Russian Federation
In this work, based on verification technological calculations, the efficiency of the desorption column for extracting hydrogen sulfide from phenol-sulfide water in workshop 86/57 of the pet-rochemical production of Angarsk Petrochemical Company JSC was assessed. Based on the calculation results, a conclusion was made about the low efficiency of the contact devices in-stalled in the column, and measures were proposed to increase the efficiency of the desorption column
desorption, hydrogen sulfide, phenol-sulfide water, contact devices, mass transfer surface
Процесс абсорбции находит широкое применение при получении готового продукта путем поглощения газа жидкостью (абсорбентом), разделении газовых смесей на составляющие их компоненты, при очистке газов от вредных компонентов из газовых выбросов. При физической абсорбции поглощение компонента не сопровождается химической реакцией, и процесс в большинстве случаев обратим. На этом свойстве основано выделение поглощенного компонента из раствора – десорбция. В промышленности процесс абсорбции обычно сочетают с десорбцией, что позволяет многократно использовать абсорбент и выделять поглощённый компонент в чистом виде.
С точки зрения методики расчета абсорбционные и десорбционные колонны можно разделить на две группы – с непрерывным контактом фаз (распылительные, насадочные колонны) и ступенчатым контактом фаз (тарельчатые колонн) [1-3]. В зависимости от вида контакта фаз могут использоваться различные уравнения рабочих линий, скоростей газового потока в колонне, расчеты высоты колонны. Эффективность работы колонных аппаратов для проведения процесса абсорбции и десорбции, прежде всего, зависит от качества проектирования, выбора эффективных контактных устройств и соблюдения параметров технологического процесса [4-5]. В работе поставлена задача оценить эффективность работы колонны, предназначенной для десорбции сероводорода из фенольно-сульфидной воды в цехе 86/57 производства нефтехимии АО «Ангарская нефтехимическая компания». Десорбционная колонна изготовлена диаметром 1600 мм, по высоте колонны имеются 4 тарелки, расположенные на расстоянии 4400 мм друг от друга. Схема материальных потоков в колонне представлена на рис. 1. В нижнюю часть колонны подается отдувочный газ – азот, на верхнюю тарелку осуществляется подача фенольно-сульфидной воды, содержащей сероводород. Очищенная от сероводорода фенольно-сульфидная вода выводится снизу колонны, а сероводородом с азотом – сверху колонны.
Расход фенольно-сульфидной воды, поступающей в колонну, является одним из основных технологических параметров, определяющим требуемый расход отдувочного газа (азота). В расчетах, в соответствии с практикой эксплуатации колонны, принят расход фенольно-сульфидной воды 80000 кг/ч. Концентрация сероводорода в фенольно-сульфидной воде на входе и выходе из колонны влияет на количество тарелок. Количество тарелок возрастает с увеличением концентрации сероводорода в фенольно-сульфидной воде на входе в колонну и с уменьшением концентрации сероводорода в фенольно-сульфидной воде на выходе из колонны [6-7]. В расчетах, в соответствии с технической документацией, принята концентрация сероводорода в фенольно-сульфидной воде на входе в колонну 791 мг/дм3, а на выходе – 35 мг/дм3. Давление в колонне избыточное – 0,015 МПа, температура фенольно-сульфидной воды на входе в колонну составляет не более 100 °С, расход отдувочного газа не более 795 м3/ч.
Рисунок 1 – Схема материальных потоков в колонне
На рис. 2 представлена конструкция контактных устройств колонны – тарелок, представляющих собой диск с отверстиями, к которому приварены переливные трубы с внутренним диаметром 96 мм и длиной 400 мм. Данная конструкция не относится к конструкциям стандартных тарелок, но используется в настоящее время в колонне.
Хотя тарельчатые колонны относятся к колоннам со ступенчатым контактом фаз, но в данном случае колонну можно рассматривать как с непрерывным контактом фаз, в которой газ и жидкость соприкасаются на поверхности текущей жидкой пленки внутри вертикальных труб, т.е. условно можно считать десорбер пленочным. Таким образом, расчет контактных устройств можно свести к определению требуемой поверхности массопередачи, а затем требуемую поверхность массопередачи сравнить с действительной поверхностью тарелок, определяемой внутренней поверхностью переливных труб.
Рисунок 2 – Конструкция контактного устройства колонны
В процессе проектирования колонны принималось допущение, что линия равновесия – это прямая линия. Уравнение линии равновесия имеет вид [3]:
,
где: – мольная масса компонента (сероводорода), кг/кмоль;
– мольная масса инертного носителя (азот), кг/кмоль; y – коэффициент; P – абсолютное давление в колонне.
Расход отдувочного газа определялся из уравнения материального баланса:
,
где: – количество десорбированного сероводорода, кг/ч;
– расход инертного носителя (азота), кг/ч;
– расход фенольно-сульфидной воды, кг/ч.
Отсюда минимальный расход азота:
,
где: ,
– относительные массовые концентрация сероводорода в фенольно-сульфидной воде на входе и выходе из колонны соответственно, кг/кг;
– равновесная концентрация сероводорода в газе на выходе из колонны, кг/кг;
– конечная концентрация сероводорода в азоте на выходе из колонны, кг/кг.
Действительный расход азота принимался при 20 % запасе:
.
Конечная концентрация сероводорода в азоте на выходе из колонны:
.
Средняя движущая сила процесса:
,
где: ,
– движущая сила процесса вверху и внизу колонны соответственно, кг/кг.
Скорость газа в трубах тарелок составит:
где: – площадь сечения труб, м2;
– плотность азота, кг/м3.
