Россия
В работе на основании проверочных технологических расчетов произведена оценка эффективности работы десорбционной колонны для извлечения сероводорода из фенольно-сульфидной воды в цехе 86/57 производства нефтехимии АО «Ангарская нефтехимическая компания». По результатам расчетов сделан вывод о низкой эффективности установленных в колонне контактных устройств, и предложено мероприятие по повышению эффективности работы десорбционной колонны
десорбция, сероводород, фенольно-сульфидная вода, контактные устройства, поверх-ность массопередачи
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. Рамм, В.М. Абсорбция газов. Изд. 2-е, переработ. и доп. / В.М. Рамм. - М: Химия, 1976. - 656 с.
2. Рыбалко, Л.И. Процессы и аппараты химической технологии. Массообменные процессы : учебное пособие по специальности 240801 "Машины и аппараты химических производств" с примерами решения задач / Л.И. Рыбалко, Е.В. Подоплелов, А.И. Дементьев. - АнГТУ: Ан-гарск, 2009. - 134 с.
3. Рыбалко, Л.И. Расчет абсорбционных аппаратов : учебное пособие по курсовому проектированию процессов и аппаратов химической технологии / Л.И. Рыбалко, Е.В. Подоплелов, Л.В. Щукина, Д.П. Свиридов. - АнГТУ: Ангарск, 2012. - 77 с.
4. Бобылев, Е.П. Проектирование абсорбционной колонны для улавливания газообразного аммиака из железнодорожных цистерн / Е.П. Бобылев, Е.В. Подо-плелов, А.И. Дементьев // Современные технологии и научно-технический прогресс. - 2020. - Т. 1. - № 7. С. 25-26.
5. Подоплелов, Е.В. Проектирование десорбционной колонны установки водной отмывки технологических газов от аммиака и аминов / Е.В. Подоплелов, А.И. Де-ментьев, М.Н. Король // Сборник научных трудов Ангарского государственного тех-нического университета. - 2018. - Т. 1. - № 15. - С. 32-35.
6. Подоплелов, Е.В. Повышение эффективности установки водной отмывки технологических газов от аммиака и аминов / Е.В. Подоплелов, А.И. Дементьев, М.Н. Король // Современные технологии и научно-технический прогресс. - 2018. - Т. 1. - С. 34-35.
7. Бальчугов, А.В. Анализ работы и способы повышения эффективности аб-сорбционной установки для очистки технологических газов от аммиака и аминов / А.В. Бальчугов, А.В. Подоплелова, В.Ю. Рахманин, Е.В. Подоплелов // Вестник Ангарской государственной технической академии. - 2014. - № 8. - С. 71-77.
