С.В. Афанасьев, к.х.н.. д.т.н., академик РАЕН, эксперт Минпромторга РФ, начальник отдела АО «Тольяттиазот» по разработке инноваций и их патентованию
Для контактирования газа и жидкости, используемых при осуществлении ректификационных и абсорбционных процессов, в частности при получении карбамидоформальдегидного концентрата КФК-85 и безметанольного формалина всё большее распространение получают специальные технические устройства, называемые тарелками.
На сегодняшний день тарельчатые колонны являются наиболее эффективными и востребованными аппаратами. Они изготавливаются в виде вертикальных цилиндров, внутри которых одна над другой размещено определенное количество горизонтальных перегородок – тарелок, обеспечивающих возможность движения жидкости сверху вниз, а пара снизу вверх.
Достаточно распространены колонны, в которые жидкость поступает в верхнюю часть, переливается с тарелки на тарелку через переливные устройства и удаляется из куба ректификационной колонны или абсорбера.
Характер распределения пара и жидкости зависит не столько от конструкции распределяющих устройств, сколько от скорости парового потока. При небольшой скорости (0,3 м/с) пар движется сквозь слой жидкости в виде отдельных пузырьков. Поверхность контакта фаз невелика, и тарелка при этом работает неполным сечением, то есть в «пузырьковом» режиме.
С увеличением скорости движения пара от 0,3 до 1,2 м/с выходящие из отверстия или прорези отдельные пузырьки сливаются в сплошную струю, которая на определенном расстоянии от места истечения разрушается вследствие сопротивления слоя жидкости с образованием большого количества пузырьков. При этом на тарелке возникает парожидкостная дисперсная система – пена, которая является нестабильной и разрушается сразу же после прекращения поступления пара. Контакт пара и жидкости происходит на поверхности пузырьков и струй пара, а также на поверхности капель жидкости, которые в большом количестве образуются над барботажным слоем. При пенном режиме работы тарелки достигается максимальная поверхность фаз и, соответственно, скорость массопереноса.
Указанное обстоятельство особенно важно в процессе хемосорбции формальдегида водой или раствором карбамида.
Подобная конструкция колпачковой тарелки, описанная в работе [1, с.451; 2, с.204], включает дно, герметически соединенное с корпусом колонны 1, колпачок 2, паровой патрубок 3 и сливное устройство 4. причем колпачок 2 имеет прорези для лучшего массообмена в системе пар-жидкость (Фрагмент показан на фиг.1). Температура жидкой фазы на тарелке поддерживается за счет ее циркуляции через выносной теплообменник с помощью насоса.
Фигура 1.
Эффективность работы указанных массообменных устройств, установленных в промышленных абсорберах формальдегида, тесно связана с равномерностью орошения абсорбентом и их существенным недостатком является разброс температуры в тарельчатой части колонны.
С целью совершенствование конструкции колпачковой тарелки с одновременным повышением ее абсорбционной эффективности в процессе эксплуатации в АО «ТОАЗ» были проведены специальные исследования, результаты которых изложены в публикациях [3; 4, С.83].
Поставленная при этом цель была достигнута тем, что колпачковую тарелку снабдили змеевиковым теплообменником в виде параллельных трубных пучков, уложенных в пространстве между колпачками, причем в каждом пучке разместили от 1 до 4 теплообменных труб.
В соответствии с проведённой модернизацией колпачковая тарелка для контактирования газа и жидкости включает паровые патрубки, колпачки и сливные устройства, и дополнительно змеевиковый теплообменник в виде параллельных трубных пучков, уложенных в пространстве между колпачками, причем количество теплообменных труб в пучке варьирует от 1 до 4 в зависимости от их диаметра.
На фиг.2 показано устройство по модернизации колпачковой тарелки, установленной в верхней секции абсорбционной колонны, для поглощения формальдегида из абгаза водой на установке получения карбамидоформальдегидного концентрата марки КФК-85.
Фигура 2.
Согласно предлагаемого технического решения верхняя тарельчатая секция абсорбционной колонны реконструирована, то есть в пространстве между колпачками тарелки параллельными рядами уложены трубные пучки из нержавеющей стали AISI 304, каждый из которых включает три теплообменных трубы, причем верхняя возвышается относительно колпачков не более 0,5 своего диаметра. Их охлаждение осуществляется подачей теплоносителя – воды. Благодаря предложенной конструкции, температура жидкой фазы на колпачковой тарелке, контактирующей с формальдегидсодержащим газом, поступающего в нижнюю часть абсорбционной колонны, является постоянной на всей поверхности тарелки.
В свою очередь, поддержание пониженной температуры на колпачковой тарелке способствует дополнительной абсорбции формальдегида водой, подаваемой на орошение. Об этом свидетельствует снижение его концентрации в абгазе примерно в 1,2 раза, определенной на выходе из абсорбционной колонны.
Усовершенствование конструкции абсорбционной колонны позволяет оптимизировать режим её работы и практически полностью извлекать формальдегид из формальдегидсодержащего газа следующего состава. % (об):
Метанол 0,070
Диметиловый эфир 0,120
СО 1,000
СО2 0,100
Формальдегид 7,850
Н2О 8,405
О2 7,330
Азот 75,121
НСООН 0,004
Одновременно с этим удаётся избежать образования метиленмочевин, а подача небольших количеств амина в колонну, выполняющего роль модификатора, повышает эффективность процесса и определяет содержание циклических производных в готовом продукте, нежелательных при получении смол, но играющих позитивную роль при получении приллированного карбамида.
Таким образом, рассматриваемая модель колпачковой тарелки для контактирования газа и жидкости включает паровые патрубки, колпачки и сливные устройства, и дополнительно содержит змеевиковый теплообменник в виде параллельных трубных пучков, уложенных в пространстве между колпачками, а количество теплообменных труб в пучке варьирует от 1 до 4 в зависимости от их диаметра.
Это делает конструкцию более надежной в управлении и эксплуатации, а её использование позволяет повысить эффективность абсорбции формальдегида водой и снизить его концентрацию в абгазе, направляемого на каталитическую очистку.
Список литературы.
1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: Альянс. 2009. – 750 с.
2. Афанасьев С.В. Процессы и аппараты химической технологии. – Самара.: СНЦ РАН. 2020. — 407 с.
3.Патент на полезную модель RU №117304, МПК В01D3/18. Колпачковая тарелка для контактирования газа и жидкости/ С.В. Афанасьев и др. Заявка №2011150155 от 09.11.2011. Опубл. 27.06.2012 .
4. Афанасьев С.В., Трунов А.В., Матвеев А.В. Процессы и аппараты переработки карбамида и метанола в карбамидоформальдегидный концентрат и другую продукцию. – Самара.: СНЦ РАН. 2024. – 262 с.