Комплекс получения синтез-газа

1 2 3

---

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
АНАЛИТИЧЕСКИЙРАЗДЕЛ
1.1 Малотоннажные комплексы
1.2 Блок коррекции синтез газа
1.2.1 Компоненты комплекса получения синтез-газа
1.2.2 Принцип работы блока коррекции синтез газа
1.3 Смеситель блока коррекции
1.3.1 Виды смесителей
1.3.2. Использование статических смесителей в промышленности
1.4 Сепаратор блока коррекции
1.4.1 Виды сепараторов
1.4.2 Устройство и принцип работы
1.5 Теплообменники блока коррекции
1.6 Вывод раздела
2 РАСЧЁТНО АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
2.1. Расчёт сепаратора
2.1.1 Расчёт эффективности сепарации
2.1.2 Расчёт насадочного слоя
2.1.3 Расчёт секции с трубками
2.1.4 Результаты расчёта
2.2 Расчёт смесителя
2.3 Расчёт теплообменных аппаратов

2.3.1 Описание метода расчёта ТОА
2.3.2 Результаты расчёта ТО3
2.3.3 Результаты расчёта ТО4
2.4 Вывод по расчётно-аналитическому разделу
3 КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ
3.1 Выбор диаметров патрубков и подбор соединительных элементов
3.4 Выбор компенсатора температурных удлинений и деформаций
3.5 Разработка процесса сборки смесителя
3.6 Разработка процесса сборки сепаратора
3.7 Разработка процесса сборки теплообменников
3.8 Вывод по разделу
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Существующие технологии получения метанола, как правило базируются на двух и более стадийных процессах, при которых на первой стадии, наиболее сложной и дорогостоящей, осуществляется паровая (1), парокислородная (2) или углекислотная (3) конверсия метана в присутствии катализатора при температурах 700-900 ̊С и давлении 2-3 МПа.

CH4+H2O  CO+3H2 – 206 кДж/моль (1)

CH4+1/2O2  CO+2H2 + 36 кДж/моль (2)

CH4+CO  2CO+2H2 – 247 кДж/моль (3)

В процессе протекания реакции происходит высокое потребление тепла, если добавить к этому энергозатраты для производства пара, то уже первая стадия получается весьма энергоёмкой. На второй стадии происходит конверсия полученного синтез-газа в метанол, при этом требуется что бы распределение температуры во всём объёме реактора была равномерная. Это требование необходимо для достижения высокой степени селективности конверсии с целью получения чистого продукта.

Предприятия по выпуску метанола размещены в различных экономических районах нашей страны, поэтому и виды используемого сырья различны, что видно на рисунке 1. Несмотря на достигнутые успехи, производство метанола продолжает совершенствоваться. Разрабатываются более активные и селективные катализаторы, а также совершенствуются цинк- хромовые катализаторы, методы получения и подготовки исходного технологического газа, аппаратурное оформление процесса [1,2,3,4].

Общепринятая схема промышленного производства метанола большой мощности, достигается при создании крупномасштабных производств метанола производительностью более 1 млн т. в год. Строительство таких объектов дорого и требует более, чем значительных капитальных затрат, а также, большого количества обслуживающего персонала.

Рисунок 1 – Структура мирового производства метанолы по виду сырья

Область потребления метанола широка — от сырья для пластмасс, каучуков, красок, синтетических смол до дезинфицирующих лекарственных средств. К 2027 г. мировой спрос на метанол может достигнуть 135 млн т, ежегодно увеличиваясь на 5,5%. Самый большой рост прогнозируется в Азии, рисунок 2.

В список крупнейших стран-производителей метанола входят Китай, Саудовская Аравия, Тринидад и Тобаго, Иран и Россия. Наша страна экспортирует 2,11 млн т. метанола в год. Ключевыми мировыми лицензиарами технологий производства метанола являются компании Haldor-Topsoe, Johnson Matthey (ICI), Lurgi, Toyo Engineering, Casale, thyssenkrupp Industrial Solutions AG.

Россия полностью обеспечивает себя метанолом. Его выпуск стабильно растет за счет введения новых мощностей и модернизации. В России крупнейшим производителем метилового спирта являются «Метафракс» (г. Губаха, Пермский край) с годовой мощностью 1,180 тыс. т, и томский

«Сибметахим» мощностью – 900 тыс. т.

