Перед очисткой коксового газа от вредных примесей его необходимо охладить и отделить от надсмольной воды. В этом случае из коксового газа конденсируется смола, которая может в виде мелких капель витать в газообразной среде. Сепараторы, применяемые в настоящее время на коксохимических предприятиях способны выделить только крупные капли смолы. Остальная часть конденсируется в ПГХ, выделяется в сатураторе в виде кислой смолки, в КГХ и т.д. При этом в смоле содержится нафталин, который забивает оборудование и требует затраты на очистку от отложений. Исследование работы насадочных сепараторов даст результаты, по которым можно будет судить насколько эффективнее эти сепараторы по сравнению с объемными и есть ли смысл применять их в условиях действующих предприятий.

Цель работы

Проанализировать работу объемного и насадочного сепаратора, провести соответствующие эксперименты, сделать вывод о целесообразности замены действующих сепараторов на насадочные.

Научная новизна

Первая попытка обосновать преимущество использование насадок для сепаратора, разделяющего коксовый газ и надсмолную воду.

Практическая ценность

Использование модернизированного аппарата позволит снизить затраты, связанные с очисткой оборудования от отложений нафталина.

Введение

Исторически так сложилось, что отечественные коксохимические заводы оснащены цехами улавливания, в которых улавливают ценные химические продукты коксования. Выходящий коксовый газ из камер коксования содержит огромное количество химических веществ. Основную долю этих продуктов состовляет смола. В газосборнике коксовый газ охлаждается с температуры 750 до 81 градуса цельсия. При такой температуре смола не может находиться в газообразном состоянии и конденсируется в жидкость. Сначала образуются капли жидкости, затем по мере охлаждения они увеличиваются в размерах и оседают на дно камеры. Однако кинетика этого процесса неизвестна. Известно, что конденсация вещества происходит быстрее на твердой поверхности, и это хорошо, потому что в газосборник поступает большое количество пыли из камер коксования, капли быстрее увеличиваются в размерах и оседают на дно. Однако охлаждение протекает настолько быстро, что капли не успевают нарасти до критического размера и поэтому в газе находится огромное количество туманообразной смолы, которое увлекается потоком газа и уносит ее дальше. В сепараторе происходит разделение фаз, крупные капли тоже выводятся из него, а мелкие уносятся потоком. Сепараторы (как насадочные так и объемные) с успехом применяются при добыче природного газа и нефти, и практика показала что качество сепарации насадочных газоотделителей выше чем у объемных. Это наталкивает на мысль, что с таким же успехом можно применять насадки и в условиях коксохимического завода. Повышая качество сепарации, мы снижаем затраты на удаление нафталина, выделяющегося из смолы и забивающего аппаратуру.

1. Виды сепараторов. Классификация.

Прежде чем исследовать работу коксохимического сепаратора необходимо рассмотреть устройства и работу сепараторов, используемых при добыче газа, так как газовики уделяют большое внимание данному технологическому процессу, потому что при добыче газа это необходимая технологическая операция, и сепараторы, используемые в газодобыче наиболее полно исследованы и изучены, а также имеются методики расчета сепараторов. сепараторы, которые могут быть подразделены по принципу их работы на следующие типы.

1. Сепараторы, в которых главная роль при отделении примесей принадлежит силе тяжести – гравитационные сепараторы.
   
2. Сепараторы, основанные на использовании сил инерции.
   
3. Сепараторы, в которых используются силы прилипания (насадочные).
   
4. Сепараторы смешанного типа, в которых для отделения одновременно используются и силы инерции, и силы тяжести и силы адгезии.
   

Наряду с механическими способами отделения применяют гидравлические способы очистки газа, в которых частицы отделяются пропусканием газа через различные масла. Наибольший интерес представляют комбинированные способы основанные на различных принципах работы аппаратов так как в них может быть достигнута высокая степень очистки 97% и более.

Гравитационные сепараторы бывают : вертикальные, горизонтальные и сферические.

К инерционным относят циклонные сепараторы и вихревые камеры. Смешанные сепараторы бывают: гравитационные с тангенциальным вводом, жалюзийнопленочные и др. При большом содержании жидкости широко применяют гравитационные вертикальные и горизонтальные сепараторы. Циклонные используют в качестве сепараторов первой ступени – каплеотделителей. Для более полной очистки газа от жидкости используют горизонтальные жалюзийно-пленочные сепараторы с вертикальным расположением жалюзи. Гравитационные сепараторы имеют более высокие показатели по степени отделения жидкой и твердой фаз от газа, но являются металлоемкими. Циклонные – имеют невысокий коэффициент разделения, но небольшую металлоемкость

Гравитационные жалюзийно-пленочные сепараторы, несмотря на высокие металлозатраты и сложность изготовления имеют высокую степень очистки и эффективно работают в достаточно широком диапазоне расхода газа и жидкости, что делает их наиболее перспективными на газодобывающих предприятиях. Все применяемые сепараторы работают на безгидратном режиме. Для достижения высокой степени очистки газа схема сепарации может иметь две и более ступеней.

