Флеш-сепаратор

• Две задачи одного аппарата
• Состояние смеси и нагрузка на разделение
• Что делает геометрия
• Демистер: после захвата нужен дренаж
• Учебная проверка: фазы, энергия и унос
• Учебная проверка геометрии
• Наблюдение за согласованным состоянием
• Применимость и границы безопасности
• Что ещё нужно установить
• Историческая крекинговая линия: погружённый ввод в эвапоратор и сухие колпачки газосепаратора
• Связанные карточки

Флеш-сепаратор выводит пар и жидкость раздельно. При снижении давления горячее питание может частично испариться, если давление стало ниже давления начала кипения при данном составе и температуре. Без подвода теплоты оно охлаждается, расходуя энергию на испарение. Поэтому снижение давления не гарантирует кипения или превращения всего питания в пар. FL2

После образования фаз жидкость должна собраться внизу, а газ выйти сверху. При гравитационном отделении на каплю действуют сила тяжести, выталкивающая сила и сопротивление газа. Эффективный вес — сила тяжести за вычетом выталкивающей силы; при установившемся оседании его уравновешивает сопротивление. FL9, FL11 Для объяснения я приму равномерный восходящий газ и каплю, уже достигшую установившейся скорости оседания относительно газа wₜ. Если скорость газа u направлена вверх, скорость капли относительно корпуса равна u − wₜ: при u < wₜ она движется вниз, при u > wₜ — вверх. Так я получаю направление движения капли в простой модели, а не допустимую проектную скорость. Эта модель не учитывает распределение размеров капель, турбулентность и взаимодействие с внутренними устройствами.

В этом аппарате я разделяю два вопроса: сколько пара может образоваться и насколько хорошо удастся отделить его от жидкости. Один равновесный расчёт на оба вопроса не отвечает.

Две задачи одного аппарата

Разницу между количеством образовавшихся фаз и чистотой выходов я покажу на условном балансе: 2000 кг/ч пара вместе с 25 кг/ч капель дают 2025 кг/ч через верхний патрубок. Добавленные капли остаются жидкостью, хотя идут вместе с паром. Общая сумма выходов сохраняется, поэтому совпадения общего расхода недостаточно для проверки разделения. Аналогично отдельного учёта требуют газовые включения в нижнем потоке. Равновесный расход V сам по себе не определяет ни траекторию капли из простой модели выше, ни распределение фаз между патрубками.

Здесь я рассматриваю аппарат с одной паровой и одной жидкой фазой. Развёрнутая термодинамика приведена в карточке Однократное испарение и фазовое разделение; разделение двух жидкостей требует отдельной модели и конструкции. Удаление капель не удаляет вещества, находящиеся в паровой фазе: демистер не заменяет конденсацию или химическую очистку.

На схеме особенно важно взаимное положение входа, уровня жидкости и каплеуловителя: наличие всех трёх по отдельности ещё не обеспечивает правильного движения потоков.

Состояние смеси и нагрузка на разделение

Необходимые исходные данные я проверяю по самим уравнениям. Компонентный вход равен Fzᵢ, а входящий энтальпийный поток — FhF: без расхода F, состава zᵢ и энтальпии hF эти члены не заданы. Для реального равновесия нужны абсолютное давление и согласованная модель зависимости K и энтальпий от состояния. FL1 Для выбора внутренних устройств дополнительно нужны плотности и вязкости фаз, поверхностное натяжение, размеры и количество капель, пенообразование, твёрдые примеси и загрязнение. FL5 В показанном далее балансе капли увеличивают верхний расход за счёт нижнего, даже без уноса газа вниз; поэтому ограничения на эти два переноса следует задавать отдельно.

