Оборудование нефтеперерабатывающих предприятий и основы проектирования

При противотоке температурный  напор по ходу потоков более равномерный, чем при прямотоке, и тепловая нагрузка поверхности теплообмена  распределяется также равномерно. Это весьма сушественно как для эффективного использования поверхности  теплообмена, так и для создания мягких условий работы, при которых уменьшается опасность отложения кокса и грязи на отдельных участках поверхности с большой теплонапряженностью. Важно и то, что при противотоке конечная температура нагреваемой среды может быть выше конечной температуры нагреваюшего потока.

В результате можно добиться более высоких температур нагреваемой  среды и, следовательно, более полной регенерации тепла (или экономии хладоагента-воды, воздуха и др.).

Все сказанное свидетельствует  о предпочтительности противотока  перед прямотоком,поэтому на практике всегда стремятся соблюдать противоточную  схему движения потоков, за исключением  тех случаев, когда этот вариант  не сообразуется с технологической схемой установки.

Движущей силой процесса передачи тепла является средняя  разность температур теплообменивающихся  сред. Средный температурный напор         для прямотока и противотока  определяют по формуле

где             -соответственно большая и меньшая разность температур потоков на концах теплообменного аппарата

В практических расчетах для некоторых теплообменных  аппаратов, применяемых в нефтеперерабатывающей  промышленности, часто пользуются следующими приближенными значениями коэффициента теплопередачи:

           Аппараты

Теплообменныки трубчатые

     жидкостные…………………………………40-420

     пародистиллятные………………………….100-250

Нагреватели трубчатые  для нагрева

 паров жидкого нефтепродукта………………..80-350

Конденсаторы воздушные  для бенз.фр……….100-200

Кипятильники

      обогреваемые  жидким н/пр………………..120-300

       обогрев.водяным  паром……………………250-750

Вопросы для  проверки

1. Уравнение теплового баланса для теплообменников
2. От чего зависит коэффициент теплопроводности
3. Перечислите возможные схемы движения потоков в теплообменных аппаратах и какой из них наиболее эффективен.
4. Типы кожухотрубчатых теплообменников
5. Конструкция теплообменников с плавающей головкой
6. Преимущества и недостатки кожухотрубчатых теплообменников
7. Теплообменники "труба в трубе"
8. Конструкция теплообменников "труба в трубе"
9. Преимущества и недостатки теплообменников "труба в трубе"
10. Ламинарные и турбулентные режимы движения потоков жидкости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛЕКЦИЯ 8

АБСОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В НЕФТЕПЕРЕРАБОТКЕ

План

1. Абсорбция. Общие сведения
2. Устройство абсорбционных аппаратов
3. Насадочные абсорберы

1. Общие сведения

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

При физической абсорбции  поглощаемый газ ( а б с о р б т и в) не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией.

Физическая абсорбция  в большинстве случаев обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора десорбция.

Сочетание абсорбции  с десорбцией позволяет многократно  применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде. Во многих случаях проводить  десорбцию не обязательно, так как абсорбент и абсорбтив представляют собой дешевые или отбросные продукты, которые после абсорбции можно вновь не использовать (например, при очистке газов).

В промышленности процессы абсорбции применяются главным  образом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей.

Абсорбционные процессы широко распространены в химической технологии и являются основной технологической стадией ряда важнейших производств (например, абсорбция SО₃ в производстве серной кислоты; абсорбция НС1 с получением соляной кислоты; абсорбция окислов азота водой в производстве азотной кислоты; абсорбция МН₃, паров С₆Н₆, Н₂S и других компонентов из коксового газа; абсорбция паров различных углеводородов из газов переработки нефти и т. п.). Кроме того, абсорбционные процессы являются основными процессами при санитарной очистке выпускаемых в атмосферу отходящих газов от вредных примесей (например, очистка топочных газов от 5О₂; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся в производстве минеральных удобрений, и т. д.).

2.  Равновесие  при  абсорбции

Равновесие между фазами. При абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, давления, температуры и состава газовой фазы (парциального давления растворяющегося газа в газовой смеси).

В случае растворения  в жидкости бинарной газовой смеси (распределяемый компонент А, носитель В) взаимодействуют две фазы (Ф-2), число компонентов равно трем (К-3) и, согласно правилу фаз число степеней свободы системы равно трем.

Для данной системы газ  — жидкость переменными являются температура, давление и концентрации в обеих фазах. Следовательно, в состоянии равновесия при постоянных температуре и общем давлении зависимость между парциальным давлением газа А (или его концентрацией) и составом жидкой фазы однозначна. Эта зависимость выражается законом                  Генри: парциальное давление р_А растворенного газа пропорционально его мольной доле х_A в растворе или растворимость газа(поглощаемого компонента А)

X^●_A =ExA         (22)

 в жидкости при  данной температуре пропорциональна  его парциальному давлению над  жидкостью                  1              

X^●_A =            P_A                   (22а)

                                                             E

где р_А — парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию х, (в мол. долях); х^●_А— концентрация газа в растворе (в мол. долях), равновесном с газовой фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равно р_A; Е — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом, или константой Генри.

Числовые значения коэффициента Генри для данного газа зависят  от природы поглотителя и газа и от температуры, но не зависят от общего давления в системе.

