С.Ю. Агауров, И.Н. Ласкин, Д.В. Ушаков
ООО «ХИММАШ - АППАРАТ» является ведущей промышленно-инжиниринговой компанией России, осуществляющей проектирование, производство и поставку высокоэффективного оборудования для нефтегазовой, нефтехимической, энергетической и атомной отраслей промышленности.
Приоритетным направлением деятельности нашей компании является проектирование, изготовление, поставка и монтаж емкостного, колонного, фильтрационного, станочного, массо- и теплообменного, перемешивающего оборудования, оборудования по чертежам и оборудования в блочно-модульном исполнении.
Отдельным направлением деятельности компании является разработка и поставка пароэжекторных вакуумных насосов, струйных вакуумных насосов, вакуум создающих систем, эжекторов, гидроэлеваторов и т.д. В частности, значительный опыт в проектировании, изготовлении, монтаже и запуске установок вакуумирования позволил компании «ХИММАШ-АППАРАТ» внедрить пароэжекторную вакуум-создающую систему (ВСС) ПЭУ-48 глубокого вакуумирования ректификационной колонны на заводе «ИМ» компании ПАО «НИЖНЕКАМСКНЕФТЕХИМ» в 2018 году.
Многоступенчатые пароэжекторные вакуумные насосы, состоящие из последовательно включенных по эжектируемой среде пароструйных эжекторов и теплообменников-конденсаторов, нашли широкое применение в нефтехимической промышленности (см. рис.1).
Эжекторно-конденсационные ступени поэтапно обеспечивают увеличение полного давления вакуумируемой среды от давления вакуума в колонне до атмосферного. В конденсаторах происходит отвод большей части водяного пара из тракта системы. Т.е. эжекторы, установленные за конденсаторами, сжимают не всю эжектируемую смесь, выходящую из эжекторов предыдущих ступеней, а только ее небольшую часть, состоящую из неконденсирующихся газов и небольшого расхода несконденсировавшегося пара. Несмотря на кажущуюся простоту, система вакуумирования является сложным взаимосвязанным «организмом», требующим мастерской настройки при запуске. Наиболее сложными в проектировании для газовых сред являются эжекторы со сверхзвуковым соплом Лаваля (сужение-расширение). Именно сверхзвуковое сопло позволяет достичь нужного уровня вакуума. Подачу высоконапорного газа можно осуществлять и через сужающееся сопло, однако в большинстве случаев использование сверхзвукового сопла эффективнее, поскольку не приводит к недорасширению («разбуханию») эжектирующего потока в начальной части камеры смешения.
Основной и практически непреодолимой трудностью в разработке системы ВСС в проекте для НИЖНЕКАМСКНЕФТЕХИМ явилось то, что параметры активной среды были неудовлетворительными для глубокого вакуумирования. Термодинамические параметры пара соответствовали окрестности насыщения пара. Теория течения в сопле Лаваля с метастабильным состоянием активной среды до конца не разработана. Процессы в сопле являются существенно неравновесными, с возникновением скачков конденсации, когда плотность среды на масштабе сопла может меняется на три порядка. Большинство организаций, специализирующихся в разработке таких систем, отказались от предложения по разработке данного оборудования для НИЖНЕКАМСКНЕФТЕХИМ.
В расчетах и проектировании эжекторов и конденсаторов ПЭУ-48 компанией «ХИММАШ-АППАРАТ» были использованы наработки ведущих научных школ отечественных аэрокосмических институтов. Также был применен инструмент математического моделирования для поверочных расчетов эжекторов (CFD анализ, см рис.2).
Для предотвращения появления конденсации до критического сечения (горла сопла), было принято решение сделать вход в горло сопел максимально коротким и плавным (профиль Витошинского), в противовес классическим представлениям. Критическое сечение было увеличено по сравнению с теорией идеального сопла, а диаметр расширения уменьшен. Кроме того, согласно традиционным представлениям, большую часть активного пара необходимо направлять на первую и вторую ступень, т.е. в самые крупные по габаритам эжекторы. Однако опыт создания подобных систем в аэрокосмическом НИИ ЦИАМ говорит об обратном. Большая часть (80 %) активного была направлена в последние, самые маленькие по габаритам эжекторы 3 и 4 ступеней. Ещё одной сложностью, с которой столкнулись специалисты «ХИММАШ-АППАРАТ», оказались требования заказчика по обеспечению автоматического регулирования необходимой глубины вакуума далее..