(Поделиться) Особенности и характеристики структурированных наполнителей для разделения газов

Thread Content

Регулярные наполнители обладают такими преимуществами, как большая площадь поверхности, правильная структура, низкий уровень пористости, высокая пропускная способность, малое падение давления и большая гибкость в эксплуатации. По мере увеличения диаметра колонны с наполнителем возрастает внимание к оптимизации структуры наполнителя, разработке наполнителей различных размеров и материалов с высокой эффективностью, низким падением давления и большим пропускной способностью, к оптимальному сочетанию наполнителя с внутренними элементами колонны, а также к изучению движения и распределения жидкости в слое наполнителя. Решетчатые волнистые наполнители и пластинчатые волнистые наполнители, разработанные после 1960-х годов, в настоящее время являются наиболее широко используемыми типами упорядоченных наполнителей. Среди современных структурированных наполнителей в первую очередь следует выделить компанию Sulzer. В 1960-х годах компания разработала рифленированные наполнители из металлической сетки. В 1977 году были представлены наполнители типа Mellapak с рифленированной поверхностью в виде пластин. В 1994 году был создан наполнитель Optiflow с инновационной структурой и множеством каналов. Это свидетельствует о том, что исследования и разработки в области наполнителей с правильной структурой продолжаются. Уплотнители Mc-pak, выпускаемые японской компанией Mitsubishi Corporation, в основном разработаны на основе уплотнителей Mellapak. В последние годы наполнители Rombopak от швейцарской компании KUHNI и Raschig-Superpak от немецкой компании RASCHIG были разработаны и нашли успешное применение. Начиная с 1960-х годов в нашей стране велось систематическое исследование и разработка структурированных наполнителей, что позволило сформировать довольно полную научно-исследовательскую и производственную систему. Университет Тяньцзинь совместно с британским университетом Aston разработал импульсный регулируемый наполнитель под названием UnaPak ； Университет Цинхуа и Шанхайский институт химической промышленности разработали соответственно волнистые наполнители для прессованных пластин ； Компания Sinopec Luoyang Engineering Company разработала упорядоченные наполнители типа LH. В частности, Национальный исследовательский центр технологий дистилляции при Тяньцзиньском университете разработал на основе высокоэффективных наполнителей новый тип таких наполнителей — двунаправленные волнистые наполнители. У этого вида наполнителя большая площадь поверхности для процесса передачи веществ, оптимизированы каналы для потока газа и жидкости, высока способность к поперечному распространению; кроме того, он значительно превосходит металлические ребристые наполнители по таким характеристикам, как устойчивость к засорению, прочность, падение давления и пропускная способность. В последние годы, по мере активного развития таких отраслей, как тонкая химия, нефтехимия и производство удобрений, внимание людей привлекли исследования различных новых типов наполнителей для колонн. Разработка высокоэффективных наполнителей и их промышленное применение показали, что упорядоченные наполнители, в частности волнистые наполнители, обладают значительными преимуществами и эффективно заменяют традиционные наполнители, а также способствуют технической модернизации некоторых пластинчатых колонн. Разработка новых наполнителей и их массовое промышленное применение являются важным достижением в области исследований и использования колонн на международном уровне в настоящее время. 1. Падение давления при использовании упорядоченных наполнителей значительно ниже. Поскольку в упорядоченных наполнителях газ и жидкость вступают в контакт в виде мембраны, что отличается от процесса контакта фаз в колоннах с решетчатыми пластинами, падение давления в колонне с такими наполнителями составляет лишь 1/4–1/6 от падения давления в колонне с решетчатыми пластинами. Если сопротивление работы на верхней части колонны с использованием регулярно расположенных наполнителей составляет 3,5–4,2 кПа, то давление в нижней части колонны составляет всего 35–45 кПа. В нижней части колонны обычно по-прежнему используется колонна с ситовыми пластинами; сопротивление работы при этом также не меняется. Поэтому давление в нижней части колонны снижается на 0,05–0,06 МПа, в среднем до уровня 0,44–0,48 МПа. Это позволяет снизить мощность двигателя компрессора на 5–7%. 2. Регулярные наполнители обеспечивают высокую эффективность разделения. Чем ниже рабочее давление в колонне, тем лучше происходит разделение кислорода, азота и аргона, особенно кислорода и аргона. Коэффициент извлечения кислорода может увеличиться на 1–3%, а коэффициент извлечения аргона — на 5–10%. Практика показывает, что коэффициент извлечения кислорода в устройствах для разделения газов достигает более 99%, а коэффициент извлечения аргона — более 80%. Коэффициент извлечения в ректификационной колонне в значительной степени зависит от объема расширяющегося воздуха, поступающего в колонну; это особенно сильно влияет на коэффициент извлечения аргона. Поэтому постоянное повышение энтропийной эффективности турбин-расширителей и коэффициента усиления давления насосов является ключом к повышению коэффициента извлечения в ректификационной колонне. 3. У правильно упорядоченных наполнителей объем жидкости, находящейся в них, невелик. Обычно он составляет всего 1–6% от объема колонны, тогда как у колонн с ситовыми пластинами этот показатель составляет 8–10% от объема колонны. Небольшой объем жидкости означает, что она находится в колонне в течение короткого времени, падение давления при работе невелико, что способствует работе в условиях изменяющихся параметров. Диапазон проектирования ступенчатых колонн с регулируемым наполнителем может составлять от 40% до 120%. У оборудования для разделения газов мощностью 12000 м³/ч на пятом заводе по производству стали количество кислорода, выделяемого в колонне с использованием специальных наполнителей, может регулироваться в диапазоне от 9000 до 14000 мм³/ч. Рабочая нагрузка оборудования составляет от 75% до 117%. 4. У правильно упорядоченного наполнителя большие зазоры — доля зазоров в нем превышает 95%. В колоннах с ситовыми пластинами площадь отверстий составляет 80% от площади поперечного сечения колонны, причем доля отверстий находится в диапазоне 8–12%. Это значительно меньше, чем коэффициент пористости в слое наполнителя. При одинаковой нагрузке диаметр колонны с наполнителем меньше, чем у колонны с ситовыми пластинами ； В обычных условиях площадь его поперечного сечения составляет примерно 70% от площади сечения колонны с ситовыми решетками. Для крупных установок по разделению воздуха уменьшение размеров колонны способствует ее транспортировке. 5. Время запуска оборудования существенно сокращается. Процесс запуска аппаратуры для разделения газов происходит в режиме без выработки продукта; поэтому сокращение времени запуска является одним из способов снижения энергопотребления такой аппаратуры. Время запуска определяется как время, необходимое для запуска расширительного агрегата до начала выделения кислорода. После использования специальных наполнителей в верхней части аппарата количество жидкости, находящейся в нем во время нормальной дистилляции, значительно снижается, что позволяет существенно сократить время запуска. Обычно время запуска составляет всего 26–30 часов. 6. Содержание кислорода в фракции аргона составляет примерно 90%. Чтобы снизить его уровень до 1–2×10-4%, необходимо использовать метод низкотемпературной дистилляции. Для этого потребуется примерно 180 теоретических ступеней дистилляционной колонны; для колонны с ситовыми ступенями — более 300 ступеней. Уровень сопротивления будет составлять около 100 кПа. Очевидно, что в таких условиях грубый аргон не сможет быть выведен из колонны. Высота колонны с регулярным наполнителем составит примерно 45 м. Сопротивление составляет всего 14–16 кПа, поэтому становится возможным применение процесса полной дистилляции для получения аргона.