Анализ режимов циркуляции потоков в системе куб колонны - кипятильник

УДК 66.023

Н. Н. Зиятдинов, В. Н. Шарифуллин, А. А. Караванов

АНАЛИЗ РЕЖИМОВ ЦИРКУЛЯЦИИ ПОТОКОВ В СИСТЕМЕ КУБ КОЛОННЫ - КИПЯТИЛЬНИК

Ключевые слова: Ректификационная колонна, куб, кипятильник, циркуляция, пульсация, обнаружение неисправности,

аммиак, вода, этаноламины.

Предложен практический подход для качественной оценки режимов циркуляции потоков в системе куб ректификационной колонны - кипятильник. Подход продемонстрирован на примере колонны выделения аммиака производства этаноламинов. Показаны причины перехода естественной циркуляции в режим пульсаций и способы их устранения.

Key words: Distillation column, bottom, boiler, circulation, ripple, troubleshooting, ammonia, water, ethanol amines.

The paper focuses on a practical approach to qualitative assessment of flow circulation regimes in the bottom of the distillation column - boiler system. The approach is demonstrated through the example of ammonia separation column in production of ethanol amines. The paper describes reasons for transition of natural circulation to pulsation mode and approaches to eliminate them.

Исправная работа оборудования химико-технологических установок является залогом их промышленной безопасности и

энергоресурсосбережения [1]. В связи с этим поиск причин неисправностей оборудования и способов их ликвидации представляет собой актуальную как научную, так и практическую задачу. В химической технологии важное место занимают процессы ректификации из-за их широкой

распространённости и высокой энергоемкости [2, 3].

В статье рассматривается одна из проблем устойчивой работы ректификационной колонны, связанная с нарушением естественной циркуляции материально-энергетического потока в системе куб колонны - кипятильник, которая приводит к выходу из строя кипятильника.

В ректификационных колоннах, в большинстве случаев, подвод тепла на разделение производится за счет естественной циркуляции среды в направлении куб колонны - кипятильник [2, 3]. Образующийся в кипятильнике паровой поток направляется на осуществление процесса ректификации. При этом движущей силой естественной циркуляции является разность давлений жидкости в кубе колонны (опускной канал) и парожидкостной смеси в трубном пространстве кипятильника (подъемный канал). В свою очередь давления в обоих каналах определяются плотностью циркулирующих в них сред, а значит их составом и газосодержанием.

Движущая сила естественной циркуляции затрачивается на преодоление суммарного гидравлического сопротивления, которое складывается из потерь давлений в кипятильнике, нижней соединительной трубе, шлемовой трубе и кубе.

Известны следующие режимы нарушения циркуляции [4-7]: полуопрокинутое движение среды; опрокинутое движение; режим запирания; пульсационный режим. Для диагностики нарушения циркуляции и разработки способов его предотвращения важно знать причины и условия, при которых они возникают. Они подробно рассмотрены в приложении к процессам

парогенерации тепловых электростанций [5, 6]. Опишем кратко режимы нарушения циркуляции.

• Полуопрокинутое движение возможно в отдельных трубах кипятильника. Обязательным условием возникновения полуопрокинутого движения является наличие слоя жидкости над трубной решеткой кипятильника. При полуопрокинутом движении труба питается жидкостью в противотоке с паром. Устойчивое полуопрокинутое движение определяется касательными силами трения на границе раздела фаз и устойчиво существует в узкой области изменения скорости парового потока ю0 от 0 до ю0кр.,

определяемой скоростью сноса паровых пузырей. При полуопрокинутом состоянии теплообмен не ухудшается, а в области низких тепловых потоков интенсифицируется по сравнению с оптимальными режимами работы кипятильников с естественной циркуляцией. Возникновение полуопрокинутого движения возможно при значении комплекса

КЫ°'2 < 0,75 , где К = - критерий

устойчивости двухфазного потока; 0 -

приведенная скорость пара, м-с-1; р", р" - плотности

жидкости и пара, соответственно, кг-м-3; ст -коэффициент поверхностного натяжения,

Н-м-1; д -

ускорение свободного падения, м-с-2.

