Сетевое издание

Международный студенческий научный вестник

ISSN 2409-529X

Введение. Газ, подаваемый в магистральный газопровод, готовят в соответствии с требованиями ОСТ 51.40‑93 «Газы горючие природные, поставляемые и транспортируемые по магистральным газопроводам. Технические условия», а при местном использовании, он должен соответствовать требованиям ГОСТ 5542‑99 «Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия». Обзор литературных источников показал эффективность процесса абсорбции при очистке попутных газов - ПНГ. При данном процессе осуществляется передача массы через поверхность раздела взаимодействующих фаз. Таким образом, интенсификация данного процесса возможна в абсорберах, у которых имеется развитая поверхность контакта между жидкостью и газом, т.е. между абсорбентом и носителем газа [1-4].

Актуальность. Для создания такой поверхности и диспергации абсорбента, известны 4 главные группы: а) пленочные, б) насадочные, в) барботажные или тарельчатые, г) распыливающие (распылительные) [1-4]. Абсорберы пленочного типа в качестве поверхности контактирующих фаз используют жидкостную пленочную поверхность, стекающей по стенке, расположенной вертикально. Таким оборудованием являются абсорберы трубчатого типа, абсорберы с насадкой в виде листа или плоско-параллельных листов, абсорберы с движущейся вверх пленкой жидкости. Абсорберы с насадкой выглядят в виде колонн, внутри которых уложены различные тела в виде колец, решеток и прочего материала [3,4]. Основное предназначение колонн с насадкой для проведения процесса тех продуктов, которые относятся к вязким и высокой агрессивности, а также, если нужен малый перепад давления, либо запас жидкой фазы в данной колонне. Использование данного оборудования сдерживается их относительно малым диаметром (0,8-1м), поскольку его увеличение приведет к снижению эффективности процесса. К основным минусам такого оборудования относится сложность организации отводимого тепла при реализации процесса. При наиболее применяемом циркуляционном отвод с применением холодильников выносного типа. Аппараты, в которых выполняется внутреннее теплоудаление, не нашли применения [2]. Барботажные колонны относятся к массообменному оборудованию, с установленными вертикально по высоте тарелками или поперечно перегородками, обеспечивающих многоходовое взаимодействие жидкой и газовой фаз [1,4]. Направление движение фазовых потоков на массообменных тарелках организовывают: прямым, противоточным и смешанным, обычно жидкость движется, стекая вниз, а газовый или паровой поток поднимается вверх, что и определяет эффективность процесса и конструкции. При этом тарелки функционируют в гидродинамических режимах, называемых барботажными и струйными, причем, в первом случае обеспечивается жидкостной слой на поверхности тарелки, который пропускает через себя путем барботажа газовую фазу в виде пузырьков. При возрастании газового потока жидкость принимает форму стекания струями и каплями, что характеризует струйный режим. Тарелки конструкций колпачковых, клапанных, ситчатых и провальные функционируют в режиме барботажа, причем на первых 3-х типах фазы работают в перекрестном токе, что обеспечивается конструктивными элементами тарелок: отверстиями, колпачками или клапанами, а также устройствами для перелива после достижения определенной высоты жидкостного слоя. При этом площадь свободного сечения для прохода газового потока достигает от 1 до 30%, а площадь устройств для перелива составляет порядка 20% от всей площади, составляющей поперечное сечение аппарата. В отличие от описанных ранее, тарелки провального типа работают в режиме противотока контактирующих фаз, в них отсутствуют устройства для перелива, а на поверхности имеют отверстия различной формы, диаметр которых составляет от 20 до 100мм, служащих для прохождения газовой и жидкой фаз. В режиме противотока фаз осуществляется сохранение слоя жидкой фазы для создания благоприятного режима работы. Провальные тарелки уступают тарелкам, имеющими перелив как движущей силе, так и по диапазону нагрузок. В последние годы начали разрабатывать тарелки струйного и струйно-барботажного типа, позволяющих функционировать при больших нагрузках газового потока, в которых фазы контактируют в прямоточном или перекрестно-прямоточном направлениях за счет применения различных конструктивных элементов, позволяющих осуществлять регулирование фазовых потоков. Помимо этого, используют секционирование тарелок на продольно-поперечное и продольное, причем первые обладают такими зонами контакта, как барботажная и пленочная, являющаяся дополнительной [1,2,4]. Газ, пройдя зону барботажа, переходит в контакт с жидкой фазой в зоне пленки, которая его сепарирует и позволяет активизировать перенос массы и увеличить газовую нагрузку. Имея большую длину перегородок для перелива, такие тарелки могут выдерживать значительные жидкостные нагрузки, а используя перегородки, расположенные поперек в секциях, появляется возможность перераспределять фазовые потоки. Таким образом, за счет секционирования удается создать равномерное контактирование взаимодействующих фаз и увеличить производительность оборудования.

