CC BY
41
УДК 66.074.1
ОЧИСТКА ГАЗОВ ОТ ЖИДКОЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ КОМБИНИРОВАННЫМ СЕПАРАТОРОМ
Р.М. МИНИГУЛОВ, М.И. ФАРАХОВ, М.М. ТАРАСКИН
ООО «Ямбурггаздобыча», Инженерно-внедренческий центр «Инжехим»
Рассмотрена конструкция сепаратора для очистки газов от дисперсной фазы с прямоточно-центробежными сепарационными элементами и размещенным под ней газораспределительным устройством. Фильтрующая секция выполнена в виде не менее чем двух расположенных одна над другой разборных тарелок с кольцевыми сетчатыми насадками, а между тарелками расположена газораспределительная решетка.
Ключевые слова: осушка газов; вихревой сепаратор; энергетический метод расчета.
Введение
Одним из основных источников экологического негативного воздействия на окружающую среду являются предприятия топливно-энергетического комплекса (ТЭК), из отраслей ТЭК наибольшее воздействие оказывает энергетика, в частности тепловые электрические станции (ТЭС) [1]. Основная проблема -очистка газовых выбросов в атмосферу. Кроме этого актуальной задачей является очистка технологических газов от дисперсной фазы перед подачей в трубопроводы или в аппараты, печи и т.д.
Для очистки газов применяют: электрическую очистку, механические газосепараторы (пылеулавливатели), процессы абсорбции и хемосорбции, сжигание, адсорбцию и катализ. Обычно очистка газов от различного рода дисперсной фазы производится механическими газосепараторами: циклонами и мультициклонами, тканевыми фильтрами, фильтрами с насыпными слоями (насадками), вихревыми аппаратами и т.д. Наиболее эффективными являются газосепараторы, сочетающие несколько механизмов или способов очистки газов.
Содержание работы
Механизмы осаждения взвешенных частиц подразделяются на гравитационный, инерционный, зацепления, диффузионный, центробежный и электростатический. Частицы размерами менее 50 мкм наиболее эффективно улавливаются в центробежных аппаратах и различными фильтрами. Причем за счет центробежных сил могут улавливаться частицы с размерами до 1 мкм, а в фильтрах - до 0,01 мкм и менее.
Учитывая эти обстоятельства, ниже рассмотрена конструкция газосепаратора, сочетающая центробежное разделение и последующую фильтрацию.
Техническая задача решается за счет того, что сепаратор для очистки газа содержит корпус с патрубками входа неочищенного газа, выхода очищенного газа и выхода жидкости и расположенные в корпусе входную и выходную секции (см.
© Р.М. Минигулов, М.И. Фарахов, М.М. Тараскин Проблемы энергетики, 2010, № 3-4
рисунок). Входная (нижняя) секция выполнена в виде установленной над патрубком входа неочищенного газа тарелки с прямоточно-центробежными сепарационными элементами и размещенным под ней газораспределительным устройством, выполненным в виде расширяющегося снизу вверх усеченного конуса или усеченной пирамиды. Выходная (верхняя) фильтрующая секция выполнена в виде не менее чем двух расположенных одна над другой разборных тарелок с кольцевыми сетчатыми насадками, а между тарелками расположена газораспределительная решетка [2].
Расстояние между верхней и нижней секциями составляет от 0,7 до 1,0 внутреннего диаметра корпуса сепаратора, а расстояние между тарелками выходной фильтрующей секции составляет от 1,0 до 1,5 внутренних диаметров.
Каждая кольцевая сетчатая насадка может быть выполнена в виде набора кассет с кольцевыми сетчатыми элементами, установленными с возможностью их монтажа и демонтажа без нарушения целостности кольцевого сетчатого сепаратора и последующей замены кассет в случае необходимости.
Как показал анализ, работы различных по конструкции сепараторов, эффективность их работы может быть значительно повышена за счет более рационального подвода очищаемого газа к сепарационным устройствам. Особенно это важно, когда в сепараторе установлено несколько сепарационных элементов, например когда на тарелке размещены однотипные сепарационные элементы, а именно прямоточно-центробежные сепарационные элементы или кольцевые сетчатые насадки. Чем с более равномерным профилем скоростей
подойдет поток осушаемого газа к тарелке с сепарационными элементами, тем более равномерной будет нагрузка на каждый сепарационный элемент, тем более эффективно будут использованы возможности каждого сепарационного элемента, тем более качественно будет очищен газ. Положение осложняет то, что, как правило, патрубки для ввода очищаемого газа располагают на боковой стенке корпуса.