• Опрокинутое движение или опрокидывание циркуляции возникает в трубах кипятильника при низком тепловом потоке от теплоносителя и высоком гидравлическом сопротивлении в опускном канале циркуляционного контура и при наличии жидкости над трубной решеткой кипятильника. Экономайзерный участок кипятильника может достигнуть такой величины, что циркуляция в этих трубах прекращается, когда полезный напор кипятильника становится меньше или равным полезному напору в опускном канале. Кипятильные трубы начинают работать в опускном режиме. Переход на опускное движение через полуопрокинутое наступает при снижении

теплового потока до значения, при котором

Гр"^0,2

комплекс К1 — 1 < 0,1.

И

• Режим запирания. Движение в циркуляционном контуре прекращается.

• Пульсационный режим. Он характеризуется периодическими колебаниями расходов и давления среды. Причем нагреваемая среда может менять свое направление движения на противоположное. Периодические изменения скорости вызывают колебания температур, которые приводят к разрушению трубок кипятильника [4].

Основными причинами, вызывающими нарушение циркуляции являются: ошибки, допущенные при проектировании, в частности неверный гидравлический и тепловой расчеты элементов циркуляционного контура (расчет местных сопротивлений, диаметров патрубков, площади теплообмена и т.д.); закоксовывание со временем внутренней поверхности труб, по которым протекает нагреваемая среда, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи и увеличению гидравлического сопротивления [3, 8, 9, 10].

Очевидно, что для процесса ректификации нарушение естественной циркуляции, при наличии отмеченных причин, связано с составом разделяемой смеси.

В случае разделения близкокипящей смеси, снижение циркуляции приводит к увеличению «проскока» легкого ключевого компонента с кубовым продуктом и, как следствие, нарушению технологического регламента и перерасходу теплоносителя для поддержания требуемого температурного режима куба колонны. Незначительная разность плотностей

близкокипящих легкого и тяжелого ключевого компонента приводит в худшем случае к полуопрокинутому движению среды.

Более тяжелые последствия от нарушения естественной циркуляции возникают при разделении ширококипящей смеси. В этом случае, при увеличении «проскока» легкого ключевого компонента, при определенной концентрации его в кубе происходит вскипание смеси с поверхности куба колонны. Плотность среды в кубе становится ниже плотности парожидкостной смеси в трубах кипятильника. В результате снижается кратность циркуляции, движение среды переходит в пульсационный режим либо в режим опрокидывания, и кипятильник запирается. Возникает резкий перепад температур по высоте кипятильника, который приводит к деформации и разрыву трубок. Требуется останов производства с целью ремонта вышедшего из строя кипятильника, что приводит к невосполнимым экономическим потерям.

Поэтому с целью предотвращения аварийной ситуации следует ответить на следующие вопросы:

• Каковы предельные концентрации легкого ключевого компонента в кубе колонны, при которых

циркуляция достигает своего минимального критического значения и переходит в пульсационный режим либо режим опрокидывания, и кипятильник запирается;

• По каким косвенным измеряемым параметрам можно диагностировать режим циркуляции;

• Как предотвратить накопление (увеличение концентрации легкого ключевого компонента) в кубе колонны, и как могут отразиться предложенные меры на эффективности работы всего производства.

Оперативная оценка режима движения в кипятильных трубах по значению комплекса 0,2

действующей промышленной

К\Р

Р

для

установки не представляется возможной из-за трудностей получения экспериментальных данных. Поэтому желательно использовать регистрируемые параметры технологического режима, позволяющие косвенно оценить степень циркуляции.

Таким параметром может служить температурный профиль циркуляционного контура. Как правило, температуры в циркуляционном контуре замеряются в средней части куба ((к) и нижней трубе, соединяющей куб колонны с кипятильником (т). Эти две температуры можно свернуть в один безразмерный показатель циркуляции, представляющий отношение температур Р = ^¡{^ . Очевидно, что в режиме нормальной циркуляции температура в кубе должна быть незначительно выше температуры в нижней соединительной трубе и показатель Р будет ненамного превышать 1.

При полуопрокинутом состоянии нагретая пленка жидкости стекает по внутренней поверхности труб кипятильника и смешивается с кубовой жидкостью через нижнюю соединительную трубу. Отсюда температура куба будет меньше температуры в нижней соединительной трубе. Поэтому значение показателя Р будет меньше 1. Причем чем меньше значение Р , тем ниже циркуляция.