Замыкает тройку лидеров «Томет» с ежегодным производством порядка 700 тыс. т. Большим производственным потенциалом обладает «Щекиноазот» (Тульская область), запустивший в конце 2018 г. новую установку мощностью 450 тыс. т. в год. К 2030 г. в России запланирована реализация не менее 15

 

проектов по производству метанола, с общим объёмом продукции более 19 млн т. Таким образом, суммарная мощность предприятий вырастет в 5 раз.

 

Рисунок 2 – Рост мирового производства метанола

По России метанол транспортируется в специализированных цистернах (модели 15-1572, 15-1610 и др.) по железной дороге. Метанол относится к категории опасных наливных грузов. Сухопутными маршрутами на экспорт идет около 40% российского метанола. Среди получателей, ориентированных на сухопутную доставку, лидирует Польша (и объемы поставок растут). Крупными потребителями также являются Нидерланды, Словакия, Литва, Румыния, Казахстан. Традиционно российский метанол поставлялся потребителям западной и центральной Европы транзитом через территорию Украины, который постепенно сокращается. В 2015 году он составил 460 тыс. тонн, в 2019 году – 260 тыс. тонн. С 2017 года грузопотоки перераспределяются на новый маршрут – через Белоруссию, в основном через станцию Брузги на границе Польши и Белоруссии. В 2019 году объемы этого грузопотока составили около 300 тыс. тонн.

Преобладающая часть экспорта российского метанола – около 60% отгружается через морские порты. И это направление растет быстрее, чем отправки по сухопутному маршруту. Экспорт через морские порты в 2015-

 

2019 годах вырос на 73%, в то время как через сухопутные погранпереходы – только на 44%. Доля морских портов в экспорте выросла с 57% до 62% за этот период.

Однако, транспортировка и хранение значительных объемов метанола является крупным экологическим риском. Метанол – сильнодействующий яд. Разливы метанола неизбежно приводят к экологическим катастрофам. Обращение с метанолом требует от логистической инфраструктуры дополнительных затрат, а зачастую, строительства отдельных дополнительных мощностей. В связи с этим серьёзной проблемой является возрастание стоимости метанола в два и более раза.

Исходя из этого можно сделать вывод, что подобные технологии применимы только для крупных комбинированных производств свыше 400-

500 тысяч тонн метанола в год, где становится оправданной утилизация тепловых потерь для покрытия высоких энергозатрат и снижения себестоимости получаемых продуктов [5,6,7,8].

Основной проблемой для осуществления перехода к малотоннажному производству является отсутствия эффекта масштабирования, крупнотоннажные технологии экономически невыгодны для производства метанола в малых объёмах.

Известна модель установки малотоннажного комплекса (МК) производства метанола, основанная на технологии применения некаталитического парциального окисления природного газа или метано- этановых фракций попутных нефтяных газов [9,10,11,12]. Однако ни кем, не произведены исследования процессов в аппаратах и расчёт массогабаритных характеристик узлов блока коррекции состава синтез газа, с целью определения практической реализации мобильности установки.

Интерес к исследованию именно БК вызван, важностью обеспечения, необходимого давления, температуры и состава синтез газа. перед подачей на установку метанола.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

Малотоннажные комплексы

 

МК прежде всего будут интересны тем компаниям, которые связаны с добычей и транспортировкой природного газа, на отдалённых месторождениях, одной из проблем которых является образование газовых гидратов в узлах скважин и технологических трубопроводах [13,14,15].

Образование технологических газовых гидратов неизбежно, при добыче и транспортировки газа в климатических условиях Крайнего Севера, без применения ингибиторов гидратообразования.

Техногенные газовые гидраты (ГГ) могут образовываться в системах добычи газа: в призабойной зоне, в стволах скважин, в шлейфах и внутрипромысловых коллекторах, в системах промысловой и заводской подготовки газа, а также в магистральных газотранспортных системах. В технологических процессах добычи, подготовки и транспорта газа твердые ГГ вызывают серьезные проблемы, связанные с нарушением протекания этих процессов.

В настоящее время на действующих месторождениях Крайнего Севера России в качестве ингибитора гидратообразования используется только метанол.