При заданных температуре и давлении равновесие определяет фазовые расходы и составы, а энергетический баланс — теплообмен. В адиабатическом расчёте вместо температуры задают энтальпию питания: температуру и долю пара находят совместно. FL2

Что делает геометрия

Входное устройство распределяет поток, ослабляет воздействие струи и предварительно отделяет жидкость. Для пенообразующего питания может потребоваться специальная конструкция. Наличие обычного отбойника само по себе не подтверждает отсутствие пены или мелких капель. FL3

При рассмотрении геометрии NPTEL отдельно связывает свободное газовое сечение со скоростью газа, высоту газового пространства — с возможностью отделения капель, а жидкостную глубину — с удержанием жидкости. FL10 Поэтому я рассчитываю две разные величины: удержание жидкой фазы и скорость газа. Запас объёма между выбранными уровнями нужен для приёма возмущений расхода; это отдельная характеристика. FL1

Сравню две простые оценки, которые имеют разный смысл:

• τж = Vж/Qж — номинальное удержание жидкости. Vж — объём жидкости при рассматриваемом уровне, Qж — её фактический объёмный расход.
• uп = Qп/A — поверхностная скорость пара через выбранное сечение A. Qп относится к температуре, абсолютному давлению и составу внутри аппарата.

Полный объём корпуса, делённый на суммарный расход, не заменяет обе оценки. Vж/Qж не гарантирует одинакового времени пребывания всех частиц жидкости: возможны обходные потоки и застойные зоны. Увеличение запаса под уровнем не уменьшает скорость пара через неизменное сечение; в вертикальном корпусе рост уровня дополнительно сокращает высоту свободного пространства. Эти выводы следуют из определений объёма и расхода, а не задают норму проектирования.

Расход пара в «нормальных кубометрах» сначала приводят к состоянию в аппарате с подходящей моделью плотности. Для каплеуловителя отдельно устанавливают эффективную площадь и допустимую нагрузку при свойствах конкретной среды. Каталожный коэффициент нельзя считать универсальной константой. FL5

Демистер: после захвата нужен дренаж

В сетчатом каплеуловителе капли задерживаются на волокнах, укрупняются и стекают. При вертикальном движении пара вверх дренаж часто идёт противотоком. Важны установка, опоры и свободный уход собранной жидкости. Эффективность оценивают для определённых размеров капель и нагрузок, а не только по наличию сетки. FL4

Если газ препятствует дренажу, жидкость накапливается и может снова уноситься. При недостаточной скорости инерционное улавливание тоже способно ухудшаться. Неравномерное распределение создаёт локальную перегрузку даже при приемлемой средней скорости. Поэтому я оцениваю весь требуемый диапазон расходов, а не одну удачную рабочую точку. Твёрдые и вязкие отложения ограничивают применимость сетки; более открытое устройство имеет другие характеристики и не является автоматической заменой. FL5

Пена занимает пространство иначе, чем спокойная жидкость, и меняет условия подачи к демистеру. Подавление пены рассматривают отдельно от улавливания капель. FL3 Осадок может накапливаться внизу корпуса; для него предусматривают доступ и способ удаления. Наличие специального устройства удаления твёрдых не разрешает произвольную очистку работающей ёмкости. FL6

Учебная проверка: фазы, энергия и унос

Для следующих примеров я задам условные входные данные: они позволят проверить балансы и увидеть, почему разные доли выхода нельзя подменять друг другом.

Доля пара по молям и по массе

Форму уравнения я получу непосредственно из компонентного баланса. Для каждого компонента Fzᵢ = Lxᵢ + Vyᵢ. Делим на F, вводим β = V/F и Kᵢ = yᵢ/xᵢ; поскольку L/F = 1 − β, получаем zᵢ = xᵢ[1 + β(Kᵢ − 1)]. Отсюда xᵢ = zᵢ/[1 + β(Kᵢ − 1)]. Нормировки Σxᵢ = Σyᵢ = 1 дают Σ(yᵢ − xᵢ) = 0; после подстановки получается Σzᵢ(Kᵢ − 1)/[1 + β(Kᵢ − 1)] = 0. Так получается уравнение Рачфорда–Райса; сами равновесные K для реальной смеси должны поступить из модели свойств, указанной выше.

