СПОСОБ НАДЕЖНОГО ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАТНОГО ПОТОКА ПРИ ПЕРЕКАЧИВАНИИ ЖИДКОСТИ
METHOD OF PREVENTING BACKFLOW IN TRANSFER OF FLUID

Данное изобретение касается способа надежного предотвращения Обратного потока при перекачивании жидкости под давлением через нагнетательный трубопровод в резервуар, а также применения этого способа для получения этаноламина, изопропаноламина, алкилалканоламинов, алкилдиалканолдиаминов и/или диалкилалканоламинов путем взаимодействия алкиленоксидов с аминами или аммиаком.
В химической производственной технологии жидкости часто под давлением перекачиваются в резервуары, также находящиеся под давлением. Такое перекачивание может осуществляться за счет перепада гидростатического давления, однако, прежде всего, при помощи нагнетательного насоса. При падении давления, в частности, при выходе из строя нагнетательного насоса, жидкость может устремиться в направлении противоположном перекачиванию из резервуара, обратно в нагнетательный трубопровод. Это может привести к проблемам в нагнетательном трубопроводе.
Обычно давление, возникающее из-за обратного потока, может отводиться при помощи предохранительного клапана. Однако это является проблематичным для многих веществ, поскольку из-за такой утечки может произойти образование токсичных и/или воспламеняющихся газовых смесей. Кроме того, такой подход запрещается в случае веществ, которые реагируют с высокой экзотермией с другими веществами, которые могут попадать в этот трубопровод благодаря обратному потоку, или полимеризуются в присутствии небольших количеств этих веществ, имеют склонность к разложению, или разлагаются, или полимеризуются под влиянием переноса тепла из такой реакции.
Поэтому в нагнетательном трубопроводе предусматриваются блокирующие устройства, которые перекрывают его в случае падения давления. Однако время перекрывания блокирующего оборудования не может быть сокращено до любой величины, так что в течение времени срабатывания этого блокирующего устройства жидкость может течь обратно в нагнетательный трубопровод в направлении противоположном перекачиванию.
Таким образом, задачей данного изобретения было предоставить способ, который надежно предотвращает обратный поток жидкости из резервуара, в который жидкость нагнетается под давлением, и при этом в нагнетательном трубопроводе располагается блокирующее устройство с ограниченным временем перекрывания, также в течение времени, затрачиваемого на перекрывание этого блокирующего устройства.
Кроме того, задачей данного изобретения было предоставить способ надежного предотвращения обратного потока в одном или нескольких подводящих трубопроводах для одного или нескольких алкиленоксидов в процессе получения этаноламина, изопропаноламина, алкилалканоламинов, алкилдиалканолдиаминов и/или диалкилалканоламинов путем взаимодействия одного или нескольких алкиленоксидов с алкиламинами или аммиаком, в частности, из реактора, в котором проводится данное взаимодействие, в этот подводящий трубопровод для одного или нескольких алкиленоксидов.
Обратный поток в подводящем трубопроводе для одного или нескольких алкиленоксидов также может происходить из системы дозирования другого компонента, нежели один или несколько алкиленоксидов в реакторе. Согласно изобретению обратный поток такого рода также должен предотвращаться.
Эта задача была решена при помощи способа надежного предотвращения обратного потока при перекачивании жидкости под давлением через нагнетательный трубопровод, в котором расположено блокирующее устройство со схемой переключения при перепаде давления, в резервуар, находящийся под давлением и содержащий жидкость, подлежащую перекачиванию, и/или другую жидкость, который отличается тем, что в этом нагнетательном трубопроводе перед блокирующим устройством относительно направления перекачивания расположен гидроаккумулятор, который до определенного уровня заполнен жидкостью, подлежащей перекачиванию, а выше уровня поверхности этой жидкости, в непосредственном контакте с жидкостью, подлежащей перекачиванию, заполнен инертным газом, причем этот инертный газ в гидроаккумуляторе предусмотрен таким образом, что он по отношению к резервуару (3), который следует заполнить, находится под избыточным давлением и/или взят в количестве, которые рассчитаны так, что при падении давления в нагнетательном трубопроводе этот инертный газ обеспечивает положительную разницу давлений в нагнетательном трубопроводе в сравнении с резервуаром за промежуток времени, который по меньшей мере имеет такую же длительность как и время срабатывания блокирующего устройства, и причем это блокирующее устройство имеет линию для слива и арматуру для слива.