При пульсационном режиме показатель Р будет колебаться около значения, равного 1.

Снизить концентрацию легкого ключевого компонента в кубе колонны можно, увеличив паровое число. Традиционным способом увеличения парового потока в колонну является увеличение тепловой нагрузки за счет увеличения расхода теплоносителя в кипятильник или использования теплоносителя с более высокими энергетическими параметрами. Однако это не всегда оказывается реализуемым вследствие отсутствия такового теплоносителя, а также того, что эксплуатация кипятильника с другим теплоносителем может быть ограничена условиями техники безопасности. Кроме того, высокие гидравлические и термические сопротивления в циркуляционном контуре могут не дать желаемого эффекта.

Предложенный подход к анализу режимов циркуляции продемонстрируем на примере диагностики работы колонны выделения аммиака производства этаноламинов из окиси этилена и аммиака. Особенность разделяемой смеси заключается в том, что легкий ключевой компонент - аммиак, тяжелый ключевой компонент - вода и следующий за ним - моноэтаноламин имеют широкий диапазон температур кипения компонентов смеси. Так, при нормальном давлении, температура кипения аммиака -33.4°С, воды -100°С, моноэтаноламина - 171°С. Кубовая жидкость подогревается в кипятильнике водяным паром с давлением 15 атм. При этом циркуляция куб -кипятильник, естественная. При таких условиях в пар переходят в основном только аммиак и вода. Неустойчивая работа колонны, частые срывы технологического режима, приводящие к разрыву трубок кипятильника и преждевременному останову оборудования на ремонт, поставили задачу диагностики и устранения неисправностей. Были исследованы температурные профили работы колонны в различных режимах. На рис. 1 - 3 приведены температурные профили, полученные из режимных листов, заполняемых ежечасно (♦ -температура куба, °С;  - температура соединительной трубы, °С;  - Р = ^¡(г ).

200 п I

180 -160

0

°° 140 л Й 120

й 100 к

1 80

60 40 ^ 20 -0 0

1,4 1,2

1,0 ¡5

и

0,8 §

3 то

И

О

0,6 к

0,4

0,2

0,0

4 6 : время, час

10 12

Рис. 1 - Температурный профиль в режиме полуопрокинутого состояния

Из приведенных на рис.1 графиков видно, что рабочему состоянию кипятильника рассматриваемой колонны соответствует полуопрокинутый режим, поскольку температура в нижней соединительной трубе на всем рассматриваемом временном интервале выше температуры в кубе, и значение показателя Р значительно меньше 1. Концентрация аммиака на этом интервале колебалась в пределах 0,5 % масс., что соответствует требованиям регламента. Из графиков, приведенных на рис. 2, видно, что при пульсационном режиме возможны пересечения температурных кривых. Значение показателя Р

колеблется в пределах 1. Концентрация аммиака, вызвавшая пульсационный режим, лежит в пределах 4,5% масс. На рис. 3 представлены результаты измерений, показывающие переход от режима пульсаций в режим полуопрокинутого состояния. Результаты получены в период пуска колонны. Вдоль временной оси абсцисс нанесены данные о концентрации аммиака в кубе колонны на текущий момент времени. Из приведенных результатов четко просматривается корреляция между концентрацией аммиака в кубе и режимом работы кипятильника.

200 180 160 140

р

£ 120 ер100

О

80 60 40 20 0

1,4

1,2

1,0 л

<ц

0,8 СО со

И

0,6 К

0,4

0,2

0,0

4 6 : время, час

10 12

Рис. 2 - Температурный профиль в режиме пульсаций

Рис. 3 - Температурный профиль в режиме пульсаций и перехода на полуопрокинутое состояние;

Анализ представленных температурных профилей позволил сделать предположение, что основной причиной высокого содержания аммиака в кубе колонны и, как следствие, пульсационного и полуопрокинутого режимов являются высокие гидравлические сопротивления в зонах

циркуляционного контура, в частности нижней соединительной трубы.

Для проверки этого предположения был проведен расчет циркуляции по уравнению:

н(Ркуб - Ркип)- д = Аркип + АРкуб + АРтр + АРШл (1) где Н - высота парожидкостного слоя, м; рКуб ,р кип - плотности сред в кубе и кипятильнике, кг-м-3; д -ускорение свободного падения, м-с-2; АР кип, АР куб, АРтр, АРшл - потеря напора в кипятильнике, кубе, нижней соединительной и шлемовой трубах, соответственно.

