперсной газовой (паровой) фазы в жидкой фазе с абсорбционной колонкой и с подачей на орошение жидкой фазы, отличающейся от состава отделяемой жидкой фазы, изображены на фигурах 3 и 4 соответственно. Представленные на фигурах 1-4 конструкции отстойника содержат следующие элементы:
1 - горизонтальный цилиндрический корпус отстойника;
2 - штуцер ввода неоднородной системы;
3 - штуцер вывода жидкой фазы;
4 - сливная перегородка;
5 - штуцер вывода газовой (паровой) фазы;
6 - корыто с задней сегментной стенкой;
7 - перфорированные сливные планки с закраинами;
8 - пакет регулярной многослойной насадки;
9 - штуцер вывода дополнительно очищенной газовой (паровой) фазы;
10 - штуцер ввода жидкой фазы для орошения;
11 - абсорбционная колонка;
12 - сегментные перегородки;
13 - дополнительная сливная перегородка;
14 - насос;
15 - трубопровод;
16 - штуцер вывода жидкой фазы для орошения абсорбционной колонки.
На фигурах 1-4 закрашенными стрелками изображено движение жидкой фазы, не закрашенными стрелками - движение газовой (паровой) фазы, а полузакрашенными стрелками - движение неоднородной системы.
Согласно фигуре 1 неоднородная система газ (пар)-жидкость с низкой концентрацией дисперсной газовой (паровой) фазы в жидкой фазе через штуцер ввода неоднородной системы 2 поступает в горизонтальный цилиндрический корпус отстойника 1 и направляется в распределитель коллекторного типа с корытом с задней сегментной стенкой 6, далее неоднородная система равномерно распределяется по перфорированным сливным планкам с закраинами 7, расположенными параллельно продольной оси горизонтального цилиндрического корпуса отстойника 1, откуда через отверстия в перфорированных сливных планках с закраинами 7 стекает в секции сепарации, расположенные под каждой перфорированной сливной планкой и представляющие собой пакет регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин, в которых происходит отделение газовой и жидкой фаз. Жидкая фаза стекает через отверстия в гофрированных проницаемых пластинах на сливную перегородку 4, представляющую собой сегментную пластину, и отводится из горизонтального цилиндрического корпуса отстойника 1 через штуцер вывода жидкой фазы 3. Выделившаяся газовая фаза отводится через штуцер вывода газовой (паровой) фазы 5.
Для более детального представления конструкции отстойника для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость с низкой концентрацией дисперсной газовой (паровой) фазы в жидкой фазе на фигуре 2 изображено сечение А-А, где представлены расположения штуцера ввода неоднородной системы 2, распределителя коллекторного типа с корытом с задней сегментной стенкой 6, перфорированных сливных планок с закраинами 7, имеющими ширину меньше ширины пакетов регулярной многослойной насадки 8, состоящими из гофрированных проницаемых пластин, расположенных под каждой перфорированной сливной планкой с закраинами 7, и сливной перегородки 4 в горизонтальном цилиндрическом корпусе отстойника 1.
Согласно фигуре 3 неоднородная система газ (пар)-жидкость с низкой концентрацией дисперсной газовой (паровой) фазы в жидкой фазе через штуцер ввода неоднородной системы 2 поступает в горизонтальный цилиндрический корпус отстойника 1 и направляется в распределитель коллекторного типа с корытом с задней сегментной стенкой 6, далее неоднородная система равномерно распределяется по перфорированным сливным планкам с закраинами 7, расположенными параллельно продольной оси горизонтального цилиндрического корпуса отстойника 1, откуда через отверстия перфорированных сливных планок стекает в секции сепарации, размещенные под каждой перфорированной сливной планкой с закраинами 7, представляющие собой пакет регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин, в которых происходит отделение газовой и жидкой фаз. Жидкая фаза стекает через отверстия в гофрированных проницаемых пластинах на сливную перегородку 4, представляющую собой сегментную пластину, и отводится из горизонтального цилиндрического корпуса отстойника 1 через штуцер вывода жидкой фазы 3. Выделившаяся газовая фаза, которая может содержать взвесь микрокапель жидкой фазы, далее через штуцер вывода газовой (паровой) фазы 5 поступает в секцию дополнительной очистки газовой (паровой) фазы, состоящей из абсорбционной колонки 11, снабженной в верхней части штуцером ввода жидкой фазы для орошения 10, близкой по составу с жидкой фазой, отделившейся от неоднородной системы и используемой для улавливания унесенных капель жидкой фазы, штуцером вывода дополнительно очищенной газовой (паровой) фазы 9, вертикально расположенными пакетами регулярной многослойной насадки 8 из гофрированных проницаемых пластин, аналогичными фрагментам устройства для сепарации и разделенными сегментными перегородками 12. Газовая (паровая) фаза, содержащая взвесь микрокапель жидкой фазы, проходит слой насадки в горизонтальном направлении по синусоидальной траектории за счет несоосности отверстий гофрированных проницаемых пластин, контактируя с жидкой фазой, схожей по составу с жидкой фазой, отделившейся от неоднородной системы. Таким образом, в потоке возникает центробежная сила, отбрасывающая капли жидкой фазы на поверхность гофрированных проницаемых пластин, по которым капли жидкой фазы стекают на сливную перегородку 4, объединяются с жидкой фазой, отделившейся от неоднородной системы, и далее отводятся из горизонтального цилиндрического корпуса отстойника 1 через штуцер вывода жидкой фазы 3. Дополнительно очищенная газовая (паровая) фаза отводится из верхней части абсорбционной колонки 11 через штуцер вывода дополнительно очищенной газовой (паровой) фазы 9.