Способ согласно изобретению касается перекачивания жидкости под давлением через нагнетательный трубопровод в резервуар, который находится под давлением, и который содержит жидкость, подлежащую перекачиванию, или другую жидкость. Это перекачивание жидкости может осуществляться за счет перепада гидростатического давления. Предпочтительно эта жидкость перекачивается с помощью насоса.
Этот насос предпочтительно может представлять собой нагнетательный насос объемного типа, в частности, поршневой насос, мембранный насос или шестеренчатый насос.
Мембранные насосы являются предпочтительными, прежде всего, в случае высоких давлений в нагнетательном трубопроводе, а также для перекачивания жидкостей с коррозионными свойствами.
Также может использоваться центробежный насос, который предпочтительно имеет устройства, уменьшающие обратный поток, в частности, один или несколько обратных клапанов, предпочтительно на стороне нагнетания этого центробежного насоса.
В нагнетательном трубопроводе расположено блокирующее устройство, которое предотвращает обратный поток жидкости при падении давления в этом нагнетательном трубопроводе. Однако проблематичным является то, что блокирующие устройства всегда имеют некоторое время срабатывания, которое не может быть уменьшено и которое на текущий момент согласно вопросам уровня техники находится в области, измеряемой секундами, часто в области, равной примерно 2 с.
В этом блокирующем устройстве предусмотрено устройство для ел ива, то есть, линия для сброса или сливной трубопровод, оснащенные арматурой для сброса или сливной арматурой.
В одном из вариантов исполнения изобретения этот сливной трубопровод со сливной арматурой представляет собой одинарный сливной трубопровод, оснащенный одинарной сливной арматурой, причем на обеих сторонах этого одинарного сливного трубопровода с одинарной сливной арматурой предусмотрен одинарный блок запорной арматуры.
Благодаря тому. что в блокирующем устройстве также предусмотрено сливное устройство для жидкости, помимо предотвращения материального контакта жидкости из обратного потока с жидкостью из нагнетательного трубопровода также удается избежать косвенный термический контакт, например, предотвращая непосредственный термический контакт посредством теплопередачи горячей жидкости из резервуара, в который эта жидкость нагнетается, с более холодной жидкостью, которая нагнетается через нагнетательный трубопровод в резервуар.
Под временем срабатывания блокирующего устройства понимают промежуток времени от детектирования запускающего сигнала для перекрывания до полного закрытия арматуры.
С точки зрения техники безопасности часто предусматривается двойной сливной трубопровод, оснащенный двойной сливной арматурой.
Предпочтительным является компоновать блокирующее устройство таким образом, что с обеих сторон от двойного сливного трубопровода с двойной сливной арматурой, то есть, выше и ниже относительно направления движения потока располагается двойной блок запорной арматуры.
Предпочтительно блокирующее устройство регулируется схемой переключения при перепаде давления. Однако для этой цели подходят также и другие устройства, регистрирующие обратный поток, например, датчик массового расхода.
Согласно изобретению в нагнетательном трубопроводе перед резервуаром, который подлежит заполнению, при перекачивании жидкости с помощью насоса между насосом и резервуаром, который следует заполнить, расположен гидроаккумулятор. Этот гидроаккумулятор частично заполнен жидкостью, подлежащей перекачиванию. Выше уровня жидкости в напорный гидробак через подающий трубопровод вводится инертный газ. Оборудование такого типа является известным из уровня техники для гашения пульсаций. Однако согласно изобретению используется гидроаккумулятор, параметры которого подобраны так, что при падении давления в нагнетательном трубопроводе он поддерживает положительную разницу давлений в направлении нагнетаемого потока. Таким образом, этот гидроаккумулятор действует как буфер давления или как предварительно сжатая нажимная пружина.
Этот гидроаккумулятор предпочтительно включает вертикально расположенную трубку, которая при как можно более низком объемном содержании жидкости обеспечивает хороший уровень регулирования, то есть, расположена таким образом, что минимальные колебания объема жидкости вызывают максимальные перепады уровня жидкости. Эта трубка соединена с нагнетательным трубопроводом для жидкости предпочтительно в своей нижней части.
Однако это соединение нижнего конца трубки с нагнетательным трубопроводом предпочтительно служит только для отведения жидкости, подведение же предпочтительно осуществляется выше нижнего окончания этой трубки. Тем самым достигаются хорошее протекание жидкости через трубку и как можно более низкое время пребывания этой жидкости в трубке. Это является предпочтительным, прежде всего, в случае жидкостей, склонных к полимеризации.
Эта трубка оснащена измерителем уровня жидкости.
На верхнем конце эта трубка переходит в сосуд, который служит для приема жидкости до определенного уровня. Выше уровня этой жидкости через подводящее отверстие в гидроаккумулятор подается инертный газ, часто азот.
