Утилізація СО2 з димових газів котельної

 

 

ЗМІСТ

 

Вступ………………………….…………………………………………………..…3

1 Аналітичний огляд існуючих методів очищення димових газів від СО2……...4

1.1 Водна очистка від діоксиду  вуглецю………………………………………….. 4

Очищення водними розчинами етанол амінів…………………………………......5

Процес «Амізол»………………………………………………………. ………..….8

Фізична абсорбція органічними розчинниками…………………………………...8

Процес «Пурізол»……………………………………………………………………9

Очищення холодним метанолом…………………………………………………....9

Очищення розчинами поташу……………………………………………………..10

Очищення миш'яково - поташними розчинами…………. ………………………12

Фізико - хімічні основи технологічного процесу. . . . .………. …………..……..16

Вибір та опис технологічної схеми уловлювання діоксиду вуглецю…………...23

Обґрунтування вибору основного технологічного устаткування………………26

Матеріальні та теплові розрахунки……………………………………………….28

5.1 Тепловий розрахунок холодного  скрубера…………………………………...28

5.2 Матеріальний розрахунок процесу  абсорбції………………………………...32

6  Алгоритм конструктивного  розрахунку абсорбера для вловлювання  діоксиду вуглецю…………………………………………………………………………………..38

7 Вибір схеми автоматичного контролю і регулювання технологічного процесу регенерації насиченого карбонат – бікарбонатного розчину…………………………45

8 Аналітичний контроль по стадіях технологічного процесу очищення димових газів від СО2…………………………………………………………………………...…47

9 Правила безпечної експлуатації та охорони праці…………………………….48

Висновки……………………………………………………………………………51

Перелік  посилань………………………………………………………………….52

 

ВСТУП

 

Вуглекислий газ – активна складова атмосфери, яка є обов’язковим компонентом фотосинтезу рослини. Цей газ у природі утворюється під час спалювання органічних речовин, гниття, виділяється з вулканічними газами. Діяльність людини (знищення лісу, розорювання цілинних земель, урбанізація, а головне, спалювання мінерального палива й забруднення океанів) призводить до збільшення кількостей СО2 в атмосфері. За останні 120 років вміст цього газу в повітрі збільшився на 17 % ( у середньому на 0,14% на рік). 3а останнє десятиріччя це зростання вже становило 0,36% за рік. Що правда більша частина СО2, а саме 70% поглинається океанами й біосферою і лише 30% залишається в атмосфері. Деякі вчені прогнозують подвоєння вмісту вуглекислого газу в атмосфері до середини XX ст., що викличе значне (приблизно на 2,5 %) підвищення середньорічної температури за рахунок парникового ефекту.

У зеленій атмосфері вуглекислий газ діє як скло в парникові: пропускає сонячне світло, але затримує тепло розігрітою Сонцем поверхні Землі. Це викликає розігрівання планети, відомо під назвою парникового ефекту. Як свідчать розрахунки вчених, підвищення середньої річної температури Землі на 2,5 °С викличе значні зміни на Землі, більшість яких для людей буде мати негативні наслідки. Парниковий ефект змінить такі критично важливі перемінні величини, як опади, вітер, куля хмар, океанські течії, а також розміри полярних крижаних шапок .

Діоксид вуглецю газоподібний – безбарвний газ має злегка кислуватий запах і смак. Щільність при нормальних умовах – 1,977 кг/м. Хімічна формула – СО2. Молекулярна маса 44,011 ат.од.мас.

Діоксид вуглецю досить добре розчиняється у воді , утворюючи дуже слабку вугільну кислоту. Значно краще газоподібний діоксид розчиняється у водних розчинів їдких лугів (їдкого натру, їдкого калію) і вуглекислих солей (соди, поташу), аміаку, а також в органічних розчинниках (метанол, ацетон, етаноламін, пропилен – 1, 3 – карбонат, триацетин і ін.)

 

1 АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ МЕТОДІВ ОЧИЩЕННЯ ДИМОВИХ ГАЗІВ ВІД ДІОКСИДУ ВУГЛЕЦЮ

 

Концентрація діоксиду вуглецю – у газах різних виробництв, що відходять, може коливатися у різних межах. Крім того, парціальний тиск СО2 у газі залежить від загального тиску. У залежності від технологічної схеми виробництва і ступеня очистки пред’являються різні вимоги. Усе це привело до створення різноманітних і методів очистки від діоксиду вуглецю [2].

 

1. Водна очистка від діоксиду вуглецю

 

Водна очистка є найбільш старим методом видалення діоксиду вуглецю, тому і дотепер у промисловості експлуатуються велике число цих установок[2].