При расчетах сопротивлением АР^

пренебрегли. Сопротивления однофазного потока АРтр рассчитывали по известным уравнениям

гидравлики. Сопротивления двухфазного потока АРкип, АРШл рассчитывали по методике, изложенной в [11, 12].

Расчеты показали, что основное гидравлическое сопротивление сосредоточено в нижней соединительной трубе, и увеличение ее диаметра в два раза увеличивает циркуляционный поток на 194%. Дальнейшая реконструкция циркуляционного контура с целью увеличения диаметра нижней соединительной трубы подтвердила результаты расчета. На рис. 4 приведены графики температурного профиля циркуляционного контура после реконструкции.

200 -| 180

О

160 140

та ft

Is 120

а 100 и

| 80 60 40 20 0

1,4 1,2

1,0 ¡3

U

7 то

И

О

0,6 G

0,4

0,2

0,0

4 6 : время, час

10 12

Температура куба незначительно превышает температуру нижней соединительной трубы и, следовательно, показатель циркуляции P чуть больше 1.

Литература

1. А.Ф. Егоров, Т.В. Савицкая, Анализ риска, оценка последствий аварий и управление безопасностью химических, нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. Колос-М, Москва, 2010. 526 с.;

2. А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов, Н.Г. Минеев. Основы расчета и модернизация тепломассобменных установок в нефтехимии. Казан. гос. энерг. ун-т, Казань, 2010. 574 с.;

3. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчета и основы конструирования. - 3-е изд., перераб. М.: Химия, 1978. 280 с.;

4. Кутепов А.М., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании: Учеб. пособие для втузов.- 3-е изд., испр. М.: Высш.шк., 1986. 448 с.;

5. Стырикович М.А., Мартынова О.И. Миропольский З.Л. Процессы генерации пара на электростанциях: Учебник для энергетических специальностей вузов. М.: Энергия, 1969. 312 с.;

6. Стырикович М.А., Катковская К.,Я., Серов Е.П. Парогенераторы электростанций. М.-Л.: Энергия, 1966. 384 с.

7. Оптимизация теплообменного оборудования пищевых производств / Г.Е. Каневец, И.И. Сагань, Н.В. Иванова и др.; Под общ ред. Г.Е. Каневца, И.И. Саганя. К.: Техшка, 1981. 192 с.;

8. Г.М. Островский, Н.Н. Зиятдинов, Т.В. Лаптева, Н.Ю. Богула. Доклады Академии наук, 431, 6, 768-771

9. Н.Н. Зиятдинов Н.Ю. Богула, Т.В. Лаптева, Г.М. Островский. Вестник Казан. технол. ун-та, 5, 118-123 (2011);

10. .HenryZ. Kisler Disstillation Troubleshooting. John Wiley&Sons, Inc., New Jersey, 2006. 713 p.;

11. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учебное пособие для вузов / Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова - 9-е изд., перераб. и доп. Химия, Л.:, 1981. 560с.;

12. Д.А. Крючков, А.А. Косарева, Л.Г. Григорян. Методика теплового и гидравлического расчета вертикальных термосифонных рибойлеров.: учебно-методическое пособие. Самар. гос. техн. ун-т, Самара, 2009. 67с.

Рис. 4 - Температурный профиль в режиме нормальной циркуляции

© Н. Н. Зиятдинов - д.т.н., зав. каф. системотехники КНИТУ, nnziat@yandex.ru; В. Н. Шарифуллин - д.т.н., профессор каф. инженерной кибернетики КГЭУ; vilen44@mail.ru; А. А. Караванов - ст. преподаватель каф. системотехники КНИТУ, k.ant@mail.ru.

© N. N. Ziyatdinov - Full Professor, Doctor of Sciences in Engineering, Chair of Process System Engineering Department, KNRTU, nnziat@yandex.ru; V. N. Sharifullin - Full Professor, Doctor of Sciences in Engineering, Professor in the Engineering Cybernetics Department, KGEU, A. A. Karavanov - Associate Professor in the Process System Engineering Department, KNRTU, k.ant@mail.ru.