СПОСОБ СОЗДАНИЯ ВАКУУМА В ПРОМЫШЛЕННЫХ АППАРАТАХ Российский патент 1997 года по МПК B01D3/10 C10G7/06 

Изобретение относиться к химической, нефтехимической, нефтяной, энергетической и другим отраслям, где возникает необходимость создания вакуума без загрязнения воды и воздуха вредными веществами.

Известны способы создания вакуума, в которых на первый ступени используют конденсационные аппараты с внутренними устройствами (насадками, тарелками) для лучшего контакта парогазовой фазы с конденсирующим агентом. В конденсационных аппаратах (барометрических конденсаторах) в качестве конденсирующего агента используют воду или, в лучшем случае, жидкие углеводородные, органические или нефтяные вещества, например, в нефтеперерабатывающей промышленности в качестве конденсирующего вещества в большинстве случаев используют тяжелое дизельное топливо. При этом по опыту работы технологических установок нефтеперерабатывающей промышленности барометрические конденсаторы практически в среднем создают вакуум 300 мм рт.ст.

Дальнейшее повышение вакуума создают в большинстве случаев паропроводными эжекторами. Водяной пар после эжекторов конденсируют в специальных конденсаторах.

Подача воды в барометрические конденсаторы, а также получение конденсата после эжекторов, естественно, обуславливает загрязнение воды в результате непосредственного контакта воды с нефтепродуктами, углеводородами и другими химическими веществами.

Большое загрязнение воды происходит при контакте воды с нефтяными дистиллятами, которые содержат также и сероводород, аммиак, углеводородные газы и другие вредные для окружающей среды веществами. Полученную после этого способа воду необходимо очищать, что осуществляют в так называемых нефтеловушках, крупных открытых водоемах, где содержащиеся в воде газы и пары нефтепродуктов, сероводород и другие газообразные вещества выделяются из воды в атмосферу.

Таким образом, существующие промышленные способы создания вакуума в промышленных аппаратах не экологичны, загрязняют как воду, так и воздух.

В то же время растворенные в воде сероводород, а также другие агрессивные газы интенсифицируют кислотную коррозию оборудования, снижая надежность и длительность работы оборудования.

Известный способ обладает тем недостатком, который обусловлен наличием в барометрическом конденсаторе насадочных или тарельчатых устройств, которые сами создают гидравлическое сопротивление, понижая этим самым эффективность создания вакуума за счет процесса конденсации последующими эжекторами.

Насадки барометрических конденсаторов разных конструкций на различных заводах создают гидравлические сопротивления 2,5-38 мм. Существующая на ряде заводов принципиальная схема создания вакуума в промышленных аппаратах приведена на фиг.9.

На других заводах вместо барометрического конденсатора установлены поверхностные конденсаторы, также с целью уменьшения загрязнения воды. Однако поверхностные конденсаторы, также обладают гидравлическим сопротивлением. Снижается эффективность системы создания вакуума и в результате эффективность процесса теплообмена через поверхность вместо непосредственного контакта.

С целью ликвидации недостатков известного способа и повышения эффективности, меньших энергетических затрат, улучшения экологичности, надежности и безопасности, предлагается на первой ступени создания вакуума, вместо конденсаторов и эжекторов использовать как вакуумирующий эффект процесса конденсации, так и гравитационную силу падающей жидкости той же физической природы, что и конденсирующее вещество, в вертикальном стояке или в вертикальных стояках с целью отсасывания газов и паров из аппаратуры, в которой создается вакуум.

В связи с тем, что при движении газо-парожидкостного потока по вертикальному трубчатому стояку через определенное расстояние происходит расслоение фаз: жидкость движется по периферии сечения трубы, а газ к центру, то в предлагаемом способе для ликвидации расслоения в стояк подают рабочий конденсирующий агент (жидкость) в нескольких точках через 1-15 диаметров трубы под углом 0-14^o, предпочтительно под углом 7-9^o, с вращательным движением в результате тангенциального ввода рабочего агента, что обусловливает дополнительный эжектирующий эффект.

Наличие двух составляющих скорости у вводимой жидкости, линейной скорости под углом 0-14^o к оси трубы и вращательного движения за счет тангенциального ввода жидкости, обусловливает после ввода в начальном участке сужающуюся конусную форму жидкостной круговой струи, которая затем после снижения линейной скорости за счет сопротивления среды, под влиянием вращательного движения расшириться центробежной силой.

Таким образом, наличие двух составляющих позволяет создать сужающую и расширяющую жидкостную полость, в которой происходит изменение давления подобно эжектору с конструктивным профилированным сечением и усилить эффект эжектирования.

