Способ очистки парогазовой смеси от паров низкокипящей жидкости и установка для его осуществления
METHOD OF PURIFYING A VAPOR-GAS MIXTURE FROM LOW-BOILING LIQUID VAPORS AND AN APPARATUS FOR ITS IMPLEMENTATION

Техническое решение относится к химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и нефтегазодобывающей промышленности, где существует потребность очистки газов и газовых смесей от паров низкокипящих жидкостей. В частности, такая очистка воздуха, с применением заявляемого устройства, может быть осуществлена при хранении, производстве и транспортировке метанола. Устройство может также использоваться в качестве скруббера, абсорбера, десорбера, контактного теплообменника, химического реактора в технологических процессах с использованием других низкокипящих жидкостей.
В качестве низкокипящих жидкостей для понимания заявляемого технического решения могут рассматриваться метанол, этанол, диэтиловый эфир, ацетон и прочие жидкости, которые уже при низких температурах (от 30°С) образуют пары, которые являются опасными для людей и окружающей среды соединениями. При этом, эти жидкости, в отличии от воды, не замерзают при охлаждении их до отрицательных температур. В то же время, метанол является одним из широко используемых видов сырья в химической индустрии, на основе которого производят различные материалы. Объемы его применения всё время растут, появляются новые виды технологий. Нефтеперерабатывающая отрасль использует метанол как сырье для очистки бензина и выделения толуола. Как катализатор, метанол применяется в газовом сегменте. Он сушит природный газ и препятствует образованию гидрата в трубопроводах. В связи с этим, остро встает вопрос качественной очистки воздуха при производстве и использовании метанола и других низкокипящих жидкостей с подобными свойствами.
Известен «Способ улавливания метанола из парогазовой смеси при его хранении и перевалке» по патенту РФ№ 2532431 (опубл. 10.11.2014 г.). Способ улавливания метанола включает отбор паров парогазовой смеси из емкости установки, охлаждение парогазовой смеси и конденсацию паров в блоке конденсации паров. Блок конденсации паров выполнен в виде емкости с охлажденным метанолом с установленной на ней насадочной колонной. Взаимодействие парогазовой смеси, содержащей пары метанола, с охлажденным до температуры в диапазоне от минус 36 до минус 25°C метанолом осуществляют противотоком, когда парогазовая смесь подается в нижней части насадочной колонны, а охлажденный метанол – через форсунки в верхней части. При этом происходит конденсация паров метанола на поверхности охлажденного метанола, стекающего вниз по насадке, размещенной в насадочной колонне. Охлажденный и сконденсированный метанол возвращается в емкость охлажденного метанола. В известном решении для увеличения площади контакта фаз (парогазовой смеси и охлажденного метанола) используют насадку.
Недостатком известного решения является его высокая материалоемкость и большие габаритные размеры установки, используемой для реализации способа. Чтобы площадь контакта парогазовой смеси и охлажденного метанола, которая ограничена площадью поверхности насадки, по которой стекает охлажденный метанол, была достаточно большой для качественной очистки парогазовой смеси, необходимо создать большой объем и габаритные размеры насадочной колонны, а также объем загружаемой насадки. При этом, невозможно без ограничения наращивать объем насадочной колонны, так как это ведет к увеличению габаритных размеров, веса и стоимости данного элемента установки. Кроме того, известный способ требует использования расходных материалов, к которым относятся насадка, загружаемая в насадочную колонну, форсунки для подачи охлажденного метанола и пр., что тоже повышает материалоемкость решения. Но даже при больших размерах установки и большом объеме насадки известное решение имеет недостаточно высокую эффективность, так как скорость движения вниз метанола по насадке происходит лишь под действием силы тяжести, то есть динамическое взаимодействие охлажденного метанола и парогазовой смеси незначительно.
Задачей заявляемого технического решения является разработка способа очистки газа с высокими показателями эффективности и установки для его осуществления, которая имеет компактные габаритные размеры, не требует значительного расхода материала, и характеризуется простой, надежной в изготовлении и эксплуатации конструкцией.
Технический результат заключается в снижении материалоемкости при изготовлении установки, веса и габаритных размеров. При этом в сравнении с известными решениями с теми же габаритными размерами заявляемое решение характеризуется более высокой эффективностью.
