Опыт применения сепаратора-коалесцера на химическом производстве

Автор: В.А. Большаков (ООО «Энергетические машины»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №1/2014

Применение сепаратора-коалесцера LCK-Эм и дополняющего его коалесцера FSS-Эм (рис. 1) – эргономически и экономически выгодное решение для химического производства (рис. 1). Сепаратор одинаково эффективен при любом отношении скорости потока к давлению на трубопроводе (мощностной диапазон 1:40). Эффективность устройства почти не зависит от пропускной способности, а перепад давления не увеличивается из-за загрязнения.

Техническое обслуживание сепаратора происходит без прерывания работы, что обусловливает существенное сокращение расходов. Если система оснащена автоматическим шлюзованием, то она не требует технического обслуживания. Очистка контейнера с отделенными примесями происходит также без прерывания работы.

Схема сепаратора LCK-Эм показана на рис. 2.

В трубчатый резервуар встроен ступенчатый модуль сепаратора, так называемый концентратор. В концентраторе газовый поток с примесями разделяется на два отдельных потока: очищенный основной поток и вторичный поток. Основной поток проходит через концентратор, многократно меняя направление, и затем, будучи очищенным от примесей, сбрасывается через выходной фланец.

Вторичный поток отводится через трубку Вентури, которая расположена в основном потоке со стороны входа LCK-Эм. Она способствует тому, чтобы вторичный поток в качестве циркулирующего снабжал различные секции системы: вторичный поток с концентрированными примесями покидает LCK-Эм и попадает в отстойник.

В отстойнике вторичный поток теряет большую часть примесей уже в его первой секции. Во вторую секцию отстойника встроены отражательные перегородки, значительно повышающие эффективность процесса сепарации. После отражательных перегородок вторичный поток покидает отстойник и затем в последней фазе подается в поток неочищенного газа. Если к этому моменту во вторичном потоке еще имеются остатки примесей, то он повторно отправляется в LCK-Эм.

Особенности сепарации в зависимости от вида загрязнений

Ступенчатая структура концентратора учитывает характер различных видов примесей в процессе сепарации.

Твердые вещества. Это может быть пыль трубопроводов (ржавчина, продукты изнашивания покрытия, грат, образующийся при сварке), пыль сульфида железа, песок, гидраты, земля из коллекторов природного газа (пузыри), кристаллы (солевые), пылевидный катализатор, пыль от драгоценных металлов. Твердые вещества в газовом потоке отскакивают от пластин («лестницы»), попадая во вторичный поток. Если сепаратор LCK-Эм с обводным потоком работает в пределах нормального рабочего диапазона, то такое поведение твердых частиц обеспечивает предотвращение прилипания их к поверхности.

Жидкости с низким поверхностным натяжением. Примерами таких жидкостей являются гликоль, ингибиторы коррозии, шлак, жидкие углеводороды (конденсаты природного газа), масла.

Жидкости, мелко распыленные в неочищенном газе (аэрозоли), об- ладающие низким поверхностным натяжением (меньше 50…60 мНм–1), в концентраторе ведут себя так же, как и твердые частицы, т.е. час- тицы жидкостей также отскакивают от пластин (лестницы), попадая непосредственно во вторичный поток отделителя LCK-Эм. Таким образом, данный вид примеси также отделяется в отстойнике. Если жидкости отделяются вместе с твердыми частицами, то может образоваться осадок в виде суспензии.

Жидкости с высоким поверхностным натяжением. Примерами таких жидкостей являются в основном вода, масла и жидкие углеводороды (конденсаты). Жидкости, мелко распыленные в неочищенном газе (аэрозоли) и обладающие высоким поверхностным натяжением (больше 50…60 мНм–1), улавливаются пластинами и сливаются в большие капли. Эти капли переносятся под воздействием очищенного главного потока на внешние стороны пластин и затем отделяются от их краев, после чего капли могут быть эффективно отделены в последовательно включенном жидкостном сепараторе.

Прочие примеси. Некоторые примеси не могут быть отнесены ни к одной из названных выше категорий, например высоковязкие смолы. На практике установлено, что частицы смол не только могут хорошо отделяться, но и не загрязняют при этом концентратор LCK-Эм. При этом также возможно самоочищение.

Наряду со смолами обеспечивается успешное выделение и в случае загрязнения ртутью.

Преимущества газодинамического сепаратора LCK-Эм

Очень высокая степень разделения фракций за счет широкого рабочего диапазона. Эффективность сепаратора сопоставима с эффективностью высококачественного фильтропатрона для очистки природного газа (рис. 3). Она остается неизменной для всего рабочего диапазона сепаратора (в зависимости от цели процесса скорость потока колеблется в диапазоне 1…24 м/с в живом сечении номинального размера трубы). При давлении ниже 0,6 МПа эффективность уменьшается, но до достижения давления окружающей среды остается на высоком уровне. Это свойство делает сепаратор LCK особенно привлекательным для применения в случае низкого давления, например для очистки отходящих газов.

Относительно низкие и постоянные потери давления, которые зависят только от плотности жидкости и скорости потока. При нормальных условиях сепаратор не забивается загрязнениями, поэтому потери давления и эффективность отделения при непрерывной работе остаются постоянными. Уровень заполнения отстойника также не оказывает воздействия на потери давления в системе.