Я задам F = 100 кмоль/ч, z₁ = z₂ = 0,50, K₁ = 2 и K₂ = 0,5. При yᵢ = Kᵢxᵢ и xᵢ = zᵢ/[1 + β(Kᵢ − 1)] уравнение Рачфорда–Райса Σ zᵢ(Kᵢ − 1)/[1 + β(Kᵢ − 1)] = 0 даёт β = V/F = 0,50. Тогда V = L = 50 кмоль/ч; x₁ = 1/3, x₂ = 2/3; y₁ = 2/3, y₂ = 1/3.

Баланс первого компонента: 100 × 0,50 = 50 × 1/3 + 50 × 2/3 = 50 кмоль/ч; второго — аналогично. При дополнительных условных молярных массах 30 и 60 кг/кмоль вход составляет 4500 кг/ч, пар — 2000 кг/ч, жидкость — 2500 кг/ч. Поэтому 50 % пара по молям соответствует 44,44 % по массе. Это не идентификация компонентов и не выход нефтяного дистиллята.

Энтальпийное замыкание

При установившемся течении без работы на валу, с пренебрежимо малыми изменениями кинетической и потенциальной энергии: FhF + Q = LhL + VhV. Здесь h — молярная энтальпия, Q — тепловой поток, положительный при подводе теплоты; здесь его единица — кДж/ч. Энтальпии относятся к одной согласованной базе. Необходимость энергетического баланса: FL2.

Для тех же условных фазовых расходов я задам hF = 30 000, hL = 10 000 и hV = 50 000 кДж/кмоль. Энтальпийный поток питания равен 3 000 000 кДж/ч; сумма энтальпийных потоков продуктов равна 50 × 10 000 + 50 × 50 000 = 3 000 000 кДж/ч. Баланс замкнут при Q = 0. При hF = 25 000 кДж/кмоль сохранение прежних выходных состояний потребовало бы Q = 500 000 кДж/ч = 138,89 кВт.

Это только алгебраическое согласование выбранных величин. Независимо заданные K и энтальпии не доказывают существование реальной смеси с такими свойствами. При изменении питания реальную адиабатическую систему пришлось бы пересчитать; прежние температуру, K и фазовые расходы сохранять по умолчанию нельзя.

Баланс сходится даже при уносе

Пусть из условных 2500 кг/ч равновесной жидкости сверху дополнительно уносится 25 кг/ч капель, а унос газа вниз отсутствует. Верхний патрубок пропускает 2025 кг/ч, нижний — 2475 кг/ч; сумма остаётся 4500 кг/ч. Доля всего верхнего потока составляет 45,00 %, хотя собственно пара образовалось 44,44 % по массе. Величина уноса выбрана автором, а не предсказана равновесным расчётом. Весь верхний поток нельзя называть паром или автоматически считать будущим чистым конденсатом.

Учебная проверка геометрии

Отдельно, без связи с условной смесью выше, зададим Vж = 0,10 м³ и Qж = 0,0020 м³/с: τж = 50 с. При Qп = 0,020 м³/с и A = 0,10 м² получаем uп = 0,20 м/с.

Если жидкостный запас увеличить до 0,20 м³ при прежних расходах и том же паровом сечении, τж станет 100 с, а uп останется 0,20 м/с. Если вместо этого удвоить только расход пара, скорость станет 0,40 м/с, а прежнее τж не изменится.

Ни 50 с, ни 0,20 м/с не приняты здесь как достаточные или допустимые значения. Не заданы характеристика отделения целевых капель, распределение потока, свойства среды и проверка дренажа. Пример показывает, почему одна величина V/Q не описывает весь сепаратор.