Заявленный технический результат достигается тем, что в способе очистки парогазовой смеси от паров низкокипящей жидкости, включающем использование установки, содержащей блок конденсации, конденсацию паров посредством взаимодействия парогазовой смеси с охлажденной низкокипящей жидкостью в блоке конденсации, согласно заявляемому решению для взаимодействия парогазовой смеси с охлажденной низкокипящей жидкостью в блоке конденсации создают динамический пенный слой путем направления потока из парогазовой смеси и охлажденной низкокипящей жидкости через тангенциальные щели, образованные тангенциально расположенными лопатками блока конденсации. Подачу парогазовой смеси и охлажденной низкокипящей жидкости в блок конденсации осуществляют в верхней части блока конденсации, а охлаждение низкокипящей жидкости, подаваемой в блок конденсации, осуществляют до температуры в диапазоне от минус 100°C до минус 15°C. Установка для очистки парогазовой смеси от паров низкокипящей жидкости, включает блок конденсации, емкость для сбора низкокипящей жидкости, соединенную с блоком конденсации, блок охлаждения, содержащий теплообменник и холодильную установку, насос для подачи низкокипящей жидкости в блок конденсации. В заявляемой установке блок конденсации содержит обечайку с тангенциальными щелями в стенках, образованными лопатками, расположенными под углом к окружности обечайки, верхняя часть обечайки закрыта верхним диском, а нижняя её часть закреплена на нижнем диске, который содержит центральное отверстие, диаметр которого меньше, чем диаметр обечайки. Блок конденсации может быть выполнен в виде вертикально ориентированного корпуса. Диаметр верхнего диска, закрывающего верхнюю часть обечайки, равен диаметру обечайки. Блок конденсации содержит патрубки для подвода парогазовой смеси и низкокипящей жидкости в верхней его части и патрубки для отвода жидкости и газа в нижней его части.
Благодаря тому, что для взаимодействия парогазовой смеси с охлажденной низкокипящей жидкостью в блоке конденсации создают динамический пенный слой путем направления потока из парогазовой смеси и охлажденной низкокипящей жидкости через тангенциальные щели, образованные тангенциально расположенными лопатками блока конденсации, происходит эффективный тепло-массообмен между подаваемой на очистку парогазовой смесью и жидким абсорбционным агентом, в качестве которого используют охлажденную низкокипящую жидкость. Это достигается тем, что газожидкостный поток проходя через тангенциальные щели обечайки блока конденсации, движется по лопаткам, что задает ему вращательное круговое движение по направлению лопаток внутри обечайки. Под действием центробежных сил жидкость, поступающая в блок конденсации, прижимается к внутренней поверхности обечайки, где постоянно раскручивается поступающей парогазовой смесью. При этом газ с жидкостью дробятся в поле центробежных сил на очень мелкие пузырьки, что способствует увеличению площади контакта и обеспечивает эффективную конденсацию паров из парогазовой смеси на охлажденной жидкости. Такое увеличение площади контакта достигается без увеличения габаритных размеров установки для осуществления способа и без использования насадки или других расходных материалов для создания площади контакта для взаимодействия парогазовой смеси и охлажденной низкокипящей жидкости.
Заявляемый способ и установка для его осуществления далее поясняется с помощью фигур, на которых условно представлен один из вариантов заявленной установки в предпочтительном варианте исполнения.
На фиг.1 приведена технологическая схема установки, содержащей два блока конденсации, включенные последовательно, на фиг.2 – блок конденсации (продольный разрез), на фиг.3 – блок конденсации (поперечный разрез).
Позициями на фигурах показаны: 1 – блок конденсации, 2 - емкость для сбора и хранения охлажденной низкокипящей жидкости, 3 – теплообменник, 4 – холодильная установка, 5 – насос-дозатор, 6 – насос для подачи низкокипящей жидкости в блок конденсации, 7 - патрубок для подачи парогазовой смеси, 8 - патрубок для подачи низкокипящей жидкости, 9 – обечайка блока конденсации, 10 - верхний диск блока конденсации, 11 - лопатки блока конденсации, 12 – нижний диск блока конденсации, 13 – центральное отверстие блока конденсации, 14 – сепарационный блок блока конденсации с основанием в форме усеченного конуса, 15 - патрубок для слива жидкости, 16 - центральный патрубок для выхода очищенного газа, 17 - вентилятор.
Далее со ссылками на фигуры 1-3 работа установки поясняется на примере её использования для очистки парогазовой смеси от паров метанола в конструкции с двумя ступенями очистки, каждая из которых содержит блок конденсации.
