Очищення азотоводневої суміші від оксиду вуглецю (ІV) моноетаноламіном

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний авіаційний університет

Інститут екологічної безпеки

Кафедра хімії і хімічної технології

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

(ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА)

з дисципліни «Загальна хімічна технологія»

Тема: «Очищення азотоводневої суміші від оксиду вуглецю (ІV) моноетаноламіном»

Київ 2011р.



Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний авіаційний університет

Інститут екологічної безпеки

Кафедра хімії і хімічної технології

ЗАВДАННЯ

на курсову роботу з дисципліни «Загальна хімічна технологія»

Тема роботи : «Очистка азотоводневої суміші від оксиду вуглецю (ІV) моноетаноламіном».

1. Термін виконання роботи: з 08.09.2010 р. - 12.04.2011 р.

2. Вихідні дані до роботи: температура газу на вході в абсорбер 305 К; температура розчину на вході в абсорбер 300 К; температура газу на виході з абсорберу 310 К; ступінь використання розчину МЕА 94%; ступінь десорбції СО₂ 100%; у першому ступені циркулює 28%-й розчин МЕА, у другому - 15%-й; у першому ступені газ очищується від СО₂ на 89%, а у другому - 99,5%.

3. Зміст роботи: Вступ. Основна частина. Аналіз методів очищення газів від оксиду вуглецю (ІV). Фізико-хімічні основи моноетаноламінового очищення синтез-газу від оксиду вуглецю (ІV). Опис технологічної схеми очищення від оксиду вуглецю (ІV). Обґрунтування типу абсорбера при моноетаноламінному очищенні. Оцінка екологічності моноетаноламінового очищення азотоводневої суміші від оксиду вуглецю (ІV). Розрахунок двоступеневого моноетаноламінового очищення від оксиду вуглецю (ІV). ВисновRB. Список використаних джерел.

4. Рекомендована література:

- Очистка технологическх газов Под ред. Т.А. Семеновой.-М.: Химия, 1977.-487с.

- Справочник азотчика Под общей ред. Е.Я.Мельникова.-М.: Химия, 1967.-т.1.-492с.

- Методи розрахунків у технології неорганічних виробництв ч.1.

- Зв'язаний азот./ Лобойко О.Я., Товажнянський Л.Л., Слабун І.О. та ін. - Харків: НТУ «ХПІ», 2001.- 512с.

- Методы расчетов по технологии связанного азота. / Под ред. Акад. АН УССР В.И. Атрощенко. - Киев: Вища школа, 1978.- 311с.

- Справочнк азотчика. Физико-химические свойства газов и жидкостей, производство технологических газов. - М.: Химия, 1986.- 512с.

5. Завдання видав (……………….)

6. Завдання прийняв до виконання _______ (……………….)

7. Дата видачі завдання 08.09.2010 р.

8. Курсова робота захищена з оцінкою___________________

Голова комісії:______________________/……………/

Члени комісії: _____________________/ ……………..

______________________/ ……………./



РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка до курсової роботи: «Очистка азотоводневої суміші від оксиду вуглецю (ІV) моноетаноламіном» : 37 сторінок, 2 рисунків, 5 таблиць, 9 використаних джерел.

ОКСИД ВУГЛИЦЮ (ІV), АЗОТОВОДНЕВА СУМІШ, ЕТАНОЛАМІН, МОНОЕТАНОЛАМІН, ДІЕТАНОЛАМІН, ТРИЕТАНОЛАМІН, КОНВЕРСІЯ МЕТАНУ, ПОТАШ, ТІОМОЧЕВИНА, СУСПЕНЗІЯ, РЕАКТОР, СОРБЦІЯ, ХЕМОСОРБЦІЯ, ФЛЕГМОВЕ ЧИСЛО, ТЕХНОЛОГІЧНА СХЕМА, АБСОРБЕР, МАТЕРІАЛЬНИЙ БАЛАНС, ЕКОЛОГІЯ.