В ходе исследования и расчетов [3] было установлено, что наиболее рациональным в этой ситуации является размещение под тарелкой с прямоточно-центробежными сепарационными элементами газораспределительного устройства, выполненного в виде расширяющегося снизу вверх усеченного конуса или усеченной пирамиды, во входном и промежуточном сечении которой установлены направляющие решетки с прямоугольными или квадратными отверстиями. Размещение расширяющегося по ходу потока очищаемого газа диффузорного осесимметричного канала позволяет резко повысить турбулентность потока газа на участке от патрубка входа неочищенного газа до входного сечения газораспределительного устройства. Далее, подача газа по осесимметричному расширяющемуся по ходу потока каналу позволяет дополнительно выровнить профиль скоростей. Установленные в газораспределительном устройстве направляющие решетки оказывают дополнительное стабилизирующее воздействие на поток газа. При этом как с технологической точки зрения, так и с точки зрения эксплуатации наиболее рационально выполнение направляющих решеток с квадратными или прямоугольными в поперечном сечении отверстиями.
На рисунке схематически показан продольный разрез сепаратора.
Сепаратор для осушки газа содержит корпус 1 с патрубками: входа неочищенного газа 2, выхода очищенного газа 3 и выхода жидкости 4 и расположенные в корпусе входную 5 и выходную 6 фильтрующие секции. Входная фильтрующая секция 5 выполнена в виде установленной над патрубком входа неочищенного газа тарелки с прямоточно-центробежными сепарационными элементами 7 и размещенным под ней газораспределительным устройством 8, выполненным в виде расширяющегося снизу вверх усеченного конуса или усеченной пирамиды 9, во входном и промежуточном сечении которой установлены направляющие решетки 10 и 11 с прямоугольными или квадратными отверстиями. Направляющие решетки изготовлены из вертикально установленных плоских пластин, высота которых равна длине одной из сторон квадратного отверстия или меньшей стороне прямоугольного отверстия. Выходная фильтрующая секция 6 выполнена в виде не менее чем двух расположенных одна над другой разборных тарелок 12 с кольцевыми сетчатыми насадками 13, а между тарелками 12 расположена газораспределительная решетка 14. В результате численных расчетов [3] установлено, что для наиболее равномерного распределения профиля скорости потока газа коэффициент аэродинамического сопротивления газораспределительной решетки должен быть 4,9 < | < 5,9.
Расстояние Ь1 между входной 5 и выходной 6 фильтрующими секциями составляет от 0, 7 до 1,0 внутреннего диаметра Б корпуса сепаратора, а расстояние Ь2 между тарелками 12 выходной фильтрующей секции 6 составляет от 1,0 до 1,5 внутренних диаметров Б корпуса сепаратора.
Каждая кольцевая сетчатая насадка 13 выполнена в виде набора кассет с кольцевыми сетчатыми элементами, установленных с возможностью их монтажа
и демонтажа без нарушения целостности кольцевого сетчатого сепаратора и последующей замены кассет в случае необходимости.
Рассмотренный газосепаратор работает следующим образом. Неочищенный газ через патрубок 2 подается в корпус 1 и поступает под газораспределительное устройство 9. Далее через газораспределительное устройство 9 неочищенный поток газа поступает в прямоточно-центробежные сепарационные элементы 7. В последних поток неочищенного газа, разбитый на множество потоков, закручивается, что вызывает отделение от газа дисперсной фазы, в частности примесей жидких сред. Отделившиеся примеси стекают с тарелки сепарационных элементов 7 в нижнюю часть корпуса и удаляются из корпуса через патрубок 4 выхода жидкости. Частично очищенный от примесей газ из прямоточно-центробежных сепарационных элементов 7 далее поступает в фильтрующую секцию 6, где в результате перемешивания отдельные потоки газа преобразуются в единый поток с достаточно равномерным градиентом скоростей. Далее этот поток газа поступает в кольцевые сетчатые насадки 13, где происходит окончательная очистка или, что более правильно, осушка газа от преимущественно жидкостных примесей. Газораспределительная решетка 14 позволяет выровнять поток газа между тарелками с кольцевыми сетчатыми насадками. Осушенный газ выходит через патрубок 3, а отделившаяся жидкость с тарелок сливается в нижнюю часть корпуса и удаляется через патрубок 4.