Водне очищення являє собою типовий процес фізичної абсорбції. Багато технологічних прийомів, закономірності кінетики цього процесу і його апаратурне оформлення характерні і для інших більш сучасних абсорбційних методів очистки, наприклад пропіленкарбонатної. Діоксид вуглецю знаходиться у розчині переважно у вільному вид. Частково утворюється слабка вугільна кислота,яка дисоціює:

 

   Н2СО3=Н++НСО3-                                                                            (1.1)

 

Константа дисоціації кислоти мала. При порівняно невеликих парціальних тисків діоксиду вуглецю дотримується лінійна залежність між Р(СО2) і загальним змістом СО2 у розчині (у малих частках) [2].

Доведено, в присутності СО2 у розчині помітно знижується розчинність азоту і водню, присутність же N2 або Н2 в розчині позначається на розчинності СО2 у значно меншому ступені внаслідок малої розчинності цих газів у воді [2].

 Для водної абсорбції СО2 використовують, як правило, насадочні скрубери, що працюють під тиском 0,98 – 2,94 МПа. У таких умовах дифузійні опори в рідкій і газовій фазах порівнянні.

Ефективність роботи абсорбера водного очищення від СО2 помітно зростає при частковому затопленні насадки. За даними Л.И. Тітельмана, затоплення нижньої частини насад очного шару (приблизно 3 м) у промисловому абсорбері дозволило знизити зміст СО2 на виході з абсорбера з 2,6 до 2 - 2,2% (об.) [2].

Принципова схема водного очищення від СО2 представлена на рисунку 1.1.

1 – сепаратор; 2 – абсорбер; 3 – турбіна;4 – насос; 5 – електромоторі; 6 – проміжний десорбер; 7 – кінцевий десорбер; 8 – десорбцій на колона; 9 – регулятор рівня.

Рисунок 1.1 – Принципова схема водної очистки газу від СО2

 

Процес водного очищення , як і інші процеси фізичної абсорбції, здійснюється під тиском. Оптимальне значення тиску процесу про водну абсорбцію при проведенні конверсії без тиску складає близько 2,94 МПа [2].

Основний недолік водного очищення полягає у великій витраті електроенергії. Крім того, унаслідок недостатньої селективності поглинача води можливі утрати водню і забруднення їм діоксиду вуглецю [2].

 

2. Очищення водними розчинами етаноламінів

 

Очищення газів розчинами етанол амінів с типовим процесом хемосорбції, широко розповсюдженим у даний час у промисловості. Вивченню цього процесу присвячено багато робіт, однак і в даний час проводжуються дослідження з метою його удосконалення й інтенсифікації. Оскільки найбільше промислове застосування одержав процес очищення розчинами моноетаноламіна (МЕА), йому приділяється значна увага. Цей процес одержав поширення в чорній металургії й у хімічній промисловості для витягу діоксиду вуглецю. Моноетаноламін (СН2ОН- СН2-NН2) відноситься до класу амінів, має лужні властивості і може взаємодіяти з кислими газами.

Взаємодія з діоксидом вуглецю протікає в двох стадіях:

 

2СН2ОН-СН2- NH2 + 2Н20 + СO2 → (СН2OН-СН2-NH3)2СO3,               (1.2)

 

(СН2ОН-СН2-NH3)2СОз + СO2 + Н20→2(СН2ОН-СН2-NH3)НСО3.          (1.3)

 

Моноетаноламін добре розчинний у воді. Однак у його середовищі кородирують метали (особливо кольорові). 3 метою обмеження корозії апаратури концентрацію моноетаноламіна в поглинальному розчині тримають менш 20 % (мас.) [2]. Моноетаноламіновий метод характеризується високим ступенем очищення газів від СO2. Oднак моноетаноламін летучий, токсичний, при наявності кисню в газах окислюється (полімеризується), що робить його не завжди придатним для очищення димових газів [2].

На рисунку 1.2 приведена принципова технологічна схема одержання СO2 з димових газів в умовах металургійного заводу.

Димові гази, які містять 8 – 10 % СО2, газодувкою подають у скрубер –охолоджувач 2 , де відбувається їхнє охолодження, очищення від механічних домішок і часткове очищення від діоксиду сірки. Для охолодження димових газів використовується освітлена вода загальнозаводського «брудного циклу» [2].

Після охолодження димові гази надходять у содовий скрубер 3, де вони очищаються від сполук сірки 2 – 5 % розчином NaСО3. Содовий розчин готується в ємкості для розчинення солі 15 і направляється в ємкість содового розчину 17, відкіля подається в содовий скрубер. Очищені від сполук сірки димові гази подають у скрубер 4, де з них витягають СО2 промиванням 10 % водним розчином моноетаноламіна. Димові гази зі змістом СО2 – 2 % скидають в атмосферу [3].