Метанол, по сравнению с другими ингибиторами, обладает: наибольшей антигидратной активностью; низкой температурой замерзания и низкой вязкостью при отрицательных температурах, что позволяет ему сохранять рабочие свойства в климатических условиях Крайнего Севера; отсутствием коррозионной способности по отношению к материалам оборудования и трубопроводов; простотой использования (не требует приготовления, непосредственно вводится в технологическую линию);

Всё вышеперечисленное ставит метанол вне конкуренции по сравнению с  другими  ингибиторами  гидратообразования.  Экспертами  газовой промышленности прогнозируется увеличение потребления метанола к 2030 г до 1 млн в год (в России).

Не менее важной проблемой, в решении которой могут помощь технология малотоннажного производства, является проблема утилизации низконапорных попутных нефтяных газов (ПНГ) малодебитных и удалённых от потребителей нефтяных и газовых месторождений) – одной из наиболее актуальных экологически проблем для российского нефтегазового сектора [16].

Наша страны занимает ведущие позиции в мире по объёмам его сжигания, рисунок 3. В настоящее время доля утилизации ПНГ в развитых странах – США, Канаде, Норвегии – составляет 99 – 100%, а в России, странах Ближнего Востока и Африки значительная часть попутного газа сжигается в факелах.

рисунок 3 – Объём факельного сжигания попутного газа за 2019 г., млрд. куб. м.

В Российской Федерации ситуация обстоит следующим образом. Только в одной Тюменской области за годы эксплуатации нефтяных месторождений было сожжено порядка 225 млрд. м³ попутных нефтяных газов (ПНГ), при этом более 20 млн. т., загрязняющих веществ поступило в окружающую среду. Как известно, ПНГ представляет собой смесь углеводородов, которые растворены в нефти. Он содержится в нефтяных пластах и высвобождается на поверхность при добыче нефти. ПНГ отличается от природного газа тем, что помимо метана состоит из бутана, пропана, этана и других более тяжелых углеводородов. Кроме того, в нем можно обнаружить и не углеводородные составляющие, такие как гелий, аргон, сероводород, азот, углекислый газ.

Сжигание попутного нефтяного газа приводит к ущербу окружающей среды, способствует парниковому эффекту, нанося вред здоровью населения. Кроме того, бездарная потеря ценных углеводородов несёт серьёзные экономические убытки. Попутный нефтяной газ – важное сырьё для энергетической и химической отраслей промышленности. Он обладает большой теплотворной способностью, а входящие в состав ПНГ метан и этан используются в производстве пластмасс и каучука, другие его элементы – ценное сырьё для высокооктановых топливных присадок и сжиженных углеводородных газов.

Уровень утилизации ПНГ во многом определяет эффективность развития всего нефтегазового комплекса той или иной страны. Использование ПНГ — маркер квалификации государства и бизнеса в вопросе комплексного освоения недр, использования сырья и экологической безопасности.

Помимо убытков при сжигании ПНГ который можно было бы использовать, предприятиям приходится платить огромные штрафы при полезном использовании менее 95% ПНГ. Однако министерство энергетики РФ предложило ужесточить систему штрафов и повысить этот уровень до 97,5%, то есть штрафовать предприятия при сжигании более 2,5% газа [17]. Таким образом полезное использование газа становится более рентабельным или как минимум менее убыточным, чем его сжигание.

 

Подводя итог выше сказанного следует, что актуальной задачей является разработка новых технологий для создания рентабельных малотоннажных производств метанола производительностью 2-5 тыс. т в год, размещаемых непосредственно в районах разрабатываемых месторождений. Большим плюсом которых является модульность и простота технологической схемы, которая обеспечивает возможность предварительной сборки модулей и блоков ещё на заводе изготовителе, что значительно облегчает и удешевляет монтаж на месте. Это может способствовать развитию нефтегазового комплекса страны.

Потому, важной задачей является исследование узлов блока коррекции состава синтез-газа, целью которого является анализ массогабаритных характеристик, для оценки возможности поместить данную установку в 20 футовый контейнер.

Блок коррекции синтез газа

Компоненты комплекса получения синтез-газа

 

Основными требованиями к малотоннажным установкам по производству метанола являются: надёжность, минимальные массогабаритные характеристики, блочно-модульное исполнение для удобства транспортировки, монтажа и эксплуатации в тяжёлых климатических условиях, максимальная степень интеграции с существующей инфраструктурой, источниками сырья, энергоресурсами, инженерными сетями.