Использование 1-3 и др. количества таких точек тангенциального ввода, особенно, с разнонаправленным вращательным движением конденсационно-эжектирующей трубе позволит полностью сконденсировать конденсирующую часть паро-газовой фазы и за счет этого углубить процесс вакуумирования, а также использовать при этом в качестве рабочих жидкостных агентов вещества той же природы, что и отсасываемая фаза без загрязнения воды и воздуха. В случае необходимости большего углубления вакуума (5-10 мм рт.ст.) в последующем могут быть использованы или вакуумные насосы или струйные аппараты, в которых также используются жидкие или парообразные вещества той же физической природы, что и отсасываемое вещество. При этом, для повышения эффективности создания вакуума выбирают конденсирующее вещество с низкой остаточной упругостью паров, в частности, в вакуумной колонне фракционирования мазута, в качестве конденсирующего вещества используют нефтяные фракции тяжелее керосина: дизельное топливо, атмосферный или вакуумный газойль и др.

Для того, чтобы повысить безопасность способа создания вакуума в случае прекращения подачи рабочего агента по тем или иным причинам, для того, чтобы исключить попадание атмосферного воздуха в вакуумный аппарат, в результате атмосферного противодавления в рассматриваемом способе нижний конец эжектирующей трубы или последнего эжектора или газоотводной трубы после разделителя фаз, помещают под уровень жидкости, обеспечивающей гидравлический барометрический затвор. Для компенсации противодавления статического столба жидкости в нижнюю часть эжектирующей трубы или эжектора подают струю жидкости той же физической природы, что и отсасываемые газы и пары через специальную форсунку. В другом варианте на последней ступени устанавливают эжектор после пламяпреградителя.

Ниже дано описание вариантов оформления предлагаемого способа создания вакуума.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема создания глубокого вакуума для нефтеперегонной колонны при фракционировании мазута, при этом на первой А и второй 8, и третьей 9 степенях используют струйные жидкостные аппараты. Пары и газы из вакуумной колонны 1 по трубопроводу 2 направляют в вертикальный конденсационно-эжектирующий стояк 3, в который в точки А и Б подается жидкость для конденсации и эжектирования во вращательном движении насосом 4, предварительно охлажденная в аппаратах 5 и 6. Подаваемая жидкость Ж имеет ту же физическую природу, что и отсасываемые пары и газы. Конструктивное оформление ввода жидкости в точке А приведено на фиг. 2, ввода жидкости в точке Б на фиг. 3.

Газы, пары и жидкость самотеком движутся в нижнюю часть стояка 3, где в гравитационно-инерционном аппарате 7 происходят отделение жидкости от газов и паров. Несконденсировавшиеся пары и газы из аппарата 7 отсасывают струйными аппаратами 8 и 9, в которые насосом 10 подают циркулирующую жидкость 11. В емкости 12 отделяется и собирается жидкость, которая по уровню насосом 13 откачивается из системы создания вакуума. Газ по линии 14 подают на сжигание. Потоки жидкости регулируются регуляторами Р.

По линии 15 подают сырье (мазут) в колонну 1, остаток (гудрон) выводят по линии 16. С целью безопасности работы системы создания вакуума на случай аварийного отключения насоса 10, нижняя часть стояка эжектора 9 помещают под слой жидкости в емкости 12. Нижние части стока жидкости после аппарата 7 и эжектора 8 после разделительного гравитационно-инерционного аппарата 17 также помещены под слой жидкости в емкости 12 на глубину, обеспечивающую барометрический затвор.

Если помещение нижних концов трубопроводов стока жидкости из аппаратов 7 и 17 после эжектора 8 под уровень жидкости в емкости 12 не создает подпора перепада давления, столба жидкости, то помещение вертикального стояка после эжектора 9 под уровень жидкости создает статическое противодавление в результате вывода через этот стояк и жидкости и газов.

Для компенсации противодавления в узле В подводят поток жидкости через форсунку, принципиальная схема узла В приведена на фиг.4.

Принципиальная схема подачи рабочей конденсирующей эжектирующей жидкости в точке А представлена на фиг. 2.

Узел А состоит из корпуса приемной камеры 1 с соплами 2 ввода рабочего вещества Ж, штуцеров ввода 3 и 3' эжектируемого вещества Э. Ввод газ-парообразного вещества Э может осуществляться под разными углами к оси вертикального стояка, например, на фиг. 2 показаны два варианта ввода: под углом 90^o предпочтительно штриховыми линиями под углом ≅30^o по штуцерам Э и др. Сопла 2 крепят на крышке 4, а ввод жидкостного рабочего вещества Ж производят через штуцер 5. В соплах 2 могут быть установлены специальные завихрители потока рабочего агента Ж или сопла 2 имеют для завихрения потока Ж специальный профиль (на фиг.2 не показан).