У курсовій роботі розглянуто метод очистки азотоводневої суміші від оксиду вуглецю (ІV), а саме за допомогою двоступеневого моноетаноламінового очищення. Описана технологічна схема процесу. Виконані матеріальні розрахунки моноетаноламінового очищення І та ІІ ступенів, складені матеріальні баланси кожного з них. Обґрунтована конструкція реактора. Наведена екологічна оцінка виробництва.

ЗМІСТ

Перелік умовних позначень та скорочень

Вступ

Основна частина

1. Аналіз методів очищення газів від оксиду вуглецю (ІV)

2. Фізико-хімічні основи моноетаноламінового очищення синтез-газу від оксиду вуглецю (ІV)

2.1. Очистка азотоводневої суміші від оксиду вуглецю (ІV) моноетаноламіном

2.2. Виробничі витратні коефіцієнти моноетаноламінового очищення азотоводневої суміші від оксиду вуглецю (ІV)

3. Опис технологічної схеми очищення від оксиду вуглецю (ІV)

3.1. Опис технологічної схеми двоступеневого моноетаноламінового очищення від оксиду вуглецю (ІV)

4. Обґрунтування типу абсорбера при моноетаноламінному очищенні

5. Розрахунок двоступеневого моноетаноламінового очищення від оксиду вуглецю (ІV)

6. Оцінка екологічності моноетаноламінового очищення азотоводневої суміші від оксиду вуглецю (ІV)

Висновки

Список використаних джерел



ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ

МЕА - моноетаноламін

ДЕА - диетаноаламін

ТЕА - триметаноламін

КГ - конвертований газ

АВС - азотоводнева суміш

ГДК - гранично допустима концентрація



ВСТУП

Аміак - продукт для одержання багаточисельних азотовмісних речовин, які використовуються в промисловості, сільському господарстві та побуті. На основі аміаку в сьогоденні виробляють майже всі сполуки азоту, які використовуються в якості цільових продуктів та напівпродуктів неорганічної та органічної технології.

За об'ємами виробництва аміак займає одне з перших місць в хімічній промисловості. Аміак виробляється в рідкому вигляді або у вигляді водного розчину - аміачної води (зазвичай 25% NH₃).

Основним напрямком використання аміаку є виробництво мінеральних добрив - переважно азотних (карбаміду, нітрату та сульфату амонію) та фосфатних (амофосу, диамофосу). Амічну воду також використовують в якості добрива. Більш того, в деяких випадках поля поливають з цистерн безпосередньо рідким аміаком. Також аміак використовується для одержання нітратної кислоти, капролактаму, соди (за аміачним методом), та, в меншому ступені, в процесі виробництва азотвмісних солей та синильної кислоти. Крім того, аміак є гарним розчинником для більшості азотвмісних сполук [1].

Україна займає одне з провідних місць у світі і має великі експортні можливості щодо мінеральних добрив. Більше 90% експорту мінеральних добрив становлять азотні добрива, а їх головними покупцями є Китай, Індія, Бразилія, Туреччина, Молдова.

Окрім хімічної промисловості NH₃ використовується в легкій промисловості при очистці та фарбуванні хлопку, шерсті та шовку. В нафтохімічній промисловості хімікат використовують для нейтралізації кислотних відходів, а в виробництві каучуку аміак допомагає зберегти латекс в процесі його транспортування від плантацій до підприємства. В сталеливарній промисловості NH₃ використовують для створення захисних середовищ. У криогенній техніці аміак використовується в якості холодоагенту. Медики використовують водні розчини аміаку (нашатирний спирт) в повсякденній практиці: вата, змочена в такому спирті, виводить людину з непритомності [1].

У даній роботі розглядається процесс очистки азотоводневої суміші від оксиду вуглецю (ІV) моноетаноламіном. Метаноламінова очистка найбільш економічна, коли конвертований газ має низький тиск і незначний вміст СО₂, тобто при малому парціальному тиску СО₂ (<0,2 МПа). Вона суттєво дорожче поташної очистки, але витрати тепла практично однакові, а витрати електроенергії навіть нижче. Тому цей метод є достатньо вигідний для виробництва.