Обсуждение. Рассмотрим тарелки, имеющие продольное секционирование, достигаемое при помощи элементов в виде лотков, по которым создается возможность распределения фаз. Имеющиеся на наружной поверхности тарелок устройства в виде чешуек, так называемых клапанов, позволяет создавать направление потоков жидкости и газа как крест- накрест, так и противоположно. Тарелки такой конструкции осуществляют струйное и направленное контактирование фазовых потоков с контактом струй, имеющих обратное направление в струйном и в барботажном режимах. В абсорберах распыливающего типа, фазы контактируют между собой как в распыленном состоянии, так и в состоянии разбрызгивания жидкой фазы в газовой. Известно разделение абсорберов по группам: а) форсуночные (за счет распыливающих устройств); б) скоростные прямоточные (за счет газа); в) механические (за счет элементов конструкции). Название группы характеризует способ распыливания жидкости в абсорберах. Массообмен в абсорбере обеспечивают способами контакта фаз- непрерывным и ступенчатым. Первых представляют колонны с насадкой и аппараты распыливающего типа, и также конструкции барботажа и пенные с 1-й полкой, а к вторым- колонны, снабженные тарелками и барботажные и пенные конструкции, имеющие несколько полок.

В табл.1 представлен сравнительный анализ основных характеристик известных аппаратов "мокрого" типа, где наиболее результативными являются высокоскоростные трубы Вентури, пенные аппараты, аппараты с псевдоожиженным слоем и пленочные трубчатые аппараты[1,2,4].

Особо отличаются аппараты пленочного типа, в которых организован дисперсно-кольцевой режим, позволяющий осуществлять очистку одновременно от газообразных компонентов и дисперсных частиц, функционирующих в широком спектре нагрузок по газовой и жидкой фазам, малым габаритам, простоте конструкции, масштабному переходу, возможности без усилий организации и поддержании оптимальных температурных параметров в зоне контакта без существенных энергетических затрат и т.п.

Поскольку, процессы абсорбции в различных производствах имеют существенное различие, то не существует и единственного аппарата одной конструкции для реализации этих процессов. В качестве рекомендации можно рекомендовать такой объективный технико-экономический показатель, когда стоимость переработки 1 м3 газа или расходы на 1 т продукции будут наименьшими [1,2,4]. Это можно определить и сопоставить ряд аппаратов.

Таблица 1 - Сравнительный анализ основных характеристик известных аппаратов мокрой очистки газов [1,2,4]

Основные направления совершенствования конструкций аппаратов очистки. В настоящее время очистку попутных газов наиболее продуктивно осуществлять, используя абсорбционно-десорбционные системы очистки на современном оборудовании [5,6,7]. Необходимым направлением будущего является разработка оборудования, обладающего большой производительностью, малым гидравлическим сопротивлением и развитой поверхностью массообмена [6]. Для этого необходима разработка теории массообмена, базирующаяся на фундаментальных законах классической механики, механики жидкости и газа, физической химии и термодинамики, позволяющих осуществлять процессы обмена массы с использованием поля центробежных сил, закрученных потоков газовой и жидкой фазы, воздействие вихревых и кавитационных эффектов [9,10,11]. Использование закрученных потоков позволяет осуществлять их турбулизацию, увеличивая коэффициент массоотдачи и качество перемешивания, а также создавая развитые поверхности контакта фаз и обеспечивая высокое качество распыливания потоков [1]. В вихревом потоке противоположно направленных фаз появляется возможность регулировать концентрацию при помощи 1-й распыляемой ступени, соответствующей нескольким теоретическим ступеням, что связано с эффектом турбулизации процессов в самих каплях [11]. Данный эффект возможен только при определенных условиях организации процесса движения вихревых потоков газа и капель жидкости [12]. Подобные рассуждения были высказаны Холиным Б.Г. из Украины [5], для развития этой теории необходимы осевые и тангенциальные завихрители [6,7,8,9]. Авторами работы [13]была разработана тарелка провальной конструкции, обладающая достоинствами по сравнению с тарелками, работающими по принципу перелива: увеличенной производительностью, низким гидравлическим сопротивлением и металлоемкостью, а также способностью продолжительной работы в средах с увеличенной загрязненностью [14]. С этой целью были сопоставлены данные по удельной межфазной поверхности газа для различных типов контактных аппаратов, показавших их существенное достоинство, что и послужило целью дальнейших исследований в этом направлении.

Выводы

1. На основе проведенного анализа установлен метод абсорбции, как наиболее результативный, с использованием абсорберов и десорберов колонного типа с насадкой или тарелками. При этом применяются этаноламины, используемыми в процессах очистки газа от Н2S и СО2.

2. В качестве известных контактных устройств в данных аппаратах являются массообменные тарелки, имеющие узкий диапазон эффективности, низкая поверхность массообмена, большое сопротивление и материалоемкость.

3. В качестве перспективы реализации процесса абсорбции вызывает интерес создания закрученного потока, турбулизирующего среду и увеличивающего коэффициенты массоотдачи.

8. Задачей в данной работе является - разработка и исследование аппарата для очистки попутного газа при добыче нефти на месторождении, требующей решения следующих задач:

а) Дать анализ состояния подготовки попутного газа и перспективы, на основании которого выбрать наиболее приемлемый;

б) На основе оценки массообменных конструкций и массообменных показателей, установить пути интенсификации процессов массоотдачи и газоочистки и осуществить разработку контактного устройства для абсорбционного процесса очистки попутных газов от опасных примесей;