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

Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемому  устройству является агрегат моноэтаноламиновой очистки газовых смесей с регенерацией раствора в регенераторе-рекуператоре, более известный среди специалистов как “Агрегат АМ-76” (по маркировке Государственного института азотной промышленности - ГИАП). Агрегат включает абсорбер с контактным устройством, выполненным в виде высокослойных ситчатых тарелок с входами тонкорегенерированного и груборегенерированного абсорбента и выходом насыщенного раствора, регенегератор-рекуператор с входом насыщенного раствора и двумя, расположенными в двух уровнях выходами груборегенерированного и тонкорегенерированного абсорбента, тарелками со встроенными теплообменниками, связанными с выходом груборегенерированного абсорбента и входом груборегенерированного абсорбента абсорбера, конденсаторы загрязненного и чистого диоксида углерода с выходом флегмы, холодильники грубо- и тонкорегенерированного растворов абсорбента, вынесенный кипятильник для нагрева куба регенератора, а также систему насосов, трубопроводов и запорно-регулирующие элементы.

Основными недостатками данного устройства являются его увеличенная материалоемкость из-за необходимости поддержания  достаточно высокого избыточного давления процесса, недостаточно высокая эффективность работы и ограниченная азотной промышленностью область применения.

Техническим результатом изобретения  является упрощение конструкции  за счет совмещения функций нагревателя (кипятильника) регенератора с собственно регенератором (массообменным аппаратом), снижение общего избыточного давления процесса и парциального давления диоксида углерода за счет изменения конфигурации потоков, уменьшение удельных энергозатрат на очистку газа от диоксида углерода за счет уменьшения теплорассеивающих поверхностей, а также расширение области применения этаноламиновой очистки - ее распространение на процессы очистки колошникового газа доменного производства с целью его рецикла, очистки восстановительного газа в производстве губчатого железа и очистки топочных газов с выделением товарного диоксида углерода.

Для достижения заявляемого технического результата в известном устройстве для очистки газовых смесей от диоксида углерода, содержащем абсорбер с входом абсорбента и выходом  насыщенного раствора, регенератор-рекуператор  с входом насыщенного раствора и  выходом регенерированного абсорбента, тарелками со встроенными теплообменниками, связанными с выходом регенерированного  абсорбента, и кипятильником, конденсатор-отделитель диоксида углерода с выходом флегмы, холодильник регенерированного  абсорбента, насосы, трубопроводы и  запорно-регулирующие элементы, абсорбер выполнен с пакетными насадками и содержит в своей средней части, по меньшей мере, один контур охлаждения, выполненный в виде устройства отбора частично насыщенного раствора абсорбента, циклически связанного с промежуточной емкостью и промежуточным холодильником, а кипятильник регенератора-рекуператора выполнен в виде последовательно расположенных в его нижней части секций, состоящих из теплообменников, размещенных на тарелках, при этом количество секций кипятильника выбирают в пределах от трех до шести. Следует отметить, что устройство отбора частично насыщенного раствора абсорбента может быть выполнено в виде глухой тарелки с горловиной и выходом, при этом контур охлаждения включает дополнительный вход, расположенный на абсорбере ниже глухой тарелки [9].

1.4 Очистка газов от СО₂ горячим раствором поташа

Водные растворы карбонатов натрия и калия поглощают  двуокись углерода с образованием бикарбонатов. В водном растворе карбонат диссоциирует на ионы:

Ме₂СО₃ = 2Ме⁺ + СО₃ ²;

где Ме - натрий или калий.

Поглощение  СО₂ водой определяется скоростью относительно медленной реакции:

а) СО₂ + Н⁺ + ОН^- = Н⁺ + НСО₃^-                                                

Суммарный процесс  поглощения выражается в виде:

б)Ме₂СО₃ + СО₂ + Н₂О = 2Ме⁺ + НСО₃^- = 2МеНСО₃                            

Обычно абсорбцию  газов ведут при низкой температуре, что связано с уменьшением  растворимости газов в жидкостях  при повышении температуры. В  данном случае при поглощении СО₂ растворам карбонатов образующиеся бикарбонаты менее растворимы в воде, чем карбонаты. Поэтому повышение температуры должно способствовать увеличению растворимости в воде солей - карбонатов и бикарбонатов. Растворимость солей калия выше растворимости солей натрия, поэтому для очистки применяют водный раствор карбоната калия - поташа - при повышенной температуре. С повышением температуры возрастает концентрация соли в растворе, что позволяет компенсировать отрицательное влияние температуры на растворимость газа.

С другой стороны, повышение температуры способствует увеличению скорости гидратации по реакции “а”. Поэтому растёт скорость всего процесса абсорбции СО₂ [1].