На фигуре 4 изображена конструкция отстойника для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость с низкой концентрацией дисперсной газовой (паровой) фазы в жидкой фазе с абсорбционной колонкой и с подачей жидкой фазы на орошение, отличающейся от состава жидкой фазы, отделяемой от неоднородной системы. В отличие от фигуры 3 в конструкции отстойника предусмотрен(а) штуцер ввода жидкой фазы для орошения 10, отличающейся по составу от жидкой фазы, отделяемой от неоднородной системы, штуцер вывода жидкой фазы для орошения абсорбционной колонки 16, дополнительная сливная перегородка 13 для раздельного отвода жидкой фазы, отделившейся от неоднородной системы, и жидкой фазы, подаваемой на орошение абсорбционной колонки, штуцер вывода жидкой фазы для орошения абсорбционной колонки 16, насос 14 для перекачивания жидкой фазы, подаваемой в абсорбционную колонку, и трубопровод 15, соединяющий нижнюю часть горизонтального цилиндрического корпуса отстойника 1 с верхней частью абсорбционной колонки 11.
Для оценки эффективности работы отстойника по заявляемому изобретению представлено сравнение его производительности с производительностью в основном применяемых в нефтепереработке пустотелых горизонтальных отстойников одинаковых размеров.
1
3
Пример 1. Пустотелый горизонтальный отстойник при его половинном заполнении объема разделяемой неоднородной системой газ-жидкость имеет в общем случае производительность Q (м/ч), рассчитываемую по уравнению:
1
0
0
Q=3,14·D·L·W/4=0,785·D·L·W,
где D - диаметр пустотелого горизонтального отстойника, м;
L - длина пустотелого горизонтального отстойника, м;
0
W - скорость всплывания газовых пузырьков, м/ч;
2
D·L - площадь зеркала жидкой фазы, м.
Таким образом, производительность пустотелого горизонтального отстойника пропорциональна площади зеркала жидкой фазы.
Пример 2. При разделении неоднородной системы газ-жидкость в пустотелом горизонтальном отстойнике диаметром D и длиной L при заполнении на одну четвертую объема аппарата в нижней его части отсепарированной очищенной от газа жидкой фазой размещено в его верхней части сепарирующее устройство по заявляемому изобретению.
0
0
2
2
2
2
2
3
3
При этом распределитель коллекторного типа с корытом и параллельными перфорированными сливными планками с закраинами имеют в высоту величину D/4, а расположенные под каждой сливной планкой фрагменты устройства для сепарации в виде пакета регулярной многослойной насадки из гофрированных проницаемых пластин имеют высоту D/2, длину L/2 и ширину D/10 при расстоянии между пакетами D/20, тогда в пустотелом горизонтальном отстойнике будет размещаться 6 аналогичных пакетов. Из практических данных принято значение толщины гофра проницаемых пластин равным 2 см, а толщины пленки жидкой фазы на гофрированной проницаемой пластине - 1 мм. Скорость всплывания газовых пузырьков обозначается W, аналогично примеру 1. Тогда в одном пакете разместится D/0,2 гофрированных проницаемых пластин с общей поверхностью зеркала осветления жидкости равной D·L/0,8 (м), а поверхность зеркала осветления во всем отстойнике составит 7,5·D·L, то есть в 7,5·D раз выше, чем в примере 1. При этом объем жидкой пленки на поверхности гофрированных проницаемых пластин отстойника составит 0,0075·D·L (м) при времени осаждения 0,001/W (ч), откуда производительность пустотелого горизонтального отстойника Q (м/ч) рассчитывается по формуле:
2
0
2
Q=7,5·D·L·W.
Сравнение результатов расчетов по двум примерам показывает, что при равном качестве разделения неоднородной смеси газ-жидкость и одинаковых габаритах аппарата отстойник по заявляемому изобретению будет иметь производительность в 9,55·D раз больше, чем стандартный емкостный отстойник, например, при диаметре отстойника равном 1,4 м производительность возрастет в 13,3 раза. При одинаковой производительности обоих отстойников в заявляемой конструкции отстойника пропорционально уменьшится толщина пленки жидкости на гофрированных проницаемых пластинах, что позволит при сохранении времени отстаивания выделиться из объема пленки более мелким пузырькам газа. Допуская, что выделение газовых пузырьков из неоднородной системы газ-жидкость на гофрированных проницаемых пластинах подчиняется закону Стокса, получим, что минимальный диаметр газовых пузырьков, выделяющихся при очистке неоднородной системы газ-жидкость в разработанной конструкции отстойника, в 3,6 раз меньше, чем в соответствующей стандартной емкостной конструкции отстойника.
Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает решение поставленной задачи - разработки универсальной конструкции отстойника для разделения неоднородной системы газ (пар)-жидкость с низкой концентрацией дисперсной газовой (паровой) фазы в жидкой фазе: отстойник обеспечивает существенное увеличение производительности аппарата при сохранении качества разделения, или значительно повышает качество разделения при сохранении производительности аппарата, или при некотором увеличении производительности аппарата одновременно обеспечивает определенное повышение качества разделения неоднородной системы на газовую и жидкую фазы.