Що стосується України, то підприємства хімічної промисловості в січні 2011 року збільшили виробництво аміаку на 56 в порівнянні з груднем 2010 року - до 453 тис. тон. Найбільшими виробниками аміаку в Україні є ВАТ «Одеський припортовий завод», ВАТ «Концерн «Стирол» (Горлівка, Донецька обл.), Сєвєродонецький «Азот» і ВАТ «Дніпроазот» (Дніпродзержинськ) [2].



ОСНОВНА ЧАСТИНА

1. Аналіз методів очистки газів від оксиду вуглецю (IV)

У синтез-газі після парової конверсії оксиду вуглецю (ІІ) за 280 - 420^оС складає до 5 - 6% СО, яку необхідно видалити майже повністю, щоб запобігти отруєнню каталізатора синтезу аміаку. В залежності від кількості оксиду вуглецю та технологічної схеми синтезу аміаку застосовують різні методи очистки.

Спочатку для цієї мети використовували процес абсорбції мідноаміачними розчинами. Широко розповсюдженим методом також є промивання газу рідким азотом. Основна перевага цього методу полягає в можливості одержання більш чистого синтез-газу, ніж після мідноаміачної очистки. Рідкий азот найдоцільніше використовувати для відмивання коксового газу або газу, одержаного конверсією природного газу з використанням кисню.

У випадку використання низькотемпературної конверсії оксиду вуглецю (ІІ) в газовій суміші залишається 0,2 - 0,3% СО, для видалення якого використовують метод каталітичної очистки - гідрування до метану, або метанування [3].

У даний час в промисловій практиці використовуються в основному три методи очистки газу від оксиду вуглецю (ІV): водна, лужна (NaOH або Na₂CO₃) та моноетаноламінова.

Очистка газів водою проводиться під тиском 1,2-3 МПа та при цьому ступінь очистки не первищує 80%. Метод потребує великих витрат електроенергії. Очистка газу лугом є досить коштовною операцією і тому її використовують лише для поглинання малих концентрацій СО₂. Найбільш досконалою є моноетаноламінова очистка, яка все більш широко використовується.

Були досліджені наступні методи: поглинання СО₂ водноамічним розчином з одночасним одержанням солей карбонату амонію; поглинання СО₂ суспензією СaSО₄ в аміачній воді з одночасним одержанням сульфату амонію; поглинання СО₂ розчином гідросульфіду кальцію з виділенням в газову фазу сірководню; інтенсифікація процесу очистки газу від СО₂ розчином моноетаноламіну в ротаційних апаратах, спільне поглинання СО₂, Н₂ та інших кислих компонентів з коксового газу торфоамічним поглиначем в апаратах з киплячим шаром. У перших двох випадках продукти очистки - солі карбонату амонію та сульфат амонію - є добривами для сільського господарства. Третій метод є одним із стадій процесу синтезу тіомочевини. В останньому методі одержується комбіноване органічномінеральне добриво.

Комбінування процесу очистки газів від СО₂ з одержанням солей карбонату амонію. В даний час має місце необхідність методу очистки синтез-газу від СО₂. Суть методу полягає в комбінуванні процесів очистки азотоводневої суміші від СО₂ з одержанням вуглеамонійних солей. В даному випадку поглинання СО₂ з газу проводиться водним розчином аміаку (або спільне поглинання NH₃ та CО₂ водою) до компресії газу.

За цим методом приблизно 50% аміаку, що виробляється в системі, звязується з СО₂, утворюючи солі карбонату амонію, а останні 50% NH₃ використовують в якості рідкого добрива (у вигляді чистого аміаку або його водного розчину). Таким чином, одержується коротка схема виробництва зв'язаного азоту. Ще більш раціональним буде поєднання процесу синтезу аміаку з очисткою газу від СО₂ та з виробництвом сечовини. В цьому випадку, вся продукція може бути одержана у вигляді сечовинно-вуглеамонійних добрив.

Поглинання СО₂ водноамічною суспензією гіпсу з одержанням сульфату амонію. Одним з раціональних методів очистки азотоводневої суміші від СО₂ є поєднання цього процесу з конверсією СaSО₄ в сульфат амонію. Перспективність цього методу в тому, що поряд з вловлюванням СО₂ з газу виробляється цінне добриво без затрат на нього дефіцитної сульфатної кислоти.