Растворимость СО₂ в горячем растворе поташа в значительной степени зависит от парциального давления двуокиси углерода над раствором. Поэтому абсорбцию СО₂ горячими растворами поташа осуществляют при повышенном давлении. Наименьшее парциальное давление двуокиси углерода, при котором поташная очистка экономически целесообразна, равно 0,14 МПа. При снижении давления равновесие реакции “б” смещается влево. На этом основана регенерация горячего раствора поташа, насыщенного СО₂. Таким образом, указанные физико-химические особенности процесса очистки позволяют проводить абсорбцию и регенерацию почти при одинаковой температуре, причём абсорбция идёт при повышенном давлении, а десорбция (регенерация) раствора - при снижении давления до атмосферного. Поглотительная способность горячих растворов поташа в производственных условиях колеблется в пределах 20 - 35 м³ СО₂/м³.

           Одноступенчатая очистка горячим  раствором поташа позволяет достичь  остаточного содержания в очищенном  газе 0,5 - 0,6% СО₂ (грубая очистка газа). Повышение температуры до 100 °С в процессе абсорбции недостаточно для ускорения реакции и достижения тонкой очистки газа. Поэтому для повышения скорости процесса абсорбции при более низкой температуре применяют различные активирующие добавки. С этой целью применяются соединения трёхвалентного мышьяка, оказывающие каталитическое ускоряющее действие на медленную реакцию гидратации “а”. Механизм каталитического действия добавок изучен не полностью.

Предполагают, что реакция протекает по следующей  схеме, которая идёт параллельно с реакцией “б”:

6СО₂ + К₃AsO₃ + 3Н₂О = 6КНСО₃ + As₂O₃

При регенерации  равновесие этих реакций сдвигается влево. При изучении поглотительной способности мышьяково - поташных растворов  установлено, что такие растворы при одинаковой температуре способны поглотить большее количество СО₂ при максимальном насыщении до момента появления твёрдой фазы КНСО₃, чем соответствующие для данной концентрации калия обычные поташные растворы, и это количество СО₂ увеличивается с повышением содержания мышьяка.

Наибольшее  применение получил метод очистки  горячим раствором поташа при  давлении 2,56 – 2,96 МПа и концентрации К₂СО₃ 25–30% (мас). В качестве активатора добавляют н/м 2% ДЭА, антикоррозионного ингибитора – 0.5% (мас) V₂О₅. Температуру в процессе абсорбции повышают до 87–107 ⁰С, температуру регенерации в кубовой части поддерживают не ниже 117 ⁰С [6].

1.5 Щелочная очистка газа от СО₂

Очистка газов  от СО₂ водным раствором едкого натра NaOH основана на необратимой реакции:

2NaOH + СО₂ = Na₂СО₃ + Н₂О.

Парциальное давление СО₂ над раствором едкого натра NaOH в процессе поглощения равно нулю до тех пор, пока вся щёлочь не перейдёт в карбонат. Поглощение СО₂ раствором карбоната натрия протекает с образованием бикарбоната:

СО₂ + Na₂СО₃ + Н₂О = 2NaHСО₃

Дифференциальная  теплота растворения СО₂ в растворах едких щелочей независимо от рода катиона составляет 117кДж/моль. Скорость абсорбции СО₂ щёлочью возрастает с повышением температуры. Увеличение концентрации карбоната в растворе способствует снижению скорости абсорбции. В азотной промышленности очистка водным раствором едкого натра NaOH применяется в качестве последней ступени тонкой доочистки от СО₂ конвертированного и коксового газа после водной очистки (когда концентрация СО₂ в газе составляет не более 0,3% объёмных), конвертированного газа после двухступенчатой моноэтаноламиновой очистки (при остаточном содержании СО₂ 40 см3/м3), после очистки горячими растворами поташа под давлением (при остаточном содержании СО₂ в газе 500 - 1700 см³/м³),азотоводородной смеси после медноаммиачной очистки под давлением 32 МПа при содержании СО₂ 150 - 250 см³/м³. В последнем случае вместо NaOH применяют разбавленный водный раствор аммиака NH4OH. Регенерация отработанного раствора щёлочи осуществляется известью:

Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ = 2NaOH + CaCO₃.

Процесс проходит в жидкой фазе при 90 - 95 °С и перемешивании. Установка регенерации щёлочи известью является громоздкой и процесс недостаточно удовлетворяет современным санитарно - гигиеническим требованиям (измельчение  и гашение извести, транспортирование  шлама в отвал и т. д.). Поэтому  регенерацию отработанной щёлочи предусматривают  только при значительном расходе  щёлочи и 

необходимости привоза её со стороны.

