Модернізація та антикорозійний захист конденсаційного відділення

а температура  орошающей воды 75-78⁰С. что несколько ниже температуры мокрого термометра газа и объясняется потерями тепла в трубопроводах и мехосветлителях. а также смешиванием надсмольной воды с более холодным газовым конденсатом, поступающим на пополнение газосборникобого цикла.

Из-за ограниченности поверхности и времени контактирования  газа и жидкости в газосборнике не достигается равновесное состояние, поэтому температура газа на выходе существенно выше температуры воды, а температура точки росы газа несколько ниже температуры воды на выходе, то есть газ на выходе из газосборника является ненасыщенным. Разница между равновесной и фактической температурой воды и газа на выходе и температурой точки росы последнего зависит при прочих равных условиях (поверхность и время контактирования) от интенсивности процессов тепло- и массообмена между ними. Скорость этих процессов определяется разностью температур газа и жидкости и гидродинамическими условиями контактирования.

Коэффициент теплоотдачи  от газа к жидкости обратно пропорционален градиенту температур в пограничном слое. При наличии массообмена между газом и жидкостью на границе раздела возникает поперечный поток пара, вызывающий изменение толщины пограничного слоя и, следовательно, градиента температур в нем. В работах Лыкова А.В., Исаченко В.П. и других авторов, изучавщих теплообмен между газом и жидкостью в контактных теплообменниках, показано, что при направлении потока пара от поверхности жидкости в газовую фазу (испарение, десорбция) толщина пограничного слоя увеличивается, а градиент температур в нем и, следовательно, коэффициент теплообмена между газом и жидкостью уменьшаются. При направлении же потока пара из газовой фазы к поверхности раздела (конденсация, сорбция) толщина пограничного слоя уменьшается, а градиент температур в нем и коэффициент теплоотдачи возрастают. По ориентировочным оценкам, при ламинарном обтекании влажным воздухом поверхности жидкости

и температурном напоре более 260°С снижение коэффициента теплоотдачи от газа к жидкости из-за испарения последней составляет около 10% по сравнению с чистым теплообменом. Для коксового газа в указанных условиях расчетное снижение коэффициента теплоотдачи достигает 50%.

Таким образом, охлаждение надсмольной воды, подаваемой на орошение газосборника, может обеспечить интенсификацию теплообмена в нем, однако на практике оно не получило распространения из-за необходимости установки дополнительных теплообменников и возможного увеличения капитальных и эксплуатационных затрат.

Охлаждение  надсмольной вода оказалось экономически оправданным на некоторых коксохимических заводах с вакуум-карбонатной сероочисткой при использовании тепла надсмольной воды для нагревания поглотительного раствора в регенераторах.

Наибольшее  распространение получили газосборники круглого сечения, соединенные внешними клапанными коробками со стояками. На ряде заводов установлены газосборники корытообразного сечения с размещенными в них клапанами. При такой конструкции практически исключается забивание клапанов смолой и фу сами, что упрощает их эксплуатацию. 

Газосборники  устанавливаются на коксовых батареях с машинной стороны, то есть со стороны химических цехов. Установка на некоторых батареях двух газосборников (с коксовой и машинной сторон) оказалась не вполне оправданной из-за перетоков газа через подсводовое пространство печей и ухудшения условий труда на них.

Необходимая для  охлаждения газа вода подается через  форсунки, установленные в коленах  стояков и в газосборнике. Расход воды принимается 5-6 м³ на 1 т сухой шихты. При удовлетворительной работе форсунок температура коксового газа на выходе из газосборника снижается до 80-85°С, а температура точки росы его повышается до 78-82°С в зависимости от влажности шихты.

В результате охлаждения газа в газосборнике выделяется в жидком виде 60-70% смолы, а остальное количество ее уносится с газом в парообразном состоянии и в виде мельчайших капелек - туманообразной смолы. Надсмольная вода при контакте с газом насыщается аммиаком и кислыми газами (СО₂ H₂S, HCN, SO₃, и др.), образующими соли аммония. Одновременно из газа вымывается большая часть угольной и коксовой пыли, образующей со смолой фусы - агрегаты твердых частиц со смолой.

Надсмольная вода из газосборника поступает самотеком  по трубопроводам в механизированные осветлители, где отстаивается от смолы и фусов, после чего вновь подается насосом на орошение газосборников. Во избежание чрезмерного накопления солей, вызывающих коррозию трубопроводов и затрудняющих процесс отстаивания в осветлителе, часть надсмольной воды газосборникового цикла выводится на переработку, а убыль ее компенсируется газовым конденсатом из первичных холодильников.

