Расчет процесса абсорбции диоксида углерода раствором “Карсол” в агрегате получения аммиака

Введение

Во всех  развитых странах азотная промышленность является в настоящее время одной  из основных ведущих отраслей. Бурное развитие азотной промышленности объясняется, в первую очередь,  необходимостью обеспечить населения продуктами земледелия. Без минеральных удобрений, а главное азотных, невозможно решить задачи интенсификации сельского хозяйства. Первые этапы развития производства аммиака характеризуются  совершенствованием отдельных технологических звеньев общего процесса. Строительство новых заводов и установок осуществляется на основе все более рациональных и совершенных технологических схем, применяются все более надежные конструкции технологических аппаратов и энергетических машин, более активные, селективные и стабильные катализаторы, растворители и поглотители, степень автоматизации управления производством.

В настоящее  время основным промежуточным продуктом  для получения огромного числа  различных азотосодержащих соединений является аммиак, а синтез его из водорода и азота - единственным крупномасштабным методом производства этого важнейшего продукта.

     Современные агрегаты синтеза аммиака созданы на основе последних

достижений  науки и техники, что позволило  добиться значительного снижения энерго-материальных капитальных затрат, обеспечить низкую себестоимость выпускаемой продукции  и высокую производительность труда. Все это достигнуто в результате разработки современных энерго - технологических  схем, обеспечивающих высокий к.п.д., использование сырья и топлива, применение высокопроизводительного  оборудования.

     Важную роль в производстве аммиака играет очистка газов. Она предусматривает удаление из промышленных или природных газов вредных и балластных примесей с тем,чтобы очищеный газ был пригоден для транспортирования, дальнейшей химической переработки и непосредственного использования. Эффективность процесса абсорбции СО₂ горячим раствором К₂СО₃ зависит от температуры, парциального давления СО₂ и водяного пара над раствором, концентрации активирующей добавки и щелочности раствора.

    Целью курсовой работы является расчет процесса абсорбции диоксида углерода раствором “Карсол” в агрегате получения аммиака.

Объект  исследования: стадия очистки конвертированного  газа от диоксида углерода при производстве аммиака.

Предмет исследования: модернизация системы  очистки конвертированного газа от диоксида углерода.

Задачи  исследования:

- Рассмотреть технологию производства аммиака, стадии производства;

- Дать характеристику исходному сырью при производстве аммиака, продукту синтеза;

- Рассмотреть стадию очистки конвертированного газа от диоксида углерода;

- Провести анализ технологии очистки конвертированного газа от диоксида углерода, выявить существующие проблемы в очистке конвертированного газа и разработать решение выявленных проблем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1 Аналитический обзор литературных данных

1.1 Методы очистки конвертированного газа от СО₂

Диоксид углерода содержится в природном и коксовом газах, в конвертированном газе. В последнем содержание СО₂ наибольшее и составляет в зависимости от исходного сырья и метода конверсии 20 -30 % объёмных. Можно выделить физические и химические методы очистки от диоксида углерода. Физические методы основаны на повышенной растворимости его в жидкостях или на конденсации СО₂ при умеренном охлаждении. Большинство химических методов основано на абсорбции этих примесей растворами химических реагентов, а в случае тонкой очистки – на каталитическом восстановлении их Н₂ до СН₄. Почти все способы удаления СО₂ дают возможность получить его в качестве побочного продукта, используемого в производстве карбамида.

Для грубой очистки газа от двуокиси углерода применяются следующие способы:

1. Водная  очистка под давлением, а также  физическая абсорбция органическими  растворителями, имеющими низкое  давление паров при обычной  температуре.

2. Моноэтаноламиновая  очистка при атмосферном давлении.

3. Очистка  горячим раствором поташа.

Для тонкой очистки газа от двуокиси углерода применяются следующие способы:

1. Моноэтаноламиновая  очистка под давлением. 

2. Очистка  водными растворами щелочей. 

3. Низкотемпературная очистка органическими растворителями с одновременным удалением из газа двуокиси углерода и органических сернистых соединений.

4. Каталитическое  гидрирование, осуществляемое совместно  с очисткой от окиси углерода.