В остальных  случаях водные растворы отработанной щёлочи стараются использовать для  вспомогательных процессов нейтрализации  и сбрасывают в специальные системы  химически загрязнённых стоков. На очистку 1000 м³ газа расходуется 0,15 - 1,6 кг 92% - ной каустической соды (в зависимости от концентрации СО₂ в исходном газе). На регенерацию отработанного раствора щёлочи расходуется 9 кг СаО и 30 кг пара при давлении 0,5 МПа [3].

1.6 Очистка газа от СО₂ методом низкотемпературной абсорбции метанолом.

В интервале  температур от -30 до -60 °С и при давлении 1 - 3 МПа метанол является эффективным  абсорбентом не только двуокиси углерода, но и сероводорода, органических соединений серы и некоторых других примесей, присутствующих в газовой смеси. Растворимость СО2 в метаноле значительно  выше, чем в воде, и возрастает с понижением температуры и увеличением  давления. Так, при -60 °С растворимость  двуокиси углерода в метаноле в 75 раз  превышает её растворимость в  воде при 25 °С. Поэтому при промывке газа метанолом в условиях низких температур расход абсорбента на очистку  единицы объёма газа значительно  меньше, чем при водной очистке  от СО2.

Благодаря этому  соответственно уменьшаются энергетические расходы в процессе абсорбции. Потери водорода при низкотемпературной абсорбции  также снижаются по сравнению  с их потерями при водной промывке газа под давлением. Это связано  не только с сокращением удельного  расхода абсорбента, но и с уменьшением  растворимости водорода в метаноле при понижении температуры. Процесс  низкотемпературной абсорбции наиболее целесообразно проводить при 1 - 3 МПа. Нижний предел давления составляет 0,5 МПа. Этот метод эффективен в случае одновременного удаления из газовой смеси нескольких примесей при их достаточно высоком начальном содержании. Несмотря на необходимость применения холодильной машины, энергетические расходы в описанном процессе не превышают расхода энергии при промывке газа водой [3].

При выборе процесса очистки окончательным  критерием является величина приведенных  затрат, зависящих в основном от энергетических и капитальных затрат.

Сравнение различных  методов очистки

Критерием сравнения процессов  очистки газа, как и во всех других случаях, является величина приведенных затрат. Однако в каждом случае необходимо учитывать факторы, зависящие от конкретных условий и влияющие на экономику процесса. Эти факторы можно разбить на три группы:

внешние технологические параметры  процесса — состав, давление и температура очищаемого газа, требуемая степень очистки, параметры энергоресурсов (давление пара, наличие отбросного тепла, возможность использования вторичных энергоресурсов и т. д.);

внутренние параметры процесса — расход тепла, электроэнергии, растворителя, отходы, тип и вес аппаратов;

экономические факторы — цены на энергию, сырье, отходы, аппаратуру, а  также дефицитность каких-либо видов  сырья и энергии.

Кроме того, следует иметь в виду, что для крупнотоннажных агрегатов при сравнении методов очистки необходимо учитывать степень надежности процесса и оборудования. В поташной очистке выше расход электроэнергии и ниже степень очистки газа, обусловливающая 10-тикратное увеличение расхода водорода на процесс метанирования, что вызывает прямую потерю продукции (около 7 т/сут). Кроме того, возможны дополнительные потери водорода, азота и аммиака в цикле синтеза за счет увеличения продувки, что равноценно потере дополнительно примерно 7 т аммиака в сутки. Таким образом потери из-за неполного удаления СО₂ составляют около 1,1% мощности установки. Процесс очистки газа от СО₂ горячим раствором поташа имеет ряд принципиальных преимуществ перед другими процессами, например при МЭА очистке примерно 1/3 тепла расходуется на подогрев раствора вследствие недорекуперации в теплообменниках. При очистке горячим раствором тоташа эта статья полностью отпадает. Кроме того, при МЭА очистке 25-30% тепла используется на разложение соединений моноэтаноламина с диоксидом углерода. В случае поташной очистки, эта величина уменьшается в 2,5 раза, поэтому пар расходуется в основном лишь на отдувку СО₂, а также на покрытие тепловых потерь в окружающую среды [3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2 Расчетная и технологическая часть

2.1 Характеристика исходного сырья и продукта

  После  II ступени конверсии СО газ имеет следующий состав ,% об: Н₂ – 60, N₂ – 20, СО₂ – 19, инерты – 1.

Поскольку после  конверсии СО резко возрастает содержание в газовой смеси нежелательного СО₂ следующей технологической стадией является очистка газа от СО₂.