Сосуд на верхнем конце трубки предпочтительно имеет закругленную и симметричную конструкцию.
Эта трубка гидроаккумулятора часто имеет длину в интервале от 1 до 5 м, предпочтительно от 4 до 5 м, а также диаметр в интервале от 100 до 300 мм, предпочтительно в интервале между 90 и 150 мм.
Подбор параметров этого выдерживающего давление сосуда на верхнем конце гидроаккумулятора предпочтительно осуществляется, с учетом следующих граничных условий:
- минимального давления в резервуаре, подлежащем наполнению,
- максимального давления в гидроаккумуляторе,
- точки переключения и времени срабатывания схемы переключения при перепаде давления в блокирующем устройстве,
- времени перекрывания блокирующего устройства, а также
- давления подлежащей перекачиванию жидкости на входе перед нагнетательным трубопроводом.
В предпочтительном варианте исполнения изобретения жидкость, которую следует перекачивать, представляет собой алкиленоксид или смесь алкиленоксидов следующей формулы:
в которой
1
4
остатки от R до R независимо друг от друга соответственно представляют собой атомы водорода, алкил, содержащий от 1 до 4 атомов углерода, циклоалкил с числом атомов углерода 5 или 6 или фенильный остаток,
1
3
2
4
1
3
2
4
или R и R и/или R и R соответственно соединены друг с другом с образованием циклоалкильного остатка, причем R и R и/или R и R в сумме содержат предпочтительно 3 или 4 атома углерода, и при этом, при необходимости, остатки, не связанные друг с другом, соответственно представляют собой атомы водорода или алкильный остаток с числом атомов углерода от 1 до 4,
1
2
3
4
1
2
3
4
или R и R и/или R и R соответственно соединены друг с другом с образованием циклоалкильного остатка, причем R и R и/или R и R в сумме содержат соответственно 2, 3, 4 или 5 атомов углерода, а также
резервуар, который следует заполнить, представляет собой реактор, в котором алкиленоксид или смесь алкиленоксидов взаимодействует с алкиламинами или аммиаком.
Предпочтительно алкиленоксид представляет собой этиленоксид и/или пропиленоксид.
Другими предпочтительными алкиленоксидами являются изобутиленоксид, циклогексеноксид или стиролоксид.
При этом предпочтительно, как правило, предварительно нагретый алкиламин смешивается с алкиленоксидом посредством смесительного вентиля, который является частью блокирующего устройства, и подается в реактор, в котором протекает взаимодействие при повышенном давлении и повышенной температуре. В трубопроводе, содержащем алкиленоксид, величины давления и температуры устанавливаются таким образом, чтобы избегать кипения алкиленоксида. В принципе, в трубопроводе может быть установлено любое рабочее давление, необходимое для соответствующего процесса. Часто используются давления от 5 до 30 или от 70 до 150 бар.
2
В качестве инертного газа предпочтительно используется азот, благородный газ, метан или CO.
Другим предметом данного изобретения было предоставление применения описанного выше способа для надежного предотвращения обратного потока реакционной смеси из реактора для получения этаноламина, изопропаноламина, алкилалканоламинов, алкилдиалканолдиаминов и/или диалкилалканоламинов путем взаимодействия алкиленоксидов с аминами или аммиаком.
Далее данное изобретение поясняется более подробно на основании примеров осуществления, а также чертежей.
Примеры осуществления
max
В вытянутом в длину трубчатом реакторе компрессорной установки, работающей в непрерывном режиме, взаимодействует амин/водная смесь с этиленоксидом, далее сокращенно обозначаемым как ЭО, с образованием аликилэтаноламина. Добавление этиленоксида к алкиламин/водной смеси происходит при температуре приблизительно 90-110°С и абсолютном давлении приблизительно от 25 до 30 бар. Абсолютное давление на конце этого трубчатого реактора при режиме, соответствующем условиям, поддерживается с помощью регулирующего клапана на уровне 26 бар. ЭО сжимается при помощи мембранного насоса поршневого типа от величины абсолютного давления примерно 18 бар (на стороне всасывания) до величины абсолютного давления приблизительно 39 бар (на стороне нагнетания), а затем добавляется в реактор через редукционный клапан (поворотный конический клапан, Δb= от 8 до 10 бар). Перед этим редукционным клапаном располагается запорная арматура быстрого срабатывания (кран с шаровым затвором, сталь Z-качества), которая служит для препятствования обратному потоку. Между мембранным насосом поршневого типа и объектом регулирования установлен гидроаккумулятор, который, с одной стороны, должен минимизировать перепады давления на стороне нагнетания насоса, а, с другой стороны, должен достаточно долго поддерживать положительную разницу давлений. В качестве газовой фазы в гидроаккумулятор подается азот (p=41 бар (абсолютное значение)). Необходимый уровень заполнения ЭО или соответственно необходимое количество азота в поглотителе колебаний обеспечивается путем регулирования уровня заполнения.