Для охлаждения газа до 25-35°С применяются холодильники непосредственного действия (контактные) и косвенного дейст вия (трубчатые).

К холодильникам  непосредственного действия относятся  насадочные, полочные (каскадные) и  низконапорные скрубберы Вентури, разработанные ВУХИНом. Процесс охлаждения газа в них осуществляется при непосредственном контакте с водой, поэтому изложенное выше о механизме и закономерностях процессов тепло- и массо- обмена в газосборнике справедливо и по отношению к ним.

Особенностью  насадочных и полочных холодильников  является про- тивоточное движение газа и воды, благодаря чему температура воды на выходе может достигать 70°С и более, а ее расход значительно ниже, чем в скрубберах Вешури. В этих холодильниках снижение температуры газа до 30-35°С может быть достигнуто при одноступенчатом охлаждении, тогда как в скрубберах Вентури для этого требуется 2-3 ступени.

Перспективными  для охлаждения коксового газа представляются холодильники непосредственного действия колонного типа с провальными тарелками, отличающиеся высокой интенсивностью теплообмена при противоточном движении фаз.

Преимуществом холодильников непосредственного действия является более высокая, чем в трубчатых холодильниках, степень очистки газа от смолы и нафталина. По опытным данным при двухступенчатом охлаждении газа в скрубберах Вентури содержание туманообразной смолы в нем снижается до 0.2-0,3 г/'м³, что соответствует степени очистки 80-90%. Холодильники непосредственного действия отличаются простотой конструкции и низкой металлоемкостью. Общим недостатком их является насыщение охлаждающей воды аммиаком, кислыми газами, фенолом и другими вредными примесями, что исключает возможность ее охлаждения в градирнях и требует установки специальных теплообменников. Применявшиеся ранее для этой цели оросительные холодильники отличаются низкой интенсивностью теплообмена и громоздкостью, а их эксплуатация связана с усиленной коррозией металлоконструкций и ухудшением санитарно-гигиенических условий из-за испарения воды и выделения паров в атмосферу. Эти недостатки обусловили отказ от применения газовых холодильников непосредственного действия и замену их трубчатыми при реконструкции цехов улавливания химических продуктов коксования в 50-80-е годы.

В трубчатых  холодильниках контакт газа с  охлаждающей водой исключается, поэтому массообмен между ними отсутствует. Интенсивность теплообмена в них ниже из-за дополнительного термического сопротивления разделяющей стенки и слоя загрязнений на поверхностях со стороны газа и воды. В нашей стране получили распространение две разновидности этих холодильников: с вертикальными трубами и с горизонтальными трубами. В первых газ движется в межтрубном пространстве, разделенном вертикальными перегородками на 6 последовательных ходов,

 вдоль труб  противопотоком к воде, движущейся  в трубах под действием небольшого  перепада уровней в смежных водяных камерах. Образующийся газовый конденсат выводится из нижней части межтрубного пространства каждого хода. Из-за малой скорости движения воды в трубах (около 0,1 м/с), а также интенсивного отложения нафталина на внешней поверхности труб последних ходов коэффициент теплопередачи в этих холодильниках незначителен. Для интенсификации процесса требуется периодическая пропарка межтрубпого пространства с целью удаления нафталина.

В холодильниках  с горизонтальными трубами газ  движется сверху вниз перпендикулярно  оси труб, а вода проходит снизу вверх последовательно через все трубные пучки, соединенные между собой водяными камерами. Во избежание осаждения взвешенных частиц и солей жесткости в трубах скорость воды должна поддерживаться не менее 0,8-1,0 м/с, а температура воды на выходе не более 42°С. Весь газовый конденсат, образующийся в холодильнике, стекает сверху вниз и смывает нафталин, отлагающийся на трубах нижних пучков. С этой же целью в межтрубное пространс тво вводится сверху через разбрызгивающее устройство горячая смола или водо-смоляная эмульсия. Благодаря этому не требуется частая пропарка холодильников, а интенсивность теплообмена в них значительно выше, чем в холодильниках с вертикальными трубами.

Достоинством  холодильников с горизонтальными  трубами является также возможность использования тепла коксового газа для нагревания поглотительного раствора сероочистки в верхних трубных секциях с целью регенерации. Недостатками этих холодильников являются сложность конструкции, большая металлоемкость, недоступность труб для осмотра, чистки и ремонта из-за большой высоты аппаратов и сложности снятия крышек водяных камер, крепящихся к корпусу с помощью большого числа шпилек.