Критерий Рейнольдса для газовой фазы рассчитывался по формуле:
,
где: d – внутренний диаметр переливных труб, м; – плотность азота, кг/м3;
– коэффициент динамической вязкости азота, Па×с. По результатам расчетов
, что соответствует ламинарному режиму.
Критерий Прандтля для газовой фазы:
,
где – коэффициент диффузии сероводорода в азоте, м2/с.
При ламинарном режиме критерий Нуссельта для коротких труб рассчитывается по формуле [1]:
где – длина переливных труб, м.
Коэффициент массоотдачи в газовой фазе:
, м/с
или в кг/(м2·с)
Критерий Рейнольдса для жидкой фазы рассчитывался по формуле:
,
где: – коэффициент динамической вязкости фенольно-сульфидной воды, Па×с;
– линейная плотность орошения, кг/(м·с); n – количество переливных труб.
Критерий Прандтля для жидкой фазы:
,
где – коэффициент диффузии сероводорода в фенольно-сульфидной воде, м2/с.
В соответствии со значением воспользуемся формулой Борисова [1]:
.
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:
, м/с
где – приведенная толщина пленки жидкости, м.
или в кг/(м2·с)
.
Коэффициент массопередачи рассчитывался по формуле:
,
где k – угол наклона линии равновесия.
Поверхность массопередачи:
.
По результатам расчетов F = 327,5 м2.
Действительная поверхность массопередачи:
,
где – количество тарелок.
Действительная поверхность тарелок по результатам расчетов составила 29,4 м2, что значительно меньше требуемой поверхности массопередачи. Выходом из данной ситуации может быть увеличение расхода отдувочного газа до предельного значения 795 м3/ч, которое позволит увеличить движущую силу процесса абсорбции и в целом снизить требуемую поверхность массопередачи. По результатам моделирования процесса при работе колонны на предельной нагрузке требуемая поверхность массопередачи составила 72,4 м2, что также значительно меньше, чем действительная поверхность массопередачи, установленных в колонне тарелок.
Таким образом, даже при работе на предельной нагрузке по отдувочному газу, поверхности массопередачи четырёх тарелок будет не достаточно. Проанализировав конструкцию десорбционной колонны цеха 86/57 производства нефтехимии АО «Ангарская нефтехимическая компания» можно сделать вывод, что внутренний объём колонны используется нерационально из-за большого межтарельчатого расстояния. Наиболее рациональное решение для повышения эффективности работы колонны и увеличения поверхности массопередачи, без дополнительных конструктивных изменений – это расположить на имеющихся тарелках слой насадки, толщину которого необходимо определить расчётом. Толщина полотна тарелок равная 10 мм позволяет, в данном случае, разместить на них дополнительную нагрузку. В качестве насадки можно рекомендовать керамические кольца Рашига размером 100´100´10 мм, размещенные рядами на четырех тарелках. Использование в сочетании с тарелками насадки позволит увеличить поверхность массопередачи. Правильный выбор контактных устройств колонных аппаратов во многом определяет эффективность работы колонны, достижения установленных технологическим регламентом концентраций компонентов. В последнее время в промышленности многих стран внедряются новые насадки (регулярные и не регулярные), обладающие лучшими характеристиками, взамен тарельчатых контактных устройств.
1. Ramm, V.M. Absorbciya gazov. Izd. 2-e, pererabot. i dop. / V.M. Ramm. - M: Himiya, 1976. - 656 s.
2. Rybalko, L.I. Processy i apparaty himicheskoy tehnologii. Massoobmennye processy : uchebnoe posobie po special'nosti 240801 "Mashiny i apparaty himicheskih proizvodstv" s primerami resheniya zadach / L.I. Rybalko, E.V. Podoplelov, A.I. Dement'ev. - AnGTU: An-garsk, 2009. - 134 s.
3. Rybalko, L.I. Raschet absorbcionnyh apparatov : uchebnoe posobie po kursovomu proektirovaniyu processov i apparatov himicheskoy tehnologii / L.I. Rybalko, E.V. Podoplelov, L.V. Schukina, D.P. Sviridov. - AnGTU: Angarsk, 2012. - 77 s.
4. Bobylev, E.P. Proektirovanie absorbcionnoy kolonny dlya ulavlivaniya gazoobraznogo ammiaka iz zheleznodorozhnyh cistern / E.P. Bobylev, E.V. Podo-plelov, A.I. Dement'ev // Sovremennye tehnologii i nauchno-tehnicheskiy progress. - 2020. - T. 1. - № 7. S. 25-26.
5. Podoplelov, E.V. Proektirovanie desorbcionnoy kolonny ustanovki vodnoy otmyvki tehnologicheskih gazov ot ammiaka i aminov / E.V. Podoplelov, A.I. De-ment'ev, M.N. Korol' // Sbornik nauchnyh trudov Angarskogo gosudarstvennogo teh-nicheskogo universiteta. - 2018. - T. 1. - № 15. - S. 32-35.
6. Podoplelov, E.V. Povyshenie effektivnosti ustanovki vodnoy otmyvki tehnologicheskih gazov ot ammiaka i aminov / E.V. Podoplelov, A.I. Dement'ev, M.N. Korol' // Sovremennye tehnologii i nauchno-tehnicheskiy progress. - 2018. - T. 1. - S. 34-35.
7. Bal'chugov, A.V. Analiz raboty i sposoby povysheniya effektivnosti ab-sorbcionnoy ustanovki dlya ochistki tehnologicheskih gazov ot ammiaka i aminov / A.V. Bal'chugov, A.V. Podoplelova, V.Yu. Rahmanin, E.V. Podoplelov // Vestnik Angarskoy gosudarstvennoy tehnicheskoy akademii. - 2014. - № 8. - S. 71-77.