Наблюдение за согласованным состоянием

Температуру и абсолютное давление рассматривают совместно с составом и энергетическим балансом. Равновесная модель предполагает согласованное состояние выходящих фаз. Поэтому я не подменяю друг другом измерения перед дросселем, в паровом пространстве и в охлаждённой выходной линии: сопоставляю значения за один интервал времени, с известными точками отбора и погрешностями. Давление под слоем жидкости дополнительно содержит гидростатический вклад. FL2, FL7

Контроль включает уровень и его достоверность, фазовые расходы, состав, капельную нагрузку верхнего потока и перепад на демистере. Перепад используют вместе с расходом и состоянием среды: единичное значение не измеряет эффективность отделения. Высокий уровень сокращает свободное пространство; при чрезмерно низком уровне возможен проход газа в жидкостный отвод.

Уровнемер имеет собственные ограничения. Для измерения по перепаду давления важна плотность жидкости; для некоторых акустических и радарных методов существенны пена, паровая среда и состояние поверхности. Устойчивое показание прибора не доказывает правильного определения границы фаз. FL7

Применимость и границы безопасности

Простая разделительная ёмкость может быть удобнее сложной системы вставок, если подтверждены требуемый унос, диапазон нагрузок и возможность очистки. Я сравниваю полный аппарат: вход, свободное пространство, жидкостный запас, демистер и отводы. Если flash служит подготовкой питания колонны, образовавшиеся фазы затем распределяют раздельно. FL6

Равновесный и гидравлический расчёты не определяют толщину стенки, устойчивость при вакууме, допустимое давление или аварийный сброс. Такие проверки выполняют для конкретной среды и сценариев отказа. Запасённая энергия давления остаётся отдельной опасностью; справка HSE объясняет этот принцип, без заявления о применимости британского права к данной установке. FL8

О пригодности сепаратора я сужу по свойствам сырья, требованиям к обоим продуктам и характеристикам внутренних устройств. Само совпадение расходов на входе и выходе ещё не означает, что из верхнего патрубка выходит именно тот продукт, который нужен.

Что ещё нужно установить

• Реальный состав, энтальпия питания и модель равновесия, включая возможность второй жидкой фазы.
• Размеры и количество капель и пузырьков, пенообразование, твёрдые примеси и склонность к отложениям.
• Требования к обоим видам уноса и методы их измерения.
• Характеристика демистера, дренаж, диапазон нагрузок и распределение потока.
• Рабочие объёмы, геометрия свободного пространства и достоверность измерений уровня, температуры и давления.
• Материалы, расчёт корпуса, защит и безопасного обращения со средой. Учебные числа эти пробелы не закрывают.

Историческая крекинговая линия: погружённый ввод в эвапоратор и сухие колпачки газосепаратора

Хороший пример различия функций я нахожу в описании установки Винклер—Коха из книги «Крекинг и пиролиз» (1940). Здесь можно сопоставить две разные задачи раздельного вывода фаз. Горячий продукт после печей поступает в эвапоратор, где отделяются пары и тяжёлый жидкий остаток. Позднее, после конденсации и охлаждения бензиновых паров, другой аппарат отделяет газ и уносимые жидкие капли. Это не один и тот же сосуд и не две одинаковые ступени равновесного испарения.

Горячий ввод под удерживаемый слой жидкости

Исторический эвапоратор описан как вертикальный полый цилиндр со сферическими днищами. Ввод горячего продукта находится в нижней части, а верхний патрубок отводит пары. Автор прямо пишет, что поступающие горячие пары барботируют через слой жидкости. Поэтому здесь существенны не только наружная цилиндрическая форма и наличие верхнего и нижнего выходов, но и положение ввода относительно жидкостного запаса.

У нижнего днища и выше по корпусу предусмотрены разные отводы остатка. По высоте расположены пробные краники для наблюдения уровня. При этом сам текст даёт два не вполне согласованных описания обычного уровня: сначала 2,5–3 м, затем 3,5 м от нижнего днища. Я оставляю это расхождение видимым, а не превращаю два разных указания в одну расчётную уставку. В главе об эксплуатации встречаются и другие уровни для пуска и перехода на сырьё; они относятся к своим стадиям, а не автоматически исправляют первое описание.