1.2 Водная очистка газов от СО₂ под давлением

Способ  очистки основан на различной  растворимости в воде двуокиси углерода. При невысоких парциальных давлениях растворимость СО₂ в воде невелика, но с увеличением давления она возрастает. При следующем снижении давления растворённая двуокись углерода выделяется из раствора. Водная очистка газа от двуокиси углерода под давлением весьма эффективна при высоком содержании СО₂ в газе. Этот способ отличается простотой и позволяет многократно использовать оборотную воду. Одновременно с растворением двуокиси углерода в воде растворяются и другие компоненты конвертированного газа: водород, азот, окись углерода, сернистые соединения. По химическим свойствам СО₂ является ангидридом угольной кислоты. С

водой реагирует  с образованием угольной кислоты, согласно уравнения:

Н₂О + СО₂  ↔ Н₂СО₃. 

В технической  оборотной воде, используемой для  водной очистки от СО₂, содержатся растворённые соли, которые понижают растворимость СО₂ в технической воде по сравнению с чистой. Существенное значение для экономичности процесса водной очистки имеет расход воды на очистку и расход энергии на подачу этой воды.

Расход  воды на очистку конвертированного  газа от двуокиси углерода зависит  от степени извлечения СО₂, температуры, общего и парциального давления СО₂ в газовой смеси до очистки. Если конвертированный газ в процессе конверсии углеводородов или газификации топлива получают при атмосферном давлении, то перед водной очисткой газ компримируют. Выбор давления для водной очистки от СО₂ зависит от нескольких факторов.

С увеличением  давления возрастает растворимость  СО₂ в воде и уменьшается количество воды, необходимой для промывки, почти обратно пропорционально давлению. При этом снижается расход энергии на подачу воды. С другой стороны, работа сжатия двуокиси углерода от начального низкого давления до давления абсорбции с увеличением давления возрастает. Суммарный расход энергии на водную промывку газа в пределах 1-3 МПа практически не зависит от давления. Однако с увеличением давления уменьшаются размеры абсорбера и возрастает степень очистки газа от СО₂, поэтому целесообразно конвертированный газ компримировать до 3 МПа [2].

1.3 Очистка газов от СО₂ растворами  этаноламинов

Для очистки  газа от СО₂ применяют растворы этаноламинов (аминоспиртов), которые обладают щелочными свойствами и при взаимодействии с кислотами образуют соли. Обычно используют водные растворы моноэтаноламина СН2ОН-СН2-NH2, диэтаноламина (СН2ОН-СН2)2NH и триэтаноламина (СН2ОН-СН2)3N. Наиболее сильным основанием среди этаноламинов является моноэтаноламин, который нашёл широкое применение в промышленности для очистки газов. При абсорбции СО₂ растворами этаноламинов образуются карбонаты и бикарбонаты. Попутно может абсорбироваться сероводород, и образовываться сульфиды и бисульфиды. Эти соединения при температуре выше 100 °С диссоциируют с выделением из растворов СО₂ и H₂S. Взаимодействие моноэтаноламина RNH₂ (где R - группа СН₂ОН-СН₂) с двуокисью углерода может быть представлено следующими реакциями:

2RNH₂ + Н₂О + СО₂ = (RNH₃)₂СО₃;

(RNH₃)₂СО₃ + Н₂О + СО₂ = 2RNH₃Н₂СО₃.

При поглощении двуокиси углерода водным раствором  моноэтаноламина выделяется - 66 кДж/моль тепла, при абсорбции сероводорода - 65 кДж/моль.

При совместном поглощении СО₂ и H₂S растворимость каждого компонента уменьшается. Несмотря на то, что поглотительная способность раствора моноэтаноламина по отношению к H₂S в присутствии СО₂ снижается, коэффициент абсорбции H₂S значительно выше, чем СО₂, и возможна избирательная абсорбция сероводорода из конвертированного газа, содержащего двуокись углерода. Поглотительная способность абсорбента возрастает с понижением температуры и повышением давления. При повышении температуры и понижении давления равновесие химических реакций, протекающих при абсорбции, сдвигается влево. На этом основана регенерация раствора МЭА, насыщенного кислыми газами при абсорбции. Насыщенный раствор нагревают, при этом происходит разложение химических соединений и десорбция кислых газов из раствора, сопровождаемая также испарением из раствора воды.