В блок - 1 конденсации из емкости – 2 для сбора и хранения охлажденного метанола подают метанол, охлажденный в блоке охлаждения, выполненном в виде закрытого контура охлаждения, состоящего из теплообменника – 3, холодильной установки – 4 и насоса -5, метанол в блок конденсации подают с помощью насосов – 6 одновременно в первую и вторую ступень очистки (в первый и второй блок 1 конденсации соответственно). В блок – 1 конденсации через патрубок - 7 подают парогазовую смесь, а охлажденный метанол поступает через патрубок – 8. Движение потоков парогазовой смеси и жидкости происходит сверху вниз по блоку - 1 конденсации под действием разрежения, создаваемого посредством вентилятора - 17. Охлажденный метанол и парогазовая смесь заполняют пространство корпуса блока – 1 конденсации и, так как обечайка - 9 сверху закрыта диском – 10, поток движется через отверстия в обечайке – 9, равномерно расположенные по боковой её поверхности. Лопатки – 11 расположены под углом к окружности обечайки – 9 и образуют тангенциальные щели в ней, через которые движется поток парогазовой смеси и жидкости. Снизу обечайка – 9 закреплена на нижнем диске – 13, который герметично и жестко закреплен на стенках корпуса блока конденсации и исключает прохождение жидкости или парогазовой смеси, минуя тангенциальные щели обечайки - 9. Поток парогазовой смеси и жидкости, проходя через тангенциальные щели обечайки – 9, движется по лопаткам – 11, что задает ему вращательное круговое движение по направлению лопаток – 11. Под действием центробежных сил метанол, поступающий в блок конденсации, прижимается к внутренней поверхности обечайки - 9, где постоянно раскручивается поступающей парогазовой смесью, создавая тем самым динамический пенный слой. При этом газ с жидкостью дробятся в поле центробежных сил на очень мелкие пузырьки, что способствует увеличению площади контакта и обеспечивает эффективную конденсацию паров из парогазовой смеси на охлажденном метаноле. Такое увеличение площади контакта достигается без увеличения габаритных размеров установки для осуществления способа и без использования насадки или других расходных материалов для создания площади контакта для взаимодействия парогазовой смеси и охлажденного метанола.
По мере заполнения внутреннего пространства обечайки – 9, газожидкостный поток через отверстие – 13 нижнего диска – 12 блока конденсации поступает в сепарационный блок – 14, где происходит разделение жидкой фазы и газа. При этом газожидкостный поток, продолжая двигаться по спирали, спускается по конусообразной поверхности нижнего основания сепарационного блока - 14 и, проходя между его лопатками, расположенными также тангенциально, получает дополнительное ускорение. Далее поток ударяется о стенки корпуса блока конденсации, охлажденный метанол, на который сконденсировались пары метанола из парогазовой смеси в процессе взаимодействия в виде динамического пенного слоя, стекает вниз и удаляется через патрубок - 15 для отвода метанола, а очищенный газ поднимается и выходит через патрубок - 16 для отвода газа.
Метанол, выводимый через сливной патрубок – 15, собирается в емкости для сбора и хранения охлажденного метанола, где подвергается постоянному охлаждению.
Для более тщательной очистки паровоздушной смеси блоки конденсации могут быть последовательно установлены один за другим, как, в частности, показано на фиг.1. При этом воздух, выходящий из первой ступени очистки, поступает во вторую ступень очистки через патрубок 7.
На фиг.3 показан разрез блока конденсации, где происходит смешение парогазовой смеси с охлажденным метанолом. Поток из парогазовой смеси и жидкости между лопатками - 11, установленными под углом к окружности обечайки - 9, поступает внутрь блока конденсации за счет разряжения, создаваемого вентилятором - 17 и начинает вращаться. Под действием центробежных сил метанол, поступающий в блок конденсации, прижимается к внутренней поверхности обечайки - 9, где постоянно раскручивается поступающей парогазовой смесью, создавая тем самым динамический пенный слой. При этом газ с жидкостью дробятся в поле центробежных сил на очень мелкие пузырьки, что способствует увеличению площади контакта и обеспечивает эффективную конденсацию паров из парогазовой смеси на охлажденном метаноле.
Процесс очистки парогазовой смеси происходит непрерывно и автоматически. Установка, кроме описанных элементов, может также включать датчики давления, температуры, блок управления и т.д. Данные датчиков температуры, давления, расходомеров подаются в блок управления, который осуществляет управление насосами-дозаторами и клапанами, а также обеспечивает взаимодействие с блоком охлаждения. В процессе работы анализируется концентрация метанола и температура во входящей парогазовой смеси и на выходе, на основании этих данных блок управления контролирует подачу охлажденного метанола в блок конденсации, а также управляет функционированием блока охлаждения для отвода тепла и поддержания рабочей температуры абсорбента, в данном случае жидкого метанола. Кроме того, установка может работать как под разрежением, как представлено на фигурах, так и под давлением, без внесения изменений в конструкцию.
Представленные фигуры и описание конструкции установки не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения в объеме заявляемой формулы.
Предлагаемые способ и установка для его осуществления за счет того, что силы, удерживающие жидкость в динамическом пенном слое, значительно выше гравитационных, поверхность контакта в разы больше, чем в обычных насадочных аппаратах, обеспечивают высокоэффективную конденсацию паров низкокипящей жидкости из парогазовой смеси на поверхности абсорбента и высокую надежность в эксплуатации, в то же время, по сравнению с ближайшим аналогом, конструкция имеет низкую материалоемкость, меньший вес и габаритные размеры.