Погружённый ввод создаёт контакт входящего горячего потока с удерживаемой жидкостью. Из этого описания не следует число теоретических ступеней, полное фазовое равновесие или одинаковое время пребывания всего остатка. Контакт через жидкостный слой также не делает полый эвапоратор эквивалентным последующей тарельчатой ректификационной колонне.

В двухпечной схеме продукты лёгкого и глубокого крекинга поступают в общий эвапоратор через два отдельных патрубка. Это объединение двух уже прошедших свои печи потоков, а не доказательство тождественных условий в обеих печах. Отдельный фляштауэр, описанный далее, имеет нижнюю испарительную и верхнюю отбойно-конденсационную секции: пары соляровых фракций из остатка контактируют со свежим сырьём, конденсируются в нём и нагревают его. Этот контактный возврат отличается от простого отвода двух фаз из первого эвапоратора.

Испарение связано с запасом флегмы в соседней колонне

В главе 5 автор связывает работу эвапоратора с жидкостным запасом ректификационной колонны. При одинаковых температуре и подаче свежий мазут с меньшим содержанием фракций, испаряющихся до 400 °C, даёт меньше паров; соответственно, меняется поступление вещества, из которого образуется циркулирующая флегма. Падение уровня в колонне поэтому в этом источниковом примере рассматривается не только как вопрос её собственного отвода, но и как возможное следствие изменения состава питания и испарения в предшествующем аппарате.

Другой указанный в книге путь воздействия — конденсат пародестиллатного теплообменника. Он может поступать в колонну, а в описанном варианте возвращаться в эвапоратор для изменения его теплового состояния. Это конкретная развилка потока, не универсально замкнутый контур и не независимый однофакторный опыт. Значительный перепад давления между эвапоратором и колонной автор связывает с сопротивлением шлемовой линии и паровой стороны теплообменника при коксовых отложениях. Я не считаю эту диагностическую связь доказательством того, что любой рост перепада имеет единственную причину.

Колпачки без рабочего слоя жидкости

Дальше по бензиновой линии, после конденсатора и концевого холодильника, расположен газосепаратор. В его верхней части описаны три тарелки с колпачками. Несмотря на внешнее сходство с ректификационными внутренними устройствами, автор подчёркивает существенное отличие: постоянный уровень жидкости на этих тарелках не поддерживается; колпачки играют роль ловушек капель, а задержанная жидкость стекает вниз. Сливные трубы не имеют возвышения над тарелкой, которое создавало бы удерживаемый рабочий слой. Это отсутствие слоя именно на тарелках: в нижней части самого газосепаратора автор, напротив, описывает запас жидкости и регулирование его уровня.

Следовательно, название «колпачковая тарелка» здесь не разрешает автоматически приписать устройству ту же задачу, что тарелке орошаемой ректификационной колонны. В данном описании улавливаются жидкие капли, уносимые газом. Расход жидкости через нижний отвод и газовый выход регулируются раздельно; количество тарелок само по себе не является измеренной эффективностью каплеотделения.

Бензин в газовой фазе требует другого процесса

Источник не заканчивает извлечение бензина механическим газосепаратором. Газ затем может поступать на отдельную абсорбционную установку с вазелиновым маслом. При предварительном охлаждении часть бензина конденсируется и отделяется в траппе; далее масло извлекает оставшиеся растворимые компоненты из газа в контактных колоннах. Это уже поглощение компонентов газовой фазы, а не улавливание ранее существовавших капель.

Насыщенное масло, согласно описанию, сначала проходит выветритель для выделения сопутствующих лёгких газообразных углеводородов, затем теплообмен и паровую отгонку бензина. После отделения бензина от унесённой лёгкой части масла, конденсации и водоотделения масло возвращается через теплообменник и холодильник. В этой последовательности я прежде всего различаю функции: каплеуловитель, предварительная конденсация, абсорбция и регенерация абсорбента не взаимозаменяемы. Она не означает, что все перечисленные стадии были одним испытанием с замкнутым количественным балансом.