 

1 – газодувка; 2 – скрубер–охолоджувач; 3 – содовий скрубер; 4 – МЕА-абсорбер; 5 – холодильник; 6,10 – теплообмінники; 7, 8,11, 16 – насос; 9 – регенератор МЕА – розчину; 12 – кип’ятильник; 13 – холодильник – конденсатор; 14 – сегіаратор; 5,17 – ємкість

Рисунок 1.2 - Схема витягу СО2 димових газів розчином моноетаноламіном.

 

Насичений вуглекислим газом розчин моноетаноламіна подають для підігріву у виносний рекуперативний теплообмінник 6 і потім у регенератор 9. Регенерований розчин моноетаноламіна подають на охолодження в теплообмінник 10, розташований на тарілках регенератора. Для подальшого охолодження регенерований розчин у виносний рекуперативний теплообмінник 6 і 5. Пару, необхідну для регенерації , підводять у кип’ятильник 12. Парогазова суміш з регенератора 9 надходить у холодильник - конденсатор 13, де прохолоджується водою до З5-40 °С, потім у сепаратор флегми 14. У сепараторі відокремлюють флегму і насосом повертають у регенератор 9, а вуглекислий газ направляють у промивний стовпчик, насадка якого зрошується 2 - 5 % водним розчином КМnO4.

У процесі роботи МУА забруднюється продуктами розкладання, окислювання й осмолення. З метою очищення робочого розчину від цих продуктів передбачається розгонка циркулюючого розчину моноетаноламіна [3].

Для одержання товарної вуглекислоти частина оксиду вуглецю з промивної колони направляють для одержання рідкої вугільної кислоти, іншу частину в компресорі, очищають від олії і вологи й у газоподібному виді направляють через ресивер у ливарний цех для сушіння ливарних форм.

До істотних недоліків методу варто віднести утворення побічних продуктів, що приведе до забивання і корозії устаткування, погіршує очищення, збільшує витрату тепла, а також спінювання розчину, що приводить до втрат МЕА[3].

 

1.3 Процес «Амізол»

 

Процес «Амізол» заснований на абсорбції розчинами ДЕА або МЕА в метанолі [3]. Абсорбент комплексно поглинає CO2 вологу. Процес абсорбції ведуть при 35°С, регенерацію при 80°С. Це дозволяє знизити витрату тепла з відомими раніше процесами і витрати на теплообмінну апаратуру [3]. Недолік процесу - віднесення кількості пари метанолу, тому необхідно промивання газу водою, однак витрата тепла на ректифікацію промивних вод невелика, а втрати метанолу незначні.

Процес вивчений при тиску 2,94 МПа і 20 ºС. Побічні реакції етанол амінів із СО2 і СОS у метальному розчині йдуть значно повільніше, ніж у водних розчинах (швидкість їх приблизно в 10 разів нижче ніж при МЕА — очищенні). Концентрація домішок  у розчині поступово зростає, і через 1-2 року експлуатації варто проводити розгонку розчину.

Процес «Амізол» можна використовувати у виробництві аміаку для очищення концентрованого газу від СО2 [3].

 

4. Фізична абсорбція органічними розчинниками

 

У сучасних схемах синтезу аміаку газ надходить на очищення під тиском до 2,94 МПа. У цих умовах ефективні процеси фізичної абсорбції органічними розчинниками. В даний час такі процеси використовують головним чином для очищення природного газу з високим вмістом діоксиду вуглецю, однак вони можуть бути застосовані і для очищення конвертованого газу [3].

 

1.4.1 Процес «Пурізол»

 

Як абсорбент використовується N–метілпірралідон – розчинник, що вже знайшов широке застосування для виділення ацетилену з газів окисного піролізу метану [4].

Його перевагою в порівнянні з іншими розчинниками є більш висока поглинальна здатність і одночасна можливість порівняно легкої регенерації (у наслідок більш різкої залежності розчинності меркаптанів від температури) [4].

При 20 ºС і тиску 1,013∙105 Па в 1 м3 N-метілпірралідона розчиняється 4 м3 СО2. N-метілпірралідон не токсичний, і не віддає корозійною активністю. Недолік його, як і більшість розчинників застосованих для абсорбції діоксиду вуглецю – ретельне промивання газових потоків, що відходять, водою. Промивання здійснюють у колонах з ковпачковими або клапанними тарілкамипри досить малому співвідношенні вода – газ.

У процесі «Пурізол» і інших аналогічних процесах частина розчину безупинно відводять на ректифікацію разом із промивними водами. Для зменшення витрати тепла на ректифікацію і втрат розчинника газ, що очищується піддають попередньому осушуванню у тому ж абсорбері. Вихідний газ у зоні осушування промивають частиною насиченого абсорберу приділяється (до зони )