Как удаляются загрязнения из промышленных газовых потоков?

В промышленном производстве чистый газ — это не данность. От верха ректификационных колонн нефтеперерабатывающих заводов до выхода из угольных газификаторов технологические газовые потоки несут капли жидкости, пыль и аэрозоли, зачастую невидимые невооружённым глазом. Если их не удалять, загрязнители снижают качество продукции, забивают катализаторы, вызывают коррозию трубопроводов и создают угрозу безопасности предприятия. Откуда они берутся и какое оборудование используется для их удаления? В этой статье рассматриваются базовые принципы фильтрации и сепарации промышленных газов.

1. Загрязнения в промышленных газовых потоках

В химическом производстве технологические газовые потоки почти всегда содержат загрязняющие частицы. Они существенно различаются по происхождению и размеру — от субмикронных аэрозолей до частиц летучей золы размером в несколько сотен микрон — и каждый тип представляет свои задачи для сепарации.

Загрязнения можно классифицировать по механизму образования:

Унос жидкости с верха ректификационных колонн — наиболее распространённый тип. Он возникает вследствие интенсивного контакта газа и жидкости внутри колонны и образует капли размером, как правило, более 30–80 микрон. Такие капли относительно крупные и легко отделяются. Унос жидкости при двухфазном течении в технологических трубопроводах имеет размер частиц в диапазоне 8–30 микрон и является типичным объектом для встроенных газожидкостных сепараторов. Капли, образующиеся при мгновенном испарении и конденсации, имеют размер 3–30 микрон и требуют более высокой точности сепарации. Унос жидкости в результате химических реакций даёт капли размером 1–8 микрон, улавливание которых значительно сложнее. Аэрозоли, образующиеся при нуклеации, имеют размер менее 1 микрона и являются наиболее трудно улавливаемыми — обычные механические сепараторы малоэффективны на этом масштабе. Летучая зола при газификации угля охватывает чрезвычайно широкий диапазон — от 1 до 200 микрон — и, как правило, требует многоступенчатой сепарации.

Для справки: стандартный сетчатый каплеотделитель обеспечивает эффективность улавливания 99% для капель размером 10–15 микрон. Для более мелких частиц необходимо более совершенное фильтрационное оборудование.

2. Технологии сепарации загрязнений в промышленных газах

Технологии фильтрации и сепарации делятся на две основные категории в зависимости от физического состояния загрязнителя: сепарация жидких частиц и сепарация твёрдых частиц.

2.1 Удаление жидких частиц из газа

Основное оборудование для улавливания унесённых капель жидкости — это фильтр-сепаратор и волоконный каплеотделитель. Фильтр-сепараторы используют многоступенчатую конструкцию для коалесценции и отвода жидкости из газового потока. Волоконные каплеотделители работают за счёт перехвата, диффузии и инерционного столкновения при прохождении газа через слой тонких волокон — капли сталкиваются с волокнами, коалесцируют и стекают вниз. Оба типа эффективны в широком диапазоне размеров капель и могут комбинироваться в зависимости от технологических условий.

Эти устройства применяются по всей химической промышленности, в том числе: на верхних точках скрубберов синтез-газа при газификации угля, при паро-водяной сепарации на установках конверсии CO, для удаления капель на верху колонн низкотемпературной очистки метанолом, в сепараторах синтеза метанола, на производствах этиленгликоля из угля, в установках синтеза аммиака, а также в процессах гидроочистки, каталитического риформинга, пиролиза этилена, дегидрирования пропана и удаления кислотного тумана.

2.2 Удаление твёрдых частиц из газа

Для газовых потоков, несущих твёрдые частицы, основными типами оборудования являются циклонные сепараторы, рукавные фильтры, скрубберы Вентури и мокрые электростатические осадители. Циклонные сепараторы используют центробежную силу для сухого разделения и хорошо подходят для более крупных частиц при высоких концентрациях. Рукавные фильтры обеспечивают высокую эффективность улавливания тонкой пыли. Скрубберы Вентури и мокрые электростатические осадители применяют мокрый метод, обеспечивая более жёсткий контроль выбросов, в том числе для устранения видимого влажного факела дымовых газов.

Эти системы широко используются для рекуперации катализатора в псевдоожиженном слое, промышленного пылеудаления и очистки дымовых газов. Типичные области применения: установки каталитического крекинга, производство олефинов из метанола, полиэтилен, полипропилен, акрилонитрил, винилхлорид и поликремний.

О том, как эти технологии применяются на реальных производственных объектах, см. в статье: Оборудование для фильтрации и сепарации на нефтехимических предприятиях