Работа узла А осуществляется следующим образом: поток рабочего вещества Ж по штуцеру 5 поступает в камеру 6, где происходят распределение по соплам 2, после чего поток разбрызгивается в приемную камеру 1 и захватывается за счет кинетической энергии струй поток эжектируемого вещества Э, увлекает его по оси стояка в камеру смешения 7 и проталкивается по стрелке э'.

Принципиальная схема подачи эжектирующей жидкости в узле Б представлена на фиг. 3. Узел Б представляет элемент круговой форсунки, состоящей из кругового пространства 1, образованного центральной трубой вертикального стояка 2, который обхватывается цилиндрическим кожухом 3 и двумя крышками (верхней 4 и нижней 5). Во внутреннее пространство круговой форсунки вводиться рабочий поток Ж по тангенциальному вводу 6. Из кругового пространства рабочий поток через профильное круговое отверстие 7 вводиться в центральную трубку под углом 0-14^o, предпочтительно под углом 7-9^o с вращательным движением.

Тангенциальный ввод в круговую форсунку рабочего потока с вращательным движением обеспечивает равномерность истечения рабочего потока в центральную трубу, что и обеспечивает как уже отмечалось, изменение сечения центральной трубы. Рабочая воронкообразная струя подхватывает, засасывает электируемый поток Э и проталкивает его в нижележащую секцию по стрелке э'. Верхняя крышка 4 может иметь центрирующее цилиндрическое кольцо (на фиг.3 указано), круговое сопло 7 может иметь направляющие пазы или лопатки, типа лопаток турбин.

На фиг. 4 представлена принципиальная конструкция узла B, которая представляет собой профильный патрубок 1, с установленной сбоку форсункой 2, в которую вводиться струя рабочего потока Ж для компенсации статического давления слоя h жидкости 4.

Газы, пары и жидкость потока э', самотеком входят в патрубок 1, помещенный под слой жидкости 4 на глубину h. Высота жидкости создает противодавление, которое компенсируют вводом рабочего потока Ж через форсунку 2.

На фиг. 5 представлен вариант предлагаемого способа создания вакуума с использованием вакуумных насосов 8 и 9 (остальные обозначения фиг. 5 соответствуют нумерации фиг. 1). Принцип работы системы создания вакуума на фиг. 5 подобен принципу создания вакуума фиг. 1, с небольшими изменениями, которые заключаются в том, что вакуумные насосы 8 и 9 по линии 10 отсасывают несконденсированные пары и газы, и через брызгоуловители 11 и 12 по линии 14 подают в печь для сжигания.

На фиг. 6 представлен другой вариант предлагаемого способа создания глубокого вакуума, когда на второй 8 и третьей 9 ступенях используют паровые эжекторы, в которых в качестве рабочего агента используют пары нефтепродукта, который подают насосом 10 по линии 11, испаряют в печи 11 и по линии 11' подают на паровые эжекторы 8 и 9. Для конденсации паров нефтепродуктов после эжекторов 8 и 9 по линии 18 и 19 насосом 4 подается охлажденный жидкий нефтепродукт (дизельное топливо, газойль и др. ), который совместно со сконденсировавшимися веществами через отделители 7 и 17 поступает в емкость 12, откуда по уровню насосом 13 откачивается из системы создания вакуума. На линии 17 подачи "вакуумных" газов в печь 11 для сжигания устанавливают пламяпреградитель 20, а после которого эжектор 21, который подает газы в печь 11 для сжигания. В качестве рабочего потока в эжекторе 21 используют водяной пар по линии 22.

Такая система подачи "вакуумных" газов в печь увеличивает безопасность всей вакуумно-создающей системы от внезапного (аварийного) отключения электроэнергии на электромоторы насосов 4, 10, 13 и уменьшает вероятность "забивания" пламяпреградителя 20 сернистыми соединениями, серой и др. образующимися в "вакуумных" газах.

Остальные обозначения и принцип работы на фиг. 6 соответствуют фиг. 1.

На фиг. 7 представлен следующий вариант использования предлагаемого изобретения. Пары, газы по шлемовой трубе 2 поступают в разные точки Б подачи рабочего эжектирующего агента, принцип подачи рабочего агента виден из схемы узла 6 на фиг. 3, затем поступают в циклонные разделители Ц газов и жидкости известных конструкций. Газы, после последнего по ходу циклона, вводят под слой жидкости в емкость 12 с целью создания гидравлического затвора. Нижняя часть газовой трубы соответствует узлу В, представленного на фиг. 4. Остальные обозначения соответствуют схеме обозначениям на фиг. 1, этой же схеме соответствует и работа системы на фиг. 7.

Представленная на фиг. 8 технологическая схема внедряется на установках первичной перегонки нефти АВТ на Уфимских нефтеперерабатывающих заводах. Эта схема, кроме исключения загрязнения воды и воздуха, обладает расчетным экономическим эффектом не менее 80 тыс. долл. на тонну перерабатываемой нефти.

