Процессы массопередачи осуществляются на границе раздела фаз. В связи с этим, проектируя аппараты для массообмена, целесообразно максимально увеличить площадь контакта между газовой и жидкой фазами.
Одним из путей повышения производительности в нефтегазовой и химической промышленности является применение передовых контактных устройств с увеличенной площадью соприкосновения фаз, повышенной скоростью разделения и сравнительно низким гидравлическим сопротивлением.
При проектировании контактных устройств важнейшим фактором является учет их гидравлических и массообменных характеристик. В настоящее время существует большое разнообразие конструкций тарельчатых элементов, насчитывающее сотни вариантов.
Для систематизации этого многообразия предлагается классификация по принципу передачи жидкости. Выделяют два основных типа: тарелки с выделенными переточными устройствами и провальные тарелки. В первом случае жидкость перетекает с одной тарелки на другую независимо от потока пара посредством специальных каналов.
Варианты структурной организации потока жидкости на тарелках с переточными устройствами:
Рис. 1
А — однопоточная; Б — двухпоточная; В — четырехпоточная; Г — каскадная
Взаимодействие между жидкой и паровой фазами в основном реализуется по схемам перекрестного тока (тарелки с переточными устройствами) (Рис. 1, А) или противотока (провальные тарелки) (Рис. 1, В). В последнее время получили распространение перекрестно-прямоточные контактные устройства, которые объединяют принципы перекрестного и прямого токов в зоне взаимодействия фаз, что в общем позволяет достичь высоких показателей производительности и эффективности (Рис. 1, Б). Скоростные прямоточные тарелки (Рис. 1, Г) обеспечивают контакт между паром и жидкостью в условиях закрученного восходящего потока.
Для того, чтобы увеличить производительность тарелки, для взаимодействия фаз, применяют прямоток. А для повышения результативности контактности фаз предпочитают противоток или перекрестный ток.
Перекрестноточные типы тарелок (с учётом исключения ситчатых) отличаются наивысшей разделительной способностью, ввиду того что время контакта жидкости на них максимальное, в сравнении с другими видами тарелок. Они получили широкое применение в современных нефтегазовых технологиях, к таким относятся:
- Тарелки, сечение контактирующих фаз конструкций которых не регулируются: колпачковые с прямоугольными, шестигранными, круглыми, желобчатыми, S-образными колпачками, ситчатые и ситчатые с отбойниками.
- Тарелки с настраиваемым сечением следующих конструкций: клапанные с дисковыми, пластинчатыми, капсульными, дисковыми инжекционными клапанами; комбинированные колпачково-клапанные (например, S-образные и ситчатые с клапаном), клапанные с баластом и др.
В Российской Федерации более 60 % колонн оснащены клапанными тарелками, разработанными всесоюзными научно-исследовательскими институтами ВНИИНЕФТЕМАШ и УкрНИИхиммаш. Существующие конструкции, хотя и хорошо зарекомендовали себя на протяжении многих лет, имеют определенные ограничения по производительности и эффективности. Поэтому актуальной задачей остается разработка и совершенствование конструкций тарельчатых контактных устройств. В современной научно-технической литературе описывается конструкция ситчатой тарелки, характеризующаяся улучшенными показателями эффективности. Увеличение производительности на 20–50 % при сохранении эффективности достигается за счёт использования дополнительной перфорированной поверхности, расположенной под сливным стаканом.
Основной проблемой применения нерегулярных тарелок в крупных производствах является неравномерное распределение потоков жидкости и газа по сечению аппарата. В отличие от традиционных конструкций, таких как колеса и седла, регулярные тарелки обеспечивают более однородное распределение этих потоков в колоннах. Важным преимуществом регулярных тарелок является также их низкое гидравлическое сопротивление, которое составляет всего 1–2 мм рт. ст. (130–260 Па) на одну теоретическую тарелку.
Это указывает на то, что регулируемые контактные устройства обладают повышенной эргономичностью и практической целесообразностью при эксплуатации в промышленных условиях. В нефтеперерабатывающих заводах ряда развитых стран современные вакуумные колонны установок перегонки нефти оснащаются регулярными насадками, что способствует достижению глубокого вакуума внутри колонн и существенному увеличению выхода вакуумного газойля с одновременным повышением температуры конца кипения до 600°С.
В современном мире существует множество компаний, которые специализируются на создании передовых насадочных контактных устройств. Ниже представлены наиболее значимые:
- Компания Koch-Glitsch специализируется на предоставлении широкого спектра высокоэффективных массообменных устройств, предназначенных для применения в нефтегазовой, нефтехимической и химической промышленности. Предлагаемые компанией решения охватывают весь спектр задач, связанных с колоннами различного диаметра, работающими в условиях вакуума и высокого давления, а также с процессами, включающими загрязненные среды и требующие получения продуктов высокой чистоты.
- В основе деятельности компании Sulzer лежат технологии контроля потоков и аппликаторов. Компания специализируется на предоставлении решений в области насосного оборудования, обслуживании вращающихся машин, а также технологиях разделения, смешивания и нанесения. К услугам клиентов Sulzer доступна глобальная сеть из более чем 180 производственных и сервисных центров.
Компании предлагают разнообразные контактные устройства, направленные на повышение эффективности работы колонн. Несмотря на то, что их продукция уже применяется на некоторых российских нефтеперерабатывающих заводах, недостаток отечественных тарелок полностью не устраняется за счет частичной замены оборудования. Для полного решения проблемы требуется более системный подход.
Литература:
- А. Г. Лаптев, Н. Г. Минеев, П. А. Мальковский «Проектирование и модернизация аппаратов разделения в нефте- и газопереработке» — Казань: 2002. — 220 с.
- https://studfiles.net/preview/5760989/page:12/.
- Масштабный переход в химической технологии: разработка промышленных аппаратов методом гидродинамического моделирования/Розен А. М., Мартюшин Е. И., Олевский В. М. и др. — М.: Химия, 1980. — 320.
- Лейтес И. Л., Сосна М. Х., Семенов В. П. Теория и практика химической энерготехнологии. — М.: Химия, 1988. — 280 с.
- http://www.koch-glitsch.com/ru/default.aspx.
- https://sulzer.com/
