Адсорбционные установки являются важным элементом технологических цепочек в нефтегазовой, химической и металлургической промышленности. Поглощая вредные и токсичные примеси из жидкостей и газов, они обеспечивают необходимую степень чистоты технологических сред, а также позволяют соблюсти требования экологического законодательства в части промышленных выбросов.

Проектирование адсорбера – сложная инженерная задача, требующая учёта множества факторов: технологии производства, стоимости материалов, существующих конструктивных ограничений. Численное моделирование позволяет в виртуальной среде протестировать прототип адсорбера и при необходимости доработать конструкцию ещё до изготовления опытного образца. Это ускоряет процесс проектирования и снижает затраты на доводку.

Устройство промышленного адсорбера

Адсорбер – это аппарат для очистки технологических сред (газообразных и жидких) от вредных и токсичных примесей. Основным рабочим элементом адсорбера является слой гранулированного наполнителя (адсорбента), который поглощает примеси из газов. Выбор конкретного типа адсорбента зависит от технологического процесса:

• для улавливания органических растворителей (бензол, толуол, кетоны, эфиры) в качестве адсорбента используют активированный уголь;
• для осушения газов применяются цеолиты и силикагель;
• для очистки от кислых компонентов и фторсодержащих соединений применяется оксид алюминия [1].

Поскольку адсорбент не может поглощать примеси бесконечно, процесс работы адсорбера состоит из непосредственно рабочего времени и времени регенерации, когда восстанавливаются адсорбционные свойства слоя адсорбента с помощью химических или термических методов. Для обеспечения непрерывности технологического процесса адсорберы устанавливают парами – пока один агрегат проходит регенерацию, работает второй, и наоборот.

В промышленности чаще всего используются вертикальные цилиндрические адсорберы. Слой адсорбента (гранулы размером 1 – 7 мм [1]) в них удерживается с помощью распределительной решётки и ограничивающих сеток. Типовая схема промышленного адсорбера показана на рисунке ниже.

Типовая схема промышленного адсорбера

Одна из критически важных задач при проектировании адсорбера – обеспечить равномерное распределение потока загрязнённого газа по слою адсорбента. В противном случае часть адсорбента не будет задействована в очистке газа, а часть – окажется перегруженной. В совокупности это может привести к необходимости более частой замены адсорбента, что повышает затраты на обслуживание и снижает экономичность агрегата.

Численное моделирование позволяет исследовать распределение потоков газа в слое адсорбента ещё на этапе проектирования. Также с помощью численного моделирования можно оценить эффективность различных конструктивных мер, направленных на повышение равномерности потока, и выбрать из них оптимальные.

Инженерный анализ исходной конструкции адсорбера

Исходная конструкция проектируемого адсорбера приведена на рисунке ниже. Входной и выходной патрубки расположены горизонтально – это связано с конструктивным ограничениями уже существующей трубопроводной обвязки агрегата.

Исходная конструкция проектируемого адсорбера

Для оценки равномерности распределения потока газа в слое адсорбента специалисты АО «ЦИФРА» выполнили газодинамическое моделирование.

Распределение скорости газа в адсорбере (исходная конфигурация)

Как показывают результаты моделирования, во входном патрубке формируется струя газа, которая, не встречая препятствий, стремится к задней стенке корпуса. Затем газ опускается вдоль задней стенки корпуса и входит в слой адсорбента. Адсорбент вблизи входного патрубка при этом остаётся недоиспользованным. Неравномерная нагрузка на адсорбент снижает качество очистки, требует более частых регенераций и ускоряет износ.

Распределение скорости в поперечном сечении перед входом в слой адсорбента (исходная конфигурация)

Для количественной оценки степени равномерности потока в сечении перед входом в слой адсорбента использован индекс однородности. Индекс однородности определяется как среднеквадратичное отклонение локальных скоростей газа от среднего значения по сечению. Значения индекса изменяются от 0 до 1, где 1 соответствует полностью равномерному потоку. Для рассмотренной конфигурации адсорбера индекс однородности составляет 0,66, что свидетельствует о значительной неравномерности потока.

Визуализация движения газа (исходная конфигурация)

Оптимизация конструкции адсорбера

Для повышения степени равномерности потока в конструкцию адсорбера добавлены поворотные лопатки. Выбраны лопатки сегментного типа, что обосновано простотой изготовления и монтажа. Вид модифицированного адсорбера показан на рисунке ниже.

Конструкция модифицированного адсорбера

Для модифицированной конструкции адсорбера повторно проведено численное моделирование. Поле скорости газа в продольном сечении показано на рисунке ниже. Видно, как лопатки разделяют поток, обеспечивая более равномерное его распределение по сечению.

Распределение скорости газа в адсорбере (модифицированная конфигурация)

После оптимизации поток перед входом в адсорбент становится более равномерным: индекс однородности для изменённой конструкции составляет 0,75.

Распределение скорости в поперечном сечении перед входом в слой адсорбента (модифицированная конфигурация)

Лопатки расположены таким образом, чтобы минимизировать потери давления при повороте потока. Их установка увеличивает общий перепад давления в адсорбере не более чем на 2 %. Это важно при проектировании адсорбера под уже существующие насосы.

Визуализация движения газа (модифицированная конфигурация адсорбера)

Заключение

Инженерный анализ позволяет оценить степень эффективности адсорбера ещё на этапе проектирования, что снижает необходимость в пересмотре проектных решений и в конечном итоге позволяет создать конкурентоспособные изделия.

В рассмотренном примере показано, как газодинамическое моделирование позволило оптимизировать конструкцию адсорбера. Принятые меры практически не повлияли на общий перепад давления в адсорбере, но при этом обеспечили более равномерное распределение потока газа в слое адсорбента – что замедляет износ адсорбента. Как следствие, это повышает качество газоочистки, а также увеличивает интервал между сменами адсорбента.

Изображение заголовка сгенерировано нейросетью

Список использованных источников