Рассматриваемая установка получения синтез-газа для малотоннажного производства метанола основана на технологии применения некаталитического парциального окисления природного газа или метано- этановых фракций попутных нефтяных газов. Парциальное окисление углеводородных газов происходит в процессе их горения при недостатке окислителя – кислорода или кислорода воздуха. Схема установки, приведена в приложении Б.

Комплекс включает: блок подачи углеводородных газов; блок подачи окислителя; блок подачи деминерализованной воды; газогенератор синтез- газа; блок теплообменников с котлом утилизатором; блок коррекции (БК) состава синтез-газа; блок оборотного водоснабжения для охлаждения газогенератора синтез-газа; систему управления, включающую расходомеры- регуляторы массовых расходов углеводородных газов, окислителя и деминерализованной воды.

Основной задачей в данной работе является исследование процессов в аппаратах, обоснование выбора типа аппаратов, и расчёт их массогабаритных характеристик узлов блока коррекции состава синтез-газа. Он предназначен для регулирования соотношения водорода и монооксида углерода, давления и температуры синтез-газа. Для последующей подачи на комплекс метанола. Схема блока коррекции приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема блока коррекции синтез-газа

Принцип работы блока коррекции синтез газа

 

Охлаждённый водородсодержащий газ из котла утилизатора поступает в БК соотношения H2/CO, который включает разветвляющийся после котла утилизатора трубопровод и смеситель СМ2. Один из трубопроводов блока коррекции соединён напрямую с СМ2, второй – подключён к СМ2 через конвертор среднетемпературного катализатора (СТК), загруженный железо- хромовым или медь-цинк-алюмокальциевым катализатором конверсии монооксида углерода, в результате на выходе конвертора образуется газ с повышенным содержанием водорода.

Потоки водородосодержащего газа, проходящие через оба трубопровода, регулируются с помощью управляемого высокотемпературного дросселя УД для гарантированного получения заданного соотношения H2/CO после СМ2.

Из СМ2 водородосодержащий газ попадает в теплообменник- холодильник ТО3, температура газа которого регулируется расходомером- регулятором путём изменения массового расхода воды, поступающей на второй вход ТО3. На выходе ТО3 образуется водяной пар и охлаждённый водородсодержащий газ, который далее поступает в сепаратор для разделения газовой и жидкой фаз.

После сепаратора сухой водородсодержащий газ поступает в теплообменник ТО4 для подогрева потоком газов с турбогенератора. Подогретый сухой водородсодержащий газ поступает в регулятор давления для обеспечения требуемого давления подачи водородсодержащего газа в блок синтеза метанола, а также стабилизации рабочего давления в технологическом комплексе получения водородсодержащего газа.

Таким образом основными узлами для исследования являются: смеситель СМ2; теплообменник ТО3; сепаратор; теплообменник ТО4. Целью данного исследования является получение моделей, подходящих по параметрам для использования в рассматриваемой установке. Основными

 

критериями являются: массогабаритные характеристики; технологичность конструкции; экономическая целесообразность.

Актуальность данного исследования связана с неспособностью обеспечить требуемые рабочие параметры с помощью стандартного ряда оборудования, а также с отсутствием аналогов для применения в модульных малотоннажных установках. Что приводит к необходимости расчёта под конкретные параметры и критерии.

Смеситель блока коррекции

Виды смесителей

 

Перемешивание является одним из наиболее сложных и распространенных процессов в химической технологии. Процессы перемешивания однофазных и многофазных сред широко применяются в химической, нефтехимической и смежных областях промышленности. В определённых случаев эффективное перемешивание является важнейшей стадией производства, от которой зависит успех технологического процессов в целом. Перемешивание рассматривается и как способ интенсификации процессов распределения растворенных веществ, взвешенных частиц и теплоты, а также диспергирования капель и пузырьков в жидкости путем приведения ее в вынужденное движение. Перемешивание способствует более эффективному протеканию массообменных и теплообменных процессов, а местами применяется для более эффективного протекания химических реакций.