Для отделения газа от нефти наряду с широко применяемыми двухфазными сепараторами-трапами, применяют трехфазные гравитационные сепараторы для одновременного разделения газа, нефти, воды.

2. Осаждение частиц

Для расчета параметров сепаратора необходимо знать закономерности осаждения частиц в газовой среде. Мы должны знать как скорость осаждения частицы зависит от ее размера, формы, характеристики среды, т. к. параметры сепаратора должны обеспечивать скорость движения газа в нем ниже, чем скорость осаждения частицы. В этом случае частицы будут свободно оседать на дно камеры.

Частица, падающая под действием силы тяжести, будет увеличивать свою скорость до тех пор, пока сила сопротивления среды не уравновесит силу тяжести. Затем частица будет продолжать свою скорость равномерно, с постоянной скоростью. Эту постоянную скорость и называют скоростью ободного осаждения wос.

Таким образом, при падении частицы имеют место три стадии движения:
1.начальный момент падения;
2.движение с увеличением скорости;
3.равномерное движение (с постоянной скоростью).

Возрастание скорости от w=0 до w=wкон=wос происходит в течении очень короткого времени, поэтому для технических расчетов представляет интерес лишь третья стадия движения тела.

В условиях динамического равновесия принцип Д’Аламбера для движущейся частицы приводит к уравнению:

      (1)

Внешняя сила (сила тяжести) по закону Ньютона может быть выражена следующим образом:

Fв=ma                  (2)
где а – ускорение силы тяжести.

Сила сопротивления среды:

      (3)

где - скорость осаждения частицы относительно среды; - плотность среды ; – площадь поперечного сечения частицы; - коэффициент сопротивления.

Подъемная, или архимедова, сила пропорциональна массе среды, вытесненной массой частицы:

      (4)

Из уравнений (1) - (4) получим :

      (5)

Уравнение (5) характеризует взаимодействие сил, в поле которых находится твердая частица или тело. Для его решения необходимо знать природу внешней силы и закон сопротивления. В случае падения частицы под действием силы тяжести a=g, где g – ускорение свободного падения. Тогда уравнение (5) примет вид:

      (6)

Если частица имеет шарообразную форму и осаждается в поле силы тяжести, то для определения скорости осаждения можно ввести дополнительные условия:
1 среда, в которой происходит осаждение неограниченна;
2 осаждению частицы не мешают другие частицы;
3 скорость осаждения постоянна.
Для шарообразной частицы формула приобретает вид:

      (7)

В приведенных выше уравнениях - диаметр осаждающейся частицы, м; и - плотность частицы и среды соответственно, кг/м3.

Уравнение (10) справедливо для ламинарного, переходного и турбулентного режимов осаждения частиц с различной сферичностью, причем коэффициент сопротивления может быть определен по рисунку

Re
Рис 2 Зависимость коэффициента сопротивления среды от Рейнольдса и фактора формы (сферичности) y частиц, осаждающихся под действием силы тяжести

Если частица имеет шарообразную форму и режим ее движения - ламинарный, то формула приобретает вид:

      (8)

Эта зависимость носит название формулы Стокса

В области действия закона Ньютона (при турбулентном режиме осаждения) необходимо учесть коэффициент b ( на который нужно умножить скорость осаждения, расчитанную по формуле Стокса).

      (9)

Для того чтобы определить режим осаждения и, следовательно, выбрать формулу расчета необходимо знать величину критерия Рейнольдса, в который также входит величина значения скорости осаждения. В этом случае используют метод последовательных приближений, т.е. на первой ступени расчета приходится задаваться, например, ламинарным режимом осаждения, а затем, определив скорость осаждения, проверять, лежит ли критерий Рейнольдса в области, соответствующей выбранному условию. При несовпадении переходят ко второй ступени расчета до получения удовлетворительной сходимости данных.

Однако такой трудоемкой процедуры расчета скорости осаждения можно избежать, преобразовав уравнение (7) методом Лященко. Метод основан на подстановке в уравнение (7) выражение и возведении в квадрат обеих частей полученного уравнения, откуда получается выражение

      (10)

Правая часть уравнения представляет собой критерий Архимеда. Таким образом

      (11)

Зная величину критерия Архимеда (для осаждения частиц заданного размера), по графику Лященко (рис 3) легко рассчитывать значение Re, из которого определяется искомая скорость осаждения. Поскольку величина коэффициента сопротивления зависит от режима осаждения, то можно установить граничные значения критерия Архимеда, соответствующие переходу одной области осаждения в другую.