К трубчатым  газовым холодильникам относятся  также аппараты воздушного охлаждения, в которых коксовый газ движется по трубам,

оребренным  снаружи и установленным с  наклоном к горизонтальной оси для облегчения стока газового конденсата, а воздух - в межтрубном пространстве перпендикулярно оси труб с помощью осевого вентилятора. В зависимости от температу ры окружающего воздуха коксовый газ охлаждается в таких аппаратах летом до 67- 70°С, а зимой до 59-63°С. Для дальнейшего снижения температуры

Из приведенного выше анализа следует, что совершенствование  технологии охлаждения газа и конструкций газовых холодильников является актуальной задачей коксохимиков. В последнее время вновь возрастает интерес технологов к применению газовых холодильников непосредственного действия благодаря возможности использования для охлаждения оборотной воды высоко интенсивных спиральных и пластинчатых теплообменников, серийное производство которых освоено рядом зарубежных фирм и отечественными заводами химического машиностроения [8].

2.2. Очистка надсмольной воды от фусов и смолы

Отстаивание надсмольной  воды газосборникового цикла от смолы и фусов является важной технологической операцией, обеспечивающей нормальную работу форсунок, установленных в коленах стояков и газосборнике, и удовлетворительное охлаждение коксового газа. Качество смолы также определяется в значительной мере полнотой выделения из нее фусов и воды.

Разделение  жидкой смеси основано на различии плотностей ее компонентов и происходит под действием сил тяжести. Надсмольная вода с растворенными в ней солями аммония и другими примесями имеет плотность 1020-1050 кг/м³, смола 1120-1220 кг/м³, а фусы до 1250 кг/м³. Процесс разделения осуществляется в механизированных осветлителях различных конструкций. На отечественных коксохимических предприятиях получили применение осветлители прямоугольной формы объемом 210 м³  и цилиндрической формы объемом 650 м³ . При времени отстаивания 0,5 часа производительность осветлителей по воде составляет 420 и 1300 м³/ час соответственно.

Устройство и техническая характеристика этих осветлителей приведены в учебной и справочной литературе.

Скорость осаждения  фусов зависит от вязкости смолы  и, следовательно, от температуры среды в осветлителе. С этой целью днище и нижняя часть корпуса его обогреваются с помощью паровых змеевиков. В процессе эксплуатации обнаружилось, что из-за неравномерного обогрева днища в осветлителях возникают конвективные токи, препятствующие осаждению частиц и затрудняющие процесс разделения фаз. Серьезным недостатком цилиндрических осветлителей является также неудачная конструкция радиальных скребков, при вращении которых фусы перемещаются к стенкам аппарата, то есть в противоположном от конвейера направлении, что затрудняет удаление фусов и приводит к частым поломкам.

Для устранения этих недостатков Гипрококсом разработана  более совершенная конструкция механизированного осветлителя прямоугольной формы объемом 380 м³ . В отличие от упомянутых выше осветлителей, в нем вместо парового змеевика предусмотрен обогрев днища осветленной надсмолыюй водой, отбираемой из верхней части аппарата. С этой целью днище выполнено двойным, а его полость разделена продольными вертикальными перегородками на отдельные каналы, по которым последовательно проходит надсмольная вода, имеющая температуру 75-80°С. Мягкий и равномерный обогрев теплой водой препятствует локальному загустеванию фусов, что облегчает их удаление и обеспечивает равномерное распределение температур во всем объеме аппарата, что исключает образование конвективных токов и способствует лучшему осаждению частиц.

Исследования  работы новых осветлителей в промышленных условиях подтвердили их высокую эффективность и надежность. При очистке пад- смольной воды, содержащей 4,36 г/л смолистых веществ и 0,67 г/л механических примесей (твердых частиц), осветленная вода содержала 0,22 г/л смолистых веществ и 0,119 г/л взвешенных примесей.

Содержание  воды в смоле после осветителей  было в среднем равно 3,03%, асвободного  углерода 5,74%. Плотность смолы составляла 1208, аводы 1005 кг/м³.

Для разделения газового конденсата, образующегося  в первичных холодильниках, применяются отстойники, представляющие вертикальные цилиндрические емкости, снабженные штуцерами для ввода жидкой смеси в среднюю часть и вывода осветленной аммиачной воды сверху, а смолы снизу через регулятор уровня раздела.

Смола после  отстойников и механизированных осветлителей содержит 10-12% воды и поэтому подается для дальнейшего обезвоживания в резервуары - отстойники. Для этой дели применяются также цилиндрические механизированные осветлители, служащие хранилищами, в которых протекают процессы дополнительного отделения смолы от воды и фусов, обеззоливания и обессоливания ее.