Эта установка схематично представлена на фигуре 1.
Следует застраховаться от следующего варианта развития событий:
Допускают, что мембранный насос поршневого типа в трубопроводе для ЭО выходит из строя. Вслед за этим происходит падение давления в трубопроводе для ЭО, причем в качестве «самого плохого варианта» предполагают, что давление падает до предельно допустимого уровня давления в сети линий для ЭО. Кроме того, предполагают, что мембранный насос поршневого типа немедленно останавливается и не является полностью герметичным.
Поскольку давление в реакторе выше чем предельно допустимое давление в сети линий для ЭО, то это неизбежно должно приводить к обратному потоку из реактора в трубопровод для ЭО. Промежуток времени до возникновения обратного потока в основном определяется длительностью выхода содержимого из гидроаккумулятора, поскольку присутствующий в нем в предварительно сжатом состоянии, а затем расширяющийся объем инертного газа, помимо инерционности массы ЭО в трубопроводе, представляет собой единственный фактор, противодействующий обратному потоку. В течение этого промежутка времени блокирующее устройство должно быть полностью и плотно закрыто, потому что только так обеспечивается то, что продукт не может попасть в трубопровод для ЭО.
Кроме того, подбор параметров выдерживающего давление сосуда в гидроаккумуляторе осуществляется, с учетом следующих граничных условий:
- минимальное абсолютное давление в реакторе составляет 20 бар,
- максимальное абсолютное давление в выдерживающем давление сосуде гидроаккумулятора составляет 41 бар,
- точка переключения схемы переключения при перепаде давления в блокирующем устройстве составляет 3,5 бар (абсолютная величина),
- время срабатывания блокирующего устройства 3,5 с,
- время перекрывания арматуры блокирующего устройства 2 с, а также
- абсолютное давление жидкости на входе в линию для этиленоксида, составляет 13 бар.
Подбор параметров гидроаккумулятора производится автоматически с помощью обычной системы программ SIR-3S (выпуск 6.3), которая служит для моделирования нестационарного режима течения однофазного потока в системах трубопроводов.
Установка, представленная на фигуре 1, была преобразована в гидродинамическую имитационную модель, которая представлена на фигуре 2, и на которой отмечены расчетные узловые точки от К001 до К005.
Для расчета был установлен коммутационный сигнал для блокирующего устройства при разнице давлений, составляющей 3,5 бар: были учтены время срабатывания блокирующего устройства, равное 3,5 с, а также время перекрытия арматуры блокирующего устройства, составляющее 2 с.
Из результатов модельного расчета следует, что гидроаккумулятор, имеющий общий объем 21 л, из которого 4 л заполнено этиленоксидом, то есть, 17 л заполнены азотом, осуществляет желаемые функции.
Результаты моделирования для такого гидроаккумулятора представлены на фигурах 3-5, а ниже более подробно поясняются в описании этих фигур.
В частности, на чертежах представлено:
Фиг.1 схематическое изображение предпочтительной установки для осуществления способа согласно изобретению,
Фиг.2 гидродинамическая имитационная модель для установки, представленной на фиг.1,
Фиг.3-5 результаты моделирования для гидродинамической модели, представленной на фиг.2, а также
Фиг.6 предпочтительный вариант исполнения гидроаккумулятора.
Предпочтительный вариант исполнения изобретения, схематично представленный на фиг.1, демонстрирует установку для перекачивания этиленоксида через нагнетательный трубопровод 1 с помощью насоса 5, причем в нагнетательном трубопроводе 1 расположено блокирующее устройство 2, включающее двойной сливной трубопровод 6, оснащенный двойной сливной арматурой 7, а также расположенные с обеих сторон от него двойные блоки запорной арматуры 8. Блокирующее устройство 2, кроме того, включает датчики давления 11 и прибор для измерения разности давлений DP.
Жидкость нагнетается в резервуар 3, который находится под давлением и заполнен жидкостью. В нагнетательном трубопроводе 1 расположен гидроаккумулятор 4, имеющий трубку 9, которую обтекает поток жидкости, подлежащей нагнетанию, и которая заполнена этой жидкостью до определенного уровня, и причем над уровнем этой жидкости в выдерживающем давление сосуде 10, расположенном на верхнем конце трубки 9, находится буфер давления из азота.