Рассматривая физико-химическую природу этих процессов, можно выделить несколько групп явлений, которые непосредственно связаны с условиями перемешивания: смешение взаимно растворимых жидкостей; выравнивание температуры в объеме перемешиваемой среды; распределение взвешенных частиц в объеме жидкости или предотвращение их оседания;

 

диспергирование капель жидкости или пузырьков газа; теплообмен; массообмен.

Все смесители подразделяются на статические и динамические.

В динамических смесителях перемешивание обеспечивается с помощью механических вращающих устройств.

Под термином “статические смесители” обычно понимают трубчатые аппараты, предназначенные для проведения перемешивания и связанных с ним процессов, в которых отсутствуют какие-либо подвижные элементы.

Статические смесители подразделяются на:

• барботажные (пневматические), перемешивание в которых осуществляется за счет пропуска газа через слой жидкости. Однако, так как расход энергии на барботажное перемешивание сжатым инертным газом или воздухом больше чем при механическом перемешивании, в промышленности подобные аппараты применяют крайне редко;
• насадочные, перемешивание в которых осуществляется за счет энергии потока при совместном движении смешиваемых компонентов в насадочном слое, который может состоять из регулярных и нерегулярных элементов

Для проведения процессов перемешивания статические смесители применяются либо в качестве самостоятельных аппаратов, либо в виде рабочих узлов различных машин и аппаратов. Экономическая эффективность их применения обусловливается компактностью и низкой металлоемкостью, простотой конструкции, высокой надежностью, низкими капитальными и эксплуатационными затратами. В зависимости от условий статические смесители могут быть изготовлены из различных конструкционных материалов, таких как: стекло, нержавеющая сталь, титан, коррозионно устойчивые пластики и т.д.

Некоторые преимущества статических смесителей по сравнению с емкостными аппаратами с мешалкой, представлены в табл. 1.

 

Таблица 1 – Сравнение статических смесителей с традиционными аппаратами с мешалкой

 

 

Из приведённых данных таблицы, можно сделать вывод, о целесообразности использования именно статического смесителя по ряду причин, а именно: небольшие габариты; малые гидравлические сопротивления; хорошее перемешивание; возможность использования для перемешивания газов.

 

1.3.2. Использование статических смесителей в промышленности

 

В настоящее время доступно более 30 моделей статических смесителей. Большинство из них разработаны в Швейцарии, США, Японии. Отечественных разработок сравнительно немного. Некоторые из производителей статических смесителей представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Основные производители статических смесителей

 

Наиболее широкое распространение статические смесители получили в химической и нефтехимической промышленности, где они применяются для проведения процессов гомогенизации, эмульгирования, диспергирования и даже для проведения химических реакций.

 

Известны данные по использованию статических смесителей в производстве азотной кислоты [18], при смешении фосфорной кислоты и фосфорита [19], для сульфатирования α-олефинов [20].

Статические смесители используются для введения добавок в эмульсии [21,22], используют для процессов абсорбции и очистки [23].

Так же известны конструкции статических смесителей для реакций, включающих крекинг необработанной и сырой нефти [24], процесс полунепрерывного алкилирования фенола, для которого разработан специальный тип смесителя [25].

Неоднородный контакт между реакционным газом и твердыми частицами катализатора является существенной проблемой в кипящих слоях, решение которой возможно благодаря применению статических смесителей. В работе [26], сообщается, что применение статических смесителей в процессах очистки нефти и газоконденсатов от сероводорода и меркаптанов позволяет успешно решать экологические и технологические проблемы

нефтяной промышленности.

В [27,28] приводятся данные об использовании статических смесителей трубчатого типа в производстве этиленпропиленовых каучуков. Сообщается, что использование этих аппаратов при смешении газообразных и жидких компонентов с растворителем на входе в полимеризатор обеспечило однородность качества получаемого продукта и уменьшило объем выпуска низкосортного каучука.

В результате анализа изученной литературы, для исследования эффективности использования в блоке коррекции компонентов отобраны несколько статических смесителей [29,30]. Внешний вид смесительных насадок приведён на рисунках 5 и 6.