Рисунок 3 - График Лященко

В области ламинарного режима осаждения (при Re<2, т. е. в условиях, характеризующихся законом Стокса ) коэффициент сопротивления равен 24/Re и уравнения (11) и (8) примут вид

Re=Ar/18 или Re=0.056Ar

В области действия закона Ньютона (в условиях автомодельности критерия Re) коэффициент сопротивления равен 0.44 и уравнение (11) можно записать так:

      (12)

В переходной области верхнее значение критерия Архимеда соответствует значению Re=500 и рассчитывают по уравнению

      (13)

3. Технологический расчет сепараторов

Существует множество методик расчета сепараторов. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки, но все они основаны на использовании экспериментальных данных, хотя бы из-за того, что определение скорости осаждения требует проведение некоторых экспериментов, например определение коэффициента сопротивления среды.

Я приведу методику расчета нефтяного трапа[3].
В основу расчетов емкостей сепараторов с учетом производительности по газу положены эмпирические формулы.

Для сепараторов без отбойных насадок:

      (14)
где W1 – допустимая скорость газа в сепараторе, м/с; Vg-производительность по газу, м(куб)

      (15)

Для сепараторов с отбойными насадками:

      (16)

где W2 – допустимая скорость газа в отбойной насадке, м/с

      (17)

Необходимое качество сепарации – удельный унос жидкости для сепараторов без отбойных насадок определяется по формуле:

      (18)

Унос жидкости вместе с газом

      (19)

    В формулах для расчета сепаратора приняты следующие обозначения:

Индексы: г — газовая фаза, н — нефтяная фаза; Vг, Vн - производительность по газу и нефти, нм(куб)/сут и м(куб)/сут; - поверхностное натяжение на границе нефть – газ, дин/см; - плотность газа и нефти в рабочих условиях; - плотность газа при нормальных условиях, кг/нм(куб);P - абсолютное авление сепарации, кгс/см2; T0 – абсолютная стандартная температура; °К; Т—абсолютная температура сепарации °K; , Z – коэффициент сжимаемости газа в стандартных и рабочих условиях; , Б—постоянный коэффициент, зависящий от необходимой степени очистки газа в сепараторах без отбойных и с отбойными насадками, м/с; q – содержание нефти в общем потоке газонефтяной смеси, % (мас); e – удельный унос жидкости, кг/кг;- живое сечение отбойной насадки, м2/м2;Sг—площадь поперечного сечения газосепаратора или отбойной насадки, м2; v - объем жидкости в сепараторе, м3; W - скорость газа, м/с; В - безразмерный коэффициент, учитывающий удельный унос жидкости

Для расчета сепаратора нам понадобится знать коэффициенты Б и В, которые определяются экспериментальным путем. Эти коэффициенты будут отличаться от тех, которые используются при расчете нефтяных трапов во-первых, потому что смесь, поступающая из камер коксования отличается от газонефтяной смеси по физико-химическим свойствам, а во-вторых, газонефтяная смесь содержит больше нефти, чем газа, а коксовый газ содержит больше газа.

Выводы

    Для подтверждения наших предположений относительно того, что использование насадок повысит качество сепарации необходимо провести соответствующие эксперименты, определить коэффициент уноса, количество смолы на входе в сепаратор и на выходе с отбойными насадками и без них, гидравлическое сопротивление насадок и как это повлияет на работу других аппаратов. Эксперименты будут проведены на Авдеевском коксохимическом заводе, однако пока мы не получили эту возможность (к сожалению, не все от нас зависит), поэтому точный ответ мы пока дать не можем.

Перечень ссылок

1.   М. Н. Базлов, А. И. Жуков, Т. С. Алексеев. Подготовка природного газа и конденсата к транспорту. Из-во «Недра», 1968, стр. 215. страница 86

2.   Лобков А. М. Сбор и транспорт нефти на промыслах. М., Гостоптехиздат, 1955. страница 27

3.   Г. А. Кирилов, В. М. Кудрявцев, Н. С. Чирков. К вопросу расчета газонефтяных сепараторов. М., "Недра" 1958. страница 130

4.   Коротаев Ю. П. Эксплуатация газовых месторождений. М. Недра 1975, стр. 415, страница 344

5.   Требин Ф. А., Макогон Ю.Ф., Басниев К. С. Добыча природного газа. М., «Недра», 1976, 368 с.

6.   Романков П. Г., Курочкина М. И. Гидромеханические процессы химической технологии. Изд. 2-е, пер. и доп. 1., «Химия». Ленинград. 1974., 286 стр., страница 122