Так як конверсія гібсу та адсорбція СО₂ за звичайних умов відбувається повільно, то для інтенсифікації цих процесів використовують горизонтальні апарати ротаційного типу, в яких забезпечується інтенсивне перемішування газової та рідкої фаз. За своєю конструкцією ці апарати аналогічні механічним абсорберам з великою кількістю обертів.

При проведенні цього процесу в умовах високотурбулентного режиму при 30-35^оС та атмосферному тиску можна провести практично повне поглинання СО₂ з газу.

Абсорбція СО₂ розчином гідросульфіду кальцію за умов високотурбулентного режиму. На деяких виробництвах (синтез тіосечовини та ін.) в якості побічного продукту (або відходу виробництва) одержують гідросульфід кальцію, який може бути використаний, як ефективний поглинач вуглекислого газу з одночасним виділенням в газову фазу сірководню

Ca(HS)₂+CO₂+H₂O=CaCO₃+2H₂S (1.1)

Одержаний таким чином сірководень може бути використаний для одержання тіосечовини, сульфатної кислоти, елементарної сірки та інших цінних продуктів.

Інтенсифікація абсорбції СО₂ розчином моноетаноламіну в механічних абсорберах. Поглинання СО₂ з газів моноетаноламіном знайшло широке використання в техніці. Цим шляхом здійснюється одержання чистого СО₂, або очищення технологічних газів від СО₂, або поєднання того і іншого.

З метою інтенсифікації процесу абсорбції СО₂ розчином моноетаноламіну насадкові апарати замінюють горизонтальними механічними абсорберами з великою кількістю обертів.

За умов високотурбулентного режиму, який створюється в механічних абсорберах, швидкість абсорбції СО₂ розчином моноетаноламіну різко зростає.

Поєднання процесу очищення азотоводневої суміші від СО₂ з одержанням аміачної селітри. Окрім безпосереднього одержання та використання солей карбонату амонію процес очистки азотоводневої суміші від СО₂ може бути поєднаний з одержанням аміачної селітри та чистого СО₂.

Утворення аміачної селітри здійснюється при взаємодії вуглеамонійних солей з нітратною кислотою за рівняннями

NH₄HCO₃+HNO₃=NH₄NO₃+H₂O+CO₂ , (1.2)

(NH₄)₂CO₃+2HNO₃=2NH₄NO₃+2H₂O+CO₂ . (1.3)

Оксид вуглецю (ІV), що при цьому виділяється, може бути використаний для синтезу сечовини та інших технологічних цілей, а амонійна селітра - у вигляді рідких добрив, або у вигляді твердих солей після випарювання та грануляції [6].

Окрім указаних методів розроблений спосіб комплексної очистки коксового газу від H₂S, CO₂ та інших кислих компонентів торфолужним поглиначем в апаратах з киплячим шаром. Цей процес здійснюється безперервно та одностадійно в одному апараті.



2. Фізико-хімічні основи моноетаноламінового очищення синтез-газу від оксиду вуглецю (ІV)

У промислових умовах для очистки технологічного газу від СО₂ переважно використовується водний розчин моноетаноламіну (МЕА) концентрацією 10-30 % мас. У водному розчині встановлюється рівновага

. (2.1)

При взаємодії СО₂ з МЕА можливо утворювання як карбонату

, (2.2)

так і гідрокарбонату моноетаноламонію

(RNH₃)₂CO₃+CO₂+H₂O - 2RNH₃HCO₃, (2.3)

де R-HO•CH₂CH₂.

При порівняно невеликих ступенях карбонізації (??0,5 моль СО₂ на моль моноетаноламіну) діоксид вуглецю реагує з моноетаноламіном головним чином з утворенням заміщеної карбамінової кислоти

CO₂+RNH₂-RNHCOOH, (2.4)

яка у водному розчині практично повністю дисоціює

. (2.5)

У результаті утворюється карбонат моноетаноламонію



. (2.6)

Підсумкова реакція взаємодія СО₂ з моноетаноламіном буде мати такий вигляд

. (2.7)

З реакції випливає, що на 1 моль СО₂ витрачається 2 моль моноетаноламіну, тобто загальний стехіометричний коефіцієнт дорівнює двом.