 

Рисунок 5 – Смесительная насадка решётчатого типа

 

 

Рисунок 6 – Смесительная насадка с завихрителем

Сепаратор блока коррекции

Виды сепараторов

 

Газовые сепараторы (ГС) являются обязательным оборудованием в технологических линиях на предприятиях добычи и хранения природного газа, нефтегазодобывающих, перерабатывающих и химических предприятиях; тканевые фильтры. Они выполняют функцию предварительной очистки природного или попутного нефтяного газа от механических примесей, конденсата, нефти, капельной влаги перед последующей его переработке или перед транспортировкой по магистральным трубопроводам. Также они входят в состав установок предварительной подготовки газа и нефти, устройств очистки газа, систем сброса воды.

Задача извлечения частиц из потока газовой среды решается путем применения различных аппаратов. По принципу работы и конструкционным особенностям данные аппараты классифицируются на [31,32,33,34,35,36,37,38]: устройства, которые работают за счет силы тяжести; устройства, которые работают за счет центростремительного ускорения; мокрые пылеуловители; электрофильтры.

Различают газовые сепараторы (ГС) автономного и секционного (встроенные секции в колонных аппаратах многофункционального назначения) исполнения. ГС, как правило, имеют секции: предварительной сепарации (для отделения большей части примесей); отстойную (для сбора и предварительного отстоя жидкости); каплеуловительную (для окончательной очистки газа от мельчайших капель жидкости). ГС комплектуются приборами для контроля давления, температуры газа и уровня жидкости.

Сепараторы разделяются: по характеру действующих сил — на гравитационные, инерционные (насадочные), центробежные и смешанного типа; по геометрической форме и положению в пространстве — на цилиндрические (вертикальные, горизонтальные, наклонные) и сферические;

 

по положению сборника отсепарированной жидкости — с выносным сборником и сборником, находящимся в объёме ГС; по рабочему давлению — низкого (до 0,6 МПа), среднего (0,6-2,5 МПа) и высокого (свыше 2,5 МПа).

Принцип действия гравитационного ГС основан на снижении скорости газа в нем до величины, при которой примеси оседают под действием силы тяжести. Сепараторы просты по конструкции, но громоздки и металлоёмки. Эффективность сепарации (отношение масс двух фаз — уловленной и поступающей в сепаратор) 75-90%.

В инерционных ГС осаждение примесей на поверхности насадки происходит вследствие многократного отклонения потока (специальными насадками). Насадки выполняются из пластин различной конфигурации, фильтрующих материалов и коалесцирующих набивок. Наиболее распространены жалюзийные и сетчатые насадки, которые применяются в качестве концевых сепарационных секций и обеспечивают эффективность сепарации 95-99%.

В центробежных ГС осаждение примесей на стенке корпуса происходит под действием центробежных сил при вращении потока в цилиндрической (или кольцевой) камере сепарации. Наиболее совершенные прямоточные центробежные ГС однопоточного и мультициклонного типов достигают эффективности сепарации для твёрдых частиц 98-99,5% (габаритные размеры и металлоёмкость меньше, чем у гравитационных и инерционных ГС). Пропускная способность ГС 0,5-15 млн. м3/сутки (при давлении 0,6-16 МПа, температуре газа от -40 до 100°С, начальном содержании жидкости 1-200 см3/м3 и гидравлическом сопротивлении 0,01-0,05 МПа). Скорость газа: в гравитационных ГС 0,05-0,2 м/с, инерционных 0,2-1 м/с, центробежных 1-5 м/с.

Зачастую, в реальных условиях в промышленных аппаратах комбинируются различные принципы работы, при этом для осаждения капельной влаги из газового потока применяется несколько механизмов.

 

Сепараторы осушки газов предназначены для извлечения капель жидкой фазы из газовой среды.

На основе выше сказанного, для исследования с целью определения возможности, использования в блоке коррекции синтез-газа, был выбран комбинированный сепаратор осушки газов от капельной влаги [39].

Устройство и принцип работы

 

Схема выбранного сепаратора представлена на рисунке 7.

Принцип работы выбранного аппарата состоит в следующем: синтез-газ через патрубок 3 поступает во внутреннюю трубу 1 сепаратора. Далее, через направляющую решётку 4, которая служит для выравнивания потока, синтез- газ поступает в насадочную секцию 5, наполненную нерегулярными насадками “Инжехим” [40], в ней происходит увеличение капельной влаги. Далее, разделяемый газо-жидкостный поток попадает в трубки с ленточным завихрителем (ЛЗ) 6, где при скорости газа больше 30м/с под действием центробежной силы, вызванной ЛЗ, капельная влага осаждается на внутренней поверхности стенок трубок. Затем под действием силы тяжести стекает в нижнюю часть аппарата. Осаждённая жидкость через патрубок 7 отводится из аппарата. Через патрубок 9 отводится осушённый газ, который перед этим проходит через сетчатый демистер 8, который предназначен для предотвращения каплеуноса.