Фигура 2 демонстрирует трансформацию установки, схематично представленной на фиг.1, в гидродинамическую имитационную модель, где приведены положения для расчетных узловых точек от К001 до К005.
Фигуры 3-5 показывают результаты моделирования для гидроаккумулятора.
На фигуре 3 нанесены процессы изменения давления в зависимости от времени для расчетных узловых точек от К001 до К005 в соответствии с имитационной моделью с фиг.2. Расчетная узловая точка К001 показывает давление на стороне нагнетания насоса 5, расчетная узловая точка К002 относится к точке присоединения гидроаккумулятора 4 к нагнетательному трубопроводу для ЭО 1. Обе эти расчетные узловые точки находятся на условном уровне, соответствующем 0 м. По оси абсцисс нанесено время переключения t [с], точно так же, как и на следующих фигурах.
Расчетные узловые точки К003, К004 и К005 находятся на уровне 25 м и обозначают точки перед запорной арматурой быстрого срабатывания (К003), перед управляемым обратным клапаном (К004) блокирующего устройства 2, а также в точке присоединения к реактору 3 (К005). После выхода из строя нагнетающего насоса 5 в момент времени в имитационной модели t=1 с давление во всех пяти расчетных узловых точках падает. Разумеется, как и следовало ожидать, в нагнетательном трубопроводе для ЭО 1 (К001-К004) оно падает быстрее, чем в реакторе 3 (К005), поскольку в реакторе 3 по-прежнему сохраняется объемный поток смеси амин/вода, а снижается только поток ЭО. Постоянно присутствующая разница давлений, составляющая 8 бар, имеющаяся в блокирующем устройстве 2 в нагнетательном трубопроводе для ЭО 1 между точками К003 и К005 уменьшается с увеличением времени до тех пор, пока в момент модельного времени 2,4 с не достигнет величины 3,5 бар. Таким образом, достигается точка переключения для блокирующего устройства 2, и начинается процесс перекрывания. В этой модели процесс перекрывания начинается на 100 мс позже (как дань возможному времени задержки сигнала), а, следовательно, к моменту времени t=2,5 с. Этот процесс перекрывания завершается на 2 с позднее, к модельному моменту времени 4,5 с. Обратный поток, который был бы ощутим в отрицательной разнице давлений между расчетными узловыми точками К004 и К005, к моменту времени 4,5 с не возникает.
Тот факт, что обратный поток нельзя зафиксировать, подтверждают также процессы изменения объемного расхода, представленные на фигуре 4. Объемный расход через регулирующий вентиль (К004-К005) постоянно положителен. Эта диаграмма также ясно демонстрирует, что «объемный расход утечек» через насос 5 («отверстие 5 мм») больше, чем объемный поток в направлении реактора 3. Таким образом, большая часть потребляемого гидроаккумулятором 4 объема ЭО как бы «теряется», то есть, совершенно не может быть использована для поддержания положительного объемного потока в направлении реактора 3. По этой причине объем гидроаккумулятора 4 должен выбираться больше, чем это было бы необходимо, если бы поток утечки через насос не следовало бы принимать во внимание.
На фигуре 5 демонстрируется изменение объемов ЭО в гидроаккумуляторе 4. К моменту времени 4,5 с, когда блокирующее устройство 2 полностью закрыто, в гидроаккумуляторе 4 еще находится незначительный объем ЭО (приблизительно 0,2 л). В данном примере также точно установлено, что нагнетательный трубопровод 1 наполнен ЭО до полного перекрывания блокирующего оборудования 2.
Таким образом, из данных результатов можно заключить, что гидроаккумулятор, имеющий общий объем 21 л, из которого 4 л заполнены ЭО, имеет параметры, достаточные для того, чтобы при описанных допущениях и граничных условиях обеспечить поддержание положительной разницы давлений в течение того времени, пока блокирующее устройство не закроется полностью.
На фигуре 6 показан предпочтительный вариант исполнения для гидроаккумулятора, имеющего вертикально расположенную трубку 9, которая на своем верхнем конце переходит в сосуд 10 с конической промежуточной частью, которая переходит в цилиндрическую часть. Как представлено на фигуре, жидкость, которую следует перекачать, предпочтительно подается в верхнюю часть вертикально расположенной трубки, а передается дальше на нижнем конце той же самой трубки, благодаря чему достигается перемешивание жидкости в гидроаккумуляторе.