Концентрація активного (вільного) аміну С_р може бути розрахована за рівнянням

С_р=С_р,0•(1-n?), (2.8)

де С_р,0 - концентрація моноетаноламіну в розчині, моль/дм³.

Реакція взаємодії СО₂ з моноетаноламіном характеризується такою константою рівноваги

(2.9)

Оксид вуглецю (IV) взаємодіє також з іонами ОН

, (2.10)

, (2.11)

і при значенні рН?8-9 суттєву роль відіграє реакція

. (2.12)

У промислових умовах ступінь карбонізації ? насиченого розчину на виході з абсорбера, який працює за атмосферного тиску, не перевершує 0,5 моль/моль. При ?>0,5 поглинання СО₂ здійснюється головним чином відповідно до реакції (2.10) і (2.12). Швидкості цих реакцій малі і в значній мірі лімітують швидкість поглинання СО₂, тому швидкість абсорбції при ?>0,5 значно менша, ніж при ?<0,5.

У промисловості при поглинанні СО₂ з конвертованого газу розчином моноетаноламіну (2,5-3,3 моль/дм³) під тиском 2,45-2,94 МПа можна досягти ступеня карбонізації ?=0,65-0,7 моль/моль [6].

Для розрахунку рівноваги в системах СО₂ - МЕА - вода запропоновано ряд рівнянь. Залежність рівноважного тиску СО₂ над водними розчинами МЕА від концентрації СО₂ в цих розчинах можна приблизно розрахувати за рівняннями:

при ??0,25 моль СО₂/моль МЕА

(2.13)

при ?>0,5 моль СО₂/моль МЕА

(2.14)

де - рівноважний тиск СО₂ над розчином МЕА, кПа; ?Н - теплота розчинення СО₂, Дж/моль; R - газова постійна, Дж/(моль•К); Т - температура, К; ? - концентрація СО₂, моль/моль МЕА; K - коефіцієнт, який залежить від температури і концентрації МЕА.

Коефіцієнт К можна розрахувати за рівнянням

(2.15)



де С₀ - концентрація МЕА, моль/дм³.

Флегмові числа Ф для 20%-го розчину МЕА розраховані, виходячи із співвідношення

(2.16)

де - мольна частка води в розчині; , - відповідно, загальний тиск над розчином і тиск насиченої пари над чистою водою за заданої температури.

Флегмові числа необхідні при визначенні кількості тепла, яке витрачається на регенерацію розчину етаноламіну [4].

Залежність константи швидкості реакції взаємодії СО₂ з ЕА від температури можна розрахувати за рівнянням:

для МЕА

(2.17)

для ДЕА

(2.18)

2.1 Очистка азотоводневої суміші від оксиду вуглецю (ІV) моноетаноламіном

Після конверсії метану і оксиду вуглецю (ІІ) водяною парою в технологічному газі, який використовується для синтезу аміаку, міститься близько 18% оксиду вуглецю (ІV), від якого газ треба очищати. В сучасній азотній промисловості застосовуються такі методи очищення технологічного газу від СО₂

1. моноетаноламінове очищення;

2. водне очищення;

3. очищення гарячими розчинами поташу, активованими діетаноламіном або сполуками миш'яку;

4. очищення метанолом за низьких температурах.

Крім цього, в незначній мірі збереглись процеси очистки від СО₂ розчинами аміаку і гідроксиду натрію.

Метаноламінове очищення найбільш економічне, коли конвертований газ має низький тиск і незначний вміст СО₂, тобто при малому парціальному тиску СО₂ (<0,2 МПа). Вона суттєво дорожче поташної очистки, але витрати тепла практично однакові, а витрати електроенергії навіть нижче. Що стосується ступеня очистки, то він вищий [4].

Водна очистка в нинішній час використовується лише в старих агрегатах виробництва аміаку. Цей процес уже застарілий, через те, що він потребує великих витрат електроенергії і його використання приводить до великих втрат водню (5-6%).