Связанные карточки

• Отстойник и коалесцер — сравнить отделение капель одной жидкости из другой с рассматриваемым здесь разделением пара и жидкости.
• Конденсатор и дефлегматор — разобрать охлаждение и конденсацию компонентов, которые демистер не удаляет из паровой фазы.
• Насадочная колонна — проследить раздельный ввод и распределение фаз, когда однократное испарение готовит питание контактной части колонны.

Источники и материалы

Источники и примечания

Источники и область подтверждения

Типовые режимы и численные характеристики изделий не перенесены. Входы расчётных примеров выбраны автором.

• FL1. John Jechura / Colorado School of Mines. Equipment Fundamentals: Separation & Fractionation, редакция 04.01.2019. PDF/слайды 4–7, 17–19, 24, 27–28. Официальный учебный материал. Типовые времена не заимствованы; чтение цитируемых в нём книг не заявляется.

• FL2. John L. Falconer / University of Colorado Boulder, LearnChemE. Flash Separations: Summary, Key points from this module; From studying this module. Учебная модель без подтверждения свойств конкретного сырья.

• FL3. Sulzer. Feed inlet devices, вводный абзац и описание GIRZ cyclonic inlet device. Распределение, предварительное разделение, гашение импульса и подавление пены. Пригодность для конкретной среды требует проверки.

• FL4. Sulzer. KnitMesh wire mesh mist eliminators, Functionality → Efficient functionality; Installation → Easy and flexible installation. Захват капель, коалесценция, дренаж и направления потоков. Численные обещания эффективности и сопротивления не перенесены.

• FL5. Daniel R. Egger, Vinit Kale / Sulzer. Applying the Right Mist Elimination Physics. Chemical Engineering World, August 2012, с. 54–57 / PDF с. 1–4. С. 54: распределение, скорость, дренаж; с. 55, Table 1: загрязнение и диапазон нагрузки; с. 56, Combined Systems: нижняя нагрузка и повторный унос. Специальные комбинированные схемы не приняты как рекомендации для обычной сетки.

• FL6. Sulzer. Column internals, Flash feed systems; Sand jetting system. Раздельное распределение фаз после flash и отдельная задача удаления твёрдых из корпуса. Процедуры очистки не заимствованы.

• FL7. Gene Henry / Endress+Hauser. Basics of continuous level measurements, WP01012F/24/EN/02.15, 2015. PDF/печатные с. 2–3: пена, ультразвук и радар; с. 6, Pressure и Summary: давление над жидкостью, плотность и условия выбора. Универсальная пригодность приборов не утверждается.

• FL8. UK Health and Safety Executive. Pressure Systems Safety Regulations 2000, вводные абзацы о stored energy и осмотре pressure equipment. Официальная справка о риске запасённой энергии; не источник расчёта корпуса или заключение о местном праве.
• FL9. Pall — Recent Developments In Liquid/Gas Separation Technology. PDF с. 2–3, Introduction и Gravity Separators. Использован механизм веса капли и сопротивления газа; численные пределы отделения не перенесены.
• FL10. NPTEL — Module 5, Lecture 2: General Design Considerations. Раздел Gas Liquid Separator, страницы 3–4 одной лекции: газовое пространство, высота отделения капель и жидкостное удержание. Проектные пределы скорости не назначены.
• FL11. NPTEL — Interfacial Engineering, Module 1, Lecture 2. §1.2.7 Sedimentation in gravitational field, PDF с. 8–9, уравнения 1.2.1–1.2.3: тяжесть, выталкивающая сила и сопротивление. Использован баланс сил, а не закон Стокса или предел скорости для капли.

Историческая крекинговая линия: погружённый ввод в эвапоратор и сухие колпачки газосепаратора

Источник: А. П. Пичугин. «Крекинг и пиролиз», 1940, глава 4, печатные с. 85–86, 92–96, 99–101; глава 5, с. 105–108. Соответствующие страницы оригинального PDF после вклейки имеют смещение +2. Два разных исторических аппарата и связанные потоки рассматриваются в рамках фазоразделения; это не новая универсальная конструкция, не современная инструкция эксплуатации.