 

 

Рисунок 7 – Комбинированный сепаратор осушки газовой фазы от капельной влаги

– внутренняя трубка, 2 – корпус, 3 – входной патрубок, 4 – направляющая решётка, 5 – секция нерегулярных насадок, 6 – трубки с ЛЗ, 7 – патрубок выхода отделённой жидкой фазы, 8 – сетчатый демистр, 9 – патрубок выхода осушённого газа.

Теплообменники блока коррекции

 

Теплообменники распространены во всех отраслях, где так, или иначе протекают тепло-массообменные процессы. Они могут протекать между жидкостями, парами и газами, как с переходом агрегатного состояния, так и без. Особое внимание теплообменным аппаратам уделяют в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, где доля теплообменных аппаратов среди всего оборудования – максимальная. Например, в нефтеперерабатывающей промышленности доля теплообменной аппаратуры составляет порядка 50% от всего оборудования предприятия.

По назначению теплообменники могут быть: подогревателями, конденсаторами, испарителями, паропреобразователями, радиаторы, холодильники.

Теплообменные аппараты должно соответствовать следующим основным требованиям: обеспечивать необходимую тепловую мощность и заданные значения конечных температур теплоносителей; обладать как можно меньшими значениями гидравлических потерь в трактах течения теплоносителей; обладать достаточными прочностными характеристиками; элементы конструкции должно обладать достаточной химической стойкостью к воздействию агрессивных сред; иметь минимальные показатели массы и габаритов.

По способу передачи теплоты: рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Достоинства смесительных теплообменников по сравнению с поверхностными: относительно простое устройство; теплообмен при соприкосновении теплоносителей протекает значительно быстрее и с течением времени не замедляется; при одинаковой тепловой производительности меньше габариты.

Недостатками в сравнении с поверхностными: могут применяться только для теплообмена между теплоносителями, допускающими взаимное

 

перемешивание; при обогреве паром, пар конденсирует и конденсат безвозвратно испаряется, в смешивающих теплообменниках наряду с теплообменом протекает массообмен теплоносителей т.е. часть одного теплоносителя или вся его масса переходит в массу другого теплоносителя; при теплообмене между газом и жидкостью может происходить увлажнение газа или его сушка.

Поверхностные теплообменные аппараты бывают следующих видов: кожухотрубчатые, секционные (элементные), труба в трубе (коаксиальные), оросительные, погружные, оребрённые, блочные, пластинчатые, с двойными стенками, спиральные.

Преимущества кожухотрубчатых теплообменников: большая площадь поверхности теплопередачи при относительно небольших габаритах аппарата; простата изготовления; сравнительно небольшой расход материалов на аппарат; надёжность при эксплуатации; возможность работы с большими давлениями.

Недостатками кожухотрубчатых теплообменников являются: невозможность использования при низких расходах теплоносителей; трудности изготовления из материалов, не допускающих развальцовку и сварку; сложность профилактики и ремонта.

Секционные теплообменники состоят из нескольких последовательно соединённых одноходовых кожухотрубчатых теплообменников. Использование одноходовых теплообменников и отказ от сегментных перегородок позволяет снизить гидравлическое сопротивление и повысить скорость потоков в трубах и в межтрубном пространстве.

Преимущества элементных теплообменников: высокая скорость движения теплоносителей и меньшее гидравлическое сопротивление; простота изготовления; сравнительно небольшой расход материалов на аппарат; надёжность при эксплуатации; возможность работы с большими давлениями.

 

Недостатки элементных теплообменников: большие габаритные размеры, чем у кожухотрубных теплообменников; более высокая стоимость изготовления, чем у кожухотрубных.

Двухтрубчатый теплообменник – теплообменник типа «труба в трубе». Это элементный (секционный) теплообменник, у которого в кожухе секции устанавливается всего одна труба соосно трубе, образующей кожух.