Для расчета эффективности разработанного газосепаратора использовался энергетический метод.
Известно, что эффективность аппаратов газоочистки (а также и тепломассообменных) значительно определяется энергетическими затратами, которые выражаются через потерю давления в аппарате. Причем в расчетах эффективности газосепараторов необходимо достоверно определять долю энергии, затрачиваемой непосредственно на улавливание дисперсной фазы. Потери энергии на местные сопротивления должны исключаться при расчете. [4,5]
По аналогии с процессами тепло- и массообмена, эффективность (КПД) очистки в энергетическом методе связывают с числом единиц переноса (Л'):
П= 1 - ехр(-Л). (1)
Число единиц переноса записывают в виде
Л= В • К "т, (2)
где Кт - энергетические затраты КДж/1000м3 газов. Причем В и ж зависят только от вида улавливаемой дисперсной фазы и не зависят от конструкции, размера и типа газосепаратора. Конструкция, масштаб и режим работы аппарата очистки газа учитываются в энергетических затратах.
Для очистки газа от жидкой дисперсной фазы константы примерно имеют значения В«1,310-2; ж= 0,62. [4]
На основе рассмотренного выше подхода выполнены расчеты осушки газа (удаление жидкой дисперсной фазы) в разработанном сепараторе. Получено, что эффективность при интенсивном гидродинамическом режиме составляет не менее 97-98% (при /7=и', , > Ю рг> 10, где IV, - скорость газа в сепарирующих элементах, м/с; рг - плотность газа, кг/м3).
Выводы
Рассмотрена конструкция и метод расчета высокоэффективного газосепаратора с двумя зонами очистки газа от мелкодисперсной фазы. Сепаратор
характеризуется простотой конструкции и высокой степенью очистки газов. Сепаратор используется на установке комплексной подготовки природного газа на ООО «Ямбурггаздобыча» и дает положительные результаты.
Разработанный газосепаратор может быть использован на предприятиях ТЭК, где требуется очистка газа от разного рода дисперсной фазы, преимущественно примесей жидких сред.
Nummary
We considered the design of the separator for cleaning gases from the dispersed phase with the straight-centrifugal separation elements, and are located below the distribution device. Filter section is made in the form of at least two, one over the other dismountable reticulated annular plates with nozzles, and between the plates is a gas distribution grid.
Key words: dehydration of gases; vortex separator; energy calculation method.
Литература
1. Контроль вредных выбросов ТЭС в атмосферу: Учеб. Пособие / П.В. Росляков, И.Л. Ионкин, И.А. Закиров и др.; под ред. П.В.Рослякова М.: Издательство МЭИ, 2004.
2. Патент Российской Федерации на изобретение №2252813. Сепаратор для осушки газа. Андреев О.П., Салихов З.С., Минигулов Р.М. и др. / заявитель и патентообладатель ООО «Ямбурггаздобыча» - №2004101025/1; заявл. 19.01.2004; опубл. 27.05.2005.
3. Лаптев А.Г. Гидромеханические процессы в нефтехимии и энергетике / А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов. Казань: Издательство Казанского Университета, 2008.
4. Ужов В.Н. Очистка газов мокрыми фильтрами / В.Н.Ужов, А.Ю.Вальдберг. М.: Химия, 1972.
5. Лаптев А.Г. Разделение гетерогенных смесей в насадочных аппаратах / А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов. Казань: Издательство КГЭУ, 2006.
Поступила в редакцию 08 сентября 2009 г.
Минигулов Рафаэль Минигулович - канд. техн. наук, заместитель генерального директора ООО «Ямбурггаздобыча».
Фарахов Мансур Инсафович - канд. техн. наук, директор Инженерно-Внедренческого Центра «Инжехим», доцент Казанского государственного технологического университета (КХТИ). Тел.: 8 (843) 570-23-18. E-mail: [email protected], [email protected].
Тараскин Михаил Михайлович - соискатель Казанского государственного энергетического университета.