Зависимость  Е  от  температуры  выражается   уравнением

                                                  φ

nE= -          + C                  (23)

                                                RT

где φ — дифференциальная теплота растворения газа; R — газовая постоянная; С — постоянная, зависящая от природы газа и поглотителя.

Для идеальных растворов  на диаграмме р — х (рис.36) зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой, имеющей наклон, равный Е — коэффициенту Генри. Из рис. 36 и уравнения (23) следует, что с повышением температуры (при прочих равных условиях) увеличивается значение Е и соответственно уменьшается, согласно уравнению (22а), растворимость газа в жидкости.

Если у_А — мол. доля извлекаемого компонента А в газовой смеси и Р — общее давление в системе, то парциальное давление р_д, по закону Дальтона, можно выразить зависимостью

Р_А = РУ_А                       (24)

Подставив значение р_А в уравнение (22), получим

    Б

^●_А=         Х_А

     Р

или закон Генри может  быть представлен в форме

у^●_А = mx              (25)

где т — Е /  Р- коэффициент распределения, или константа фазового равновесия.

Уравнение (25) показывает, что зависимость между концентрациями данного компонента в газовой смеси и в равновесной с ней жидкости выражается прямой линией, проходящей через начало координат и имеющей угол наклона, тангенс которого равен т. Числовые значения величины т зависят от температуры и давления в системе: уменьшаются с увеличением давления и снижением температуры. Таким образом, растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления и снижением температуры.

Когда в равновесии с  жидкостью находится смесь газов, закону Генри может следовать  каждый из компонентов смеси в отдельности.

Закон Генри применим к растворам газов, критические  температуры которых выше температуры  раствора, и справедлив только для  идеальных растворов. Поэтому он с достаточной точностью применим лишь к сильно разбавленным реальным растворам, приближающимся по свойствам к идеальным, т. е. соблюдается при малых концентрациях растворенного газа или при его малой растворимости. Для хорошо растворимых газов, при больших концентрациях их в растворе, растворимость меньше, чем следует из закона Генри. Для систем, не подчиняющихся этому закону, коэффициент т в уравнении (25) является величиной переменной и линия равновесия представляет собой кривую, которую строят обычно по опытным данным.

 

Рис. 36. Растворимость газа в жидкости при различных температурах (t1 > t2 > <tз и соответственно Е1 > Е2 > Eз).

 

Для описания равновесия между газом и жидкостью уравнение (25) применимо только при умеренных давлениях, невысоких температурах и отсутствии химического взаимодействия между газом и поглотителем.

При повышенных давлениях (порядка десятков атмосфер и выше) равновесие между газом и жидкостью  не следует закону Генри, так как изменение объема жидкости вследствие растворения в ней газа становится соизмеримым с изменением объема данного газа. При этих условиях константу фазового равновесия можно определить следующим образом:

 где fо — фугитивность (летучесть) поглощаемого газа, выраженная в единицах давления.                                       E

m =

               fo

Устройство  абсорбционных  аппаратов

Аппараты, в которых  осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на следующие группы: 1) поверхностные и пленочные; 2) насадочные; 3) барботажные (тарельчатые); 4) распыливающие.

Следует отметить, что  аппараты большинства конструкций, приводимых ниже, весьма широко применяются и для проведения других массообменных процессов.

Поверхностные и пленочные абсорберы

В абсорберах этого типа поверхностью соприкосновения фаз является зеркало неподвижной или медленно движущейся жидкости, или же поверхность текущей жидкой пленки.

Поверхностные абсорберы. Эти абсорберы используют для поглощения хорошо растворимых газов (например, для поглощения хлористого водорода водой). В указанных аппаратах газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости (рис. 31). Так как поверхность соприкосновения в таких абсорберах мала, то устанавливают несколько последовательно соединенных аппаратов, в которых газ и жидкость движутся противотоком друг к другу. Для того чтобы жидкость перемещалась по абсорберам самотеком, каждый последующий по ходу жидкости аппарат располагают несколько ниже предыдущего. Для отвода тепла, выделяющегося при абсорбции, в аппаратах устанавливают змеевики, охлаждаемые водой или другим охлаждающим агентом, либо помещают абсорберы в сосуды с проточной водой.

Более  совершенным   аппаратом   такого   типа    является    абсорбер (рис. 38), состоящий из ряда горизонтальных труб, орошаемых снаружи

 

водой. Необходимый уровень  жидкости в каждом элементе 1 такого аппарата поддерживается с помощью порога 2.

Пластинчатый    абсорбер   (рис.   39)   состоит из  двух систем каналов: по каналам 1 большого сечения движутся противотоком газ и абсорбент,  по каналам 2  меньшего  сечения — охлаждающий    агент (как правило, вода). Пластинчатые абсорберы обычно   изготавливаются    из графита, так как он является химически стойким материалом, хорошо проводящим   тепло.

Поверхностные абсорберы  имеют ограниченное применение вследствие их малой эффективности и громоздкости.

Пленочные абсорберы. Эти аппараты более эффективны и компактны, чем поверхностные абсорберы. В пленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность текущей пленки жидкости. Различают следующие разновидности аппаратов данного типа: 1) трубчатые абсорберы; 2) абсорберы с плоско-параллельной или листовой насадкой; 3) абсорберы с восходящим движением пленки жидкости.