Компактная линейная конструкция позволяет встроить данное оборудование в имеющийся трубопровод без больших проблем.

Не имеет значения, горизонтально или вертикально установлен сепаратор. Возможна крайне малая площадь опоры. Кроме того, направление среды в трубопроводе непосредственно до и после LCK-Эм может быть любым: многочисленные изгибы на 90° в различных плоскостях, повороты на 180°, сужения не мешают работе всей системы (рис. 4).

Конструкция сепаратора LCK-Эм делает его пригодным для различных областей применения:

• мобильное (временное) применение, которое позволяет задерживать временно образующиеся, чрезмерно большие количества пыли во время технического обслуживания и разгружать обычные фильтрующие аппараты;
• внутренняя очистка труб: LCK-Эм позволяет полностью или частично избежать особенно опасных явлений, возникающих при внутренней чистке труб. Конструкция LCK-Эм корректируется, согласуясь со стратегией очистки. Объемы отделения свыше 2,5 кг пыли в 1 с (!) в таких случаях не создают трудностей;
• отделение проблематичных (пирофорных и т.п.) загрязнений: проблематичная и отчасти пирофорная мелкая пыль (например, сульфид железа) не только может быть отделена с высокой эффективностью, но нейтрализована непосредственно в сепараторе. Это облегчает последующую утилизацию и позволяет избежать повреждений и риска для здоровья обслуживающего персонала;
• благоприятные технологические параметры: эффективность отделения в LCK-Эм почти не зависит от температуры технологического процесса: очень высокие температуры встречаются в потоках отходящих газов или в процессах с катализаторами, низкие температуры – в криогенных технологиях. Конструктивные преимущества сепаратора LCK-Эм очевидны при использовании под высоким давлением: малый объем резервуара (малый диаметр) обеспечивает малую толщину стенок и сокращает занимаемую площадь. При этом для химически агрессивных сред и абразивных примесей предусмотрены соответствующие материалы и/или технические покрытия.

Минимальные расходы и затраты на техническое обслуживание. Сепаратор LCK-Эм в течение долгого времени не требует технического обслуживания, поскольку очищается самостоятельно. В зависимости от цели применения и рабочих параметров рекомендуется проводить визуальный осмотр каждые 3…4 года. В рамках проверки отстойника (1 раз в 10 лет) можно произвести тщательную проверку. Отделенные примеси извлекаются через шлюз при технологическом давлении, поэтому нет необходимости в разборке, промывке и сборке, которые требуют больших затрат.

В некоторых случаях капитальные затраты на сепаратор LCK-Эм выше, чем на традиционные фильтрующие аппараты, но более подробный анализ показывает, что общие производственные затраты будут зачастую ниже. Важным является и сокращение производственных рисков: сепаратор LCK-Эм позволяет избежать выходов из строя, незапланированных простоев, внутренней прочистки труб.

При эксплуатации сепаратора LCK-Эм следует учесть, что невозможно препятствовать отделению определенных жидкостей. Если это в ряде случаев нежелательно, то необходимо снова добавить данную жидкость в газовый поток.

При определенных условиях для оптимального конструктивного исполнения LCK-Эм должен быть выбран диаметр, отличающийся от диаметра уже имеющегося трубопровода. В данном случае стоит дополнительно использовать переходники.

Коалесцер жидкостей FSS-Эм

Коалесцер жидкостей FSS-Эм используется как вторая ступень процесса отделения после LCK-Эм, поскольку в нем происходит специфическая обработка (сливание) жидкостей. FSS-Эм, как и LCK-Эм, отличается компактным линейным дизайном. Он сконструирован таким образом, чтобы к газу-носителю либо к каплям жидкости не прилагалась большая сила по касательной, благодаря чему предотвращается повторное распадение больших капель на малые фракции. Такая конструкция обеспечивает малые потери давления, поэтому коалесцер жидкостей FSS-Эм отличается очень высокой эффективностью отделения. Отделенные продукты направляются через специальную систему желобов в кольцевую камеру, в которой жидкости неза- висимо от производственной ситуации могут быть выведены в расположенный под ней коллектор для жидкостей.

Технические характеристики коалесцера жидкостей FSS-Эм позволяют добиться следующих показателей:

• очень высокой степени разделения фракций. От давления окружающей среды до максимального давления сохраняется постоянная эффективность выделения и слива, сопоставимая с высококачественным коалесцирующим фильтрующим патроном для очищения природного газа. Постоянная эффективность, как и у LCK-Эм, распространяется на тот же широкий рабочий диапазон (1…24 м/с);
• относительно постоянного давления. Потери давления минимальны и обусловлены плотностью жидкости и скоростью потока и остаются неизменными в течение всего периода эксплуатации. Уровень заполнения коллектора жидкости не оказывает воздействия на потери давления в системе. FSS-Эм не засоряется при нормальных условиях работы;
• высокой производительности при малой занимаемой площади.

Например, уже применяемая система LCK/FSS-Эм номинальным размером DN = 150 мм была задумана так, чтобы отделить ~10 т/сутки примесей. Коалесцер FSS-Эм в состоянии выделять до 3600 л воды в день.