Описание работы схемы, представленной на фиг. 8.

Газы и пары с верха вакуумной колонны по шлемовой трубе 1 поступают в эжектирующий стояк 2, в котором первым по ходу отсасываемых паров и газов установлен многоструйный эжектор 3, затем через 2-3 метра установлены 2 или 3 вихревых эжектора 4, после которых газожидкостная смесь поступает в циклон 5, в котором отделяется газ от жидкости и они раздельными поступают в емкость 6. Газ из емкости 6 через циклон 8, пламяпреградитель 9 подается в печь для сжигания (или в очистительный аппарат).

Емкость 6 выполняет роль разделителя-сепаратора-отстойника-холодильника (РСОХ). В связи с этим, емкость 6 разделена на секции вертикальной 10 и горизонтальной 11 перегородками. Газовая линия 12 после циклона 5 входит в емкость 6 под уровень жидкости для гидрозатвора.

Нижняя часть ввода жидкости после циклона 5 имеет специальный профильный ввод 13 для плавного вхождения жидкостной смеси.

По штуцеру 14 отводиться вода по уровню У-1 по штуцеру 15 циркулирующий газойль насосом H-Э (эжектирущий) подается в эжектирующий стояк 2 и откачивается насосом H-O (откачивающий).

По линии 16 в систему подкачивается свежий газойль или дизельное топливо на прием H-Э, а по линии 17 откачивается циркулирующий газойль в парк по уровню У-2 жидкости в накопительной секции 18 емкости 6.

В емкости 6 под горизонтальной перегородкой 11 и перед вводом 13 установлено деэмульгирующее и каплеулавливающее устройство 19, например, сетка Панченкова.

В линию 20 отвода газа в печь подается водяной пар или в этой линии установлен паровой эжектор с целью исключения аварийной ситуации в случае внезапного отключения электроэнергии на электромотор насоса H-Э•X - погружные холодильники.

Использование: в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, нефтяной, энергетической и других отраслях, где возникает необходимость создания вакуума без загрязнения воды и воздуха вредными веществами. Сущность изобретения: способ создания вакуума включает конденсацию парогазовой смеси с одновременным отсасыванием газов и паров непосредственно из аппарата в конденсационном эжектирующем вертикальном стояке, причем в качестве рабочего конденсирующего и эжектирующего вещества применяют жидкость с низкой упругостью паров той же физической природы, что и конденсирующиеся вещества, причем жидкость подают в нескольких местах под углом 0-14^oC к оси стояка, придавая жидкости вращательное движение. Способ позволяет повысить эффективность, надежность и безопасность процесса, а также уменьшить энергетические затраты. 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ создания вакуума в промышленных аппаратах, включающий конденсацию парогазовой смеси и отсасывание несконденсировавшихся газообразных веществ многоступенчатой системой вакуумирования, струйными аппаратами с разделителями парогазовой и жидкой фаз или вакуумными насосами, отличающийся тем, что конденсацию осуществляют с одновременным отсасыванием газов и паров непосредственно из аппарата в конденсационно-эжектирующем вертикальном стояке (стояках), причем в качестве рабочего конденсирующего и эжектирующего вещества применяют жидкость с низкой упругостью паров той же физической природы, что и конденсирующиеся вещества, при этом жидкость подают в нескольких местах под углом 0 14° к оси стояка (стояков) и хотя бы в одном месте придавая жидкости вращательное движение. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в первом по ходу месте подачи жидкости используют многоструйный эжектор. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после каждого места подачи жидкости смесь разделяют на жидкую и газовую фазы, используя гравитационно-инерционные разделители или циклонные аппараты. 4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что нижний конец конденсационно-эжектирующего стояка, или эжектора, или газовой трубы разделителя помещают под уровень жидкости, обеспечивающей барометрический затвор, на глубину, статическое давление которой компенсируют на нижнем конце подачей струи вещества той же физической природы. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед последней ступенью эжектирования используют огнепреградитель. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в последнюю ступень эжектирования в качестве рабочего агента подают водяной пар. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в местах подачи жидкости для создания вращательного движения используют специальные профильные пазы или профильные лопатки типа лопаток турбин. 8. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что конденсационно-эжектирующий стояк (стояки) охлаждают, используя воздушное или водяное охлаждение путем установки ребер или кожухов. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на последних ступенях вакуумирования используют вакуумные насосы или струйные аппараты, в которых в качестве рабочего агента применяют жидкие или парообразные вещества той же физической природы, что и отсасываемые газы и пары. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в разделителях устанавливают каплеулавливающие устройства, например отбойники, сетки. 11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в разделителях используют для разделения жидкости и газа горизонтальные и вертикальные перегородки, деэмульгирующие устройства и трубные змеевики.