Преимущества двухтрубчатых теплообменников: высокая скорость движения теплоносителей и, как следствие, высокий коэффициент теплопередачи; возможность работы с небольшим расходом теплоносителей; возможность работы с большими давлениями.

Недостатки двухтрубчатых теплообменников: относительно небольшие поверхности теплопередачи при больших габаритах устройства; большой расход материалов на изготовление; профилактика и ремонт неразборных двухтрубчатых теплообменников затруднены.

Оросительные теплообменники применяют в основном для охлаждения жидких и газовых агентов, а также для конденсации паров.

Преимущества оросительных теплообменников: простота изготовления и низкая стоимость; простота очистки наружных поверхностей труб; интенсивный теплообмен за счёт частичного испарения воды; меньший расход воды по сравнению с холодильниками других типов.

Недостатки оросительных теплообменников: безвозвратные потери технологической воды за счёт испарения; большие габаритные размеры и необходимость выделения значительных ограждённых площадей при использовании внутри помещений; неравномерность смачивания труб и снижение вследствие этого интенсивности теплообмена.

Погружной теплообменник состоит из сосуда с жидким агентом 1 и змеевика, по которому циркулирует агент 2.

Преимущества погружных теплообменников: простота изготовления и низкая  стоимость;  доступность  поверхностей  для  чистки;  возможность

использовать теплоноситель большого давления внутри змеевика; Высокий

 

коэффициент теплопередачи внутри змеевика за счёт большой скорости движения агента в трубе змеевика.

Недостатки погружных теплообменников: небольшая поверхность теплоотдачи (менее 15 м2); трудность очистки внутренней поверхности змеевика; низкий коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности змеевика.

Преимущества теплообменников с наружным змеевиком: возможность использовать внутри змеевика агент под высоким давлением; простота устройства и надёжность; возможность разбить змеевик на секции и за счёт управляемой подачи агента регулировать нагрев или охлаждение; высокий коэффициент теплопередачи внутри змеевика за счёт большой скорости движения агента в трубе змеевика.

Недостатки теплообменников с наружным змеевиком: небольшая поверхность теплоотдачи (менее 15 м2); трудность очистки внутренней поверхности змеевика; низкий коэффициент теплоотдачи с внутренней поверхности корпуса аппарата.

Преимущества пластинчатых теплообменников: компактность. в 4–8 раз меньше по габаритам, чем кожухотрубные с аналогичными характеристиками; высокий коэффициент теплопередачи; удобство профилактики и ремонта в случае использования разборных пластинчатых теплообменников; возможность выбора различных схем компоновки пластин для реализации требуемых параметров теплообмена и режимов движения теплоагентов.

Недостатки пластинчатых теплообменников: невозможность использовать разборные теплообменники для потоков с высоким давлением свыше 1 МПа; ограничение по давлению для сварных теплообменников, составляющее 4 МПа; профилактика и ремонт сварных теплообменников затруднены.

Преимущества спиральных теплообменников: компактность; высокий коэффициент теплопередачи; удобство профилактики и ремонта в случае

использования  разборных  пластинчатых  теплообменников;  возможность

 

выбора различных схем компоновки пластин для реализации требуемых параметров теплообмена и режимов движения теплоагентов.

Недостатки спиральных теплообменников: невозможность использовать разборные теплообменники для потоков с высоким давлением свыше 1 МПа; профилактика и ремонт сварных теплообменников затруднены.

На основе приведённых плюсов и минусов различных типов теплообменных аппаратов, можно сделать вывод, о рациональности использования именно кожухотрубного теплообменного аппарата, так как у них: большая площадь поверхности теплопередачи при относительно небольших габаритах аппарата; простата изготовления; сравнительно небольшой расход материалов на аппарат; надёжность при эксплуатации; возможность работы с большими давлениями.

Вывод раздела

 

Проведён краткий обзор и анализ основных проблем, которые можно было бы решить с помощью малотоннажных комплексов производства метанола, тем самым доказана перспективность их создания.

Рассмотрены и проанализированы различные виды аппаратов, их плюсы и минусы, а также принцип работы отдельно взятых узлов блока подготовки синтез газа. Обоснован выбор технического исполнения узлов для исследования с целью определения возможности, использования в блоке коррекции.

На основе проведённого анализа сформулированы основные задачи работы.

---

1 2 3