В процессе этаноламиновой очистки газа от СО₂ протекают побочные реакции, вызывающие необратимые изменения состава раствора, снижающие его поглотительную способность и приводящие к потерям амина. Растворы этаноламинов вызывают коррозионное разрушение оборудования в определённых условиях, особенно при высоких степенях насыщения кислыми газами. Подобно растворам аммиака, они разрушающе действуют на медь, цинк и их сплавы. Поэтому аппараты и трубы, соприкасающиеся с растворами аминов, нельзя выполнять из этих металлов. В кипящих водных растворах моноэтаноламина малоуглеродистые стали также подвергаются коррозии под действием СО₂. Присутствие в растворах МЭА посторонних примесей увеличивает скорость коррозии углеродистой стали. Поэтому необходимо применять возможно более чистый моноэтаноламин и систематически подвергать очистке поглотительный раствор путём его перегонки в присутствии щёлочи. Экономичность процесса очистки определяется в основном расходом тепла на регенерацию раствора моноэтаноламина. Снижение расхода тепла на регенерацию раствора в различных технологических схемах МЭА очистки решается различными путями.

Актуальной  стала задача создания нового абсорбента характеризующегося меньшей деградацией  и коррозионной активностью раствора, а также требующего меньших энергозатрат для его декарбонизации [2].

Одним из распространенных методов решения  этих задач в мировой практике является замена МЭА на метилдиэтаноламин (МДЭА). Известно, что реакционная  способность азотсодержащей группы у первичных алканоламинов таких, как МЭА, выше, чем вторичных алканоламинов, таких, как диэтаноламин (ДЭА), и третичных  алканоламинов, таких, как триэтаноламин (ТЭА), и метилдиэтаноламин (МДЭА). Наличие  третьей ОН-группы в молекуле ТЭА  ослабляет реакционную способность  азотсодержащей группы, поэтому МДЭА имеет несколько более высокую поглотительную способность, чем ТЭА.

Растворы  МДЭА легче регенерируются, скорость коррозии и деградации раствора меньше, чем у МЭА. С другой стороны, кинетика абсорбции СО₂ растворами МДЭА не обеспечивает необходимую степень очистки синтезгаза.

МДЭА (третичный  амин) по сравнению с МЭА (первичный  амин) имеет меньшую коррозионную активность, что позволяет применять  на стадии абсорбции более концентрированные  водные растворы МДЭА (30-50% масс.) по сравнению с МЭА (12-18%).

Использование МДЭА обеспечивает экономию энергозатрат (греющий пар) также за счет меньшей теплоты десорбции МДЭА по сравнению с МЭА при регенерации абсорбента. Сравнительные расчеты показывают, что потребное количество тепла на регенерацию растворов МДЭА на 30-40% меньше, по сравнению с МЭА. При применении МДЭА наблюдается значительное снижение деструкции абсорбента по сравнению с растворами МЭА. Отмечено, что на внутренних поверхностях оборудования отсутствуют отложения, возникавшие ранее за счет деструкции применявшихся абсорбентов на основе МЭА. Эти положительные моменты, наряду с отмеченной ранее низкой коррозионной активностью растворов МДЭА приводят к тому, что упрощается плановый ремонт оборудования, сокращается время его проведения. Отсутствие отложений на внутренней поверхности оборудования повышает эффективность теплообмена, что также приведет к снижению энергозатрат.

При применении раствора МЭА в качестве абсорбента наблюдаются потери МЭА за счет уноса паров на сталии десорбции, где температура потоков достигает 115 °С - 130 °С. При применении МДЭА, температура кипения которого (247 °С) значительно выше, чем у МЭА (170 °С), унос амина при регенерации раствора при рабочих температурах абсорберов значительно снижается, до величины близкой к нулю.

Таким образом, замена МЭА на МДЭА обеспечит экономию материальных ресурсов на очистку газа по следующим статьям:

- снижение энергозатрат до 30 % за счет снижения циркуляционного расхода   рабочего раствора, повышения степени насыщения рабочего раствора, меньшей теплоты десорбции МДЭА ;

• снижение затрат на обслуживание и ремонт оборудования вследствие низкой коррозионной активности абсорбентов и отсутствие смолообразования ;

при сложившемся уровне иен на МЭА  и на МДЭА, вследствие более длительного  срока работы абсорбента без снижения его характеристик и добавления свежего МДЭА в процесс эксплуатации, срок окупаемости при переходе на МДЭА составит 1,2-1,8 лет;

• снижение затрат на покупку абсорбента благодаря применению отечественного МДЭА взамен импортных аналогов [4].