Очистка поташом економічна тільки при абсорбції під тиском. Підвищена температура абсорбції дозволяє збільшити концентрацію поташу в розчині і відповідно підвищити швидкість абсорбції. Розчин поташу регенерується при нагріванні і частковому зниженні тиску. Однак швидкість абсорбції і десорбції при очистці поташем невелика, що приводить до збільшення габаритів масообмінних апаратів.

Очищення холодним метанолом найбільш ефективне в поєднанні з схемами очистки, в яких газ надходить на глибоке охолодження, а також при комплексному очищенні газу від СО₂ та сполук сірки.

Вище наведені методи очистки технологічного газу від СО₂, ґрунтуються на фізичній абсорбції або хемосорбції. У першому випадку застосовують такі абсорбенти як вода, метиловий спирт та ін., тобто речовини, в яких взаємодія молекул СО₂ обумовлена силами Ван дер Ваальса.

Таблиця 2.1 Фізико-хмічні властивості безводних етаноламінів

	МЕА	ДЕА
Відносна молекулярна маса	61,080	105,140
Густина, кг/м3	1017,9 (20оС)	1091,9 (30оС)
Температура кипіння, оС: при 1,333 кПа при 39,99 кПа при 101,308 кПа спалаху замерзання самозаймання	71,000 143,000 171,000 93,000 10,300 450,000	152,000 237,000 270,000 220,000 28,000 405,000
Константа дисоціації при 20 оС	5•10-5	6•10-6
Коефіцієнт рефракції	1,4644 (20оС)	1,4747 (30оС)
Теплоємність, кДж/(кг•К)	2,721	2,428
Розчинність у воді при 20 оС, %мас.	не обмежена
Розчинність в органічних рідинах при 25 оС, %мас.: у ацетоні у бензині у тетрахлорвуглецю у гаптані у метанолі	не обмежена 0,600 0,100 0,100 не обмежена	0,030 0,010 0,030
Лужність, см3 1 моль/дм3 кислоти на 1 гетаноламіну	16,390	9,500
Значення рН при 24 оС при 138 оС	12,500 7,000	- -
Діелектрична проникність при 25 оС	37,720	-
Теплота утворення з простих речовин , кДж/моль	50,580	-
Теплота випарювання при 101,308 кПа, кДж/кг	823,160	615,570

При хемосорбції абсорбентами слугують етаноламін, аміак, луги, поташ, тобто речовини, які реагують з СО₂. Вибір того чи іншого методу очищення визначається кількістю СО₂ в технологічному газі та подальшими стадіями його переробки. Наприклад, промивка конвертованого газу від СО₂ рідким азотом добре поєднується з очисткою від СО₂ метанолом при знижених температурах. Водні розчини моноетаноламіну широко використовуються для очистки від СО₂ газів конверсії вуглеводнів під тиском і без тиску. В кожному окремому випадку вибір абсорбенту повинен бути обґрунтований техніко-економічними розрахунками.

Етаноламіни (ЕА) - це органічні луги, які одержують при взаємодії етиленоксиду та аміаку. Це безкольорові, в'язкі, гігроскопічні рідини, які добре змішуються з водою і нижчими спиртами в будь-яких співвідношеннях. Вони практично нерозчинні в неполярних розчинниках. Фізико-хмічні властивості безводних етаноламінів наведені в табл. 2.1. [3].

2.3 Виробничі витратні коефіцієнти моноетаноламінового очищення азотоводневої суміші від оксиду вуглецю (IV)

За схемами очистки газу, коли абсорбція СО₂ проводиться за атмосферного тиску (?_нас=0,4 моль/моль), втрати тепла, як правило, коливаються від 11,74 до 13,4 кДж/м³ СО₂ (за н.у.). за схемами з розділеними потоками при проведенні розгонки 20%-го розчину МЕА під тиском витрати тепла можуть становити 7,95-8,38 МДж/м³ (за н.у.).

При абсорбції під тиском (?_нас=0,6-0,67 моль/моль) і недорекуперації ?t=12-13^оС витрати тепла за багатопоточними схемами становлять 5,2-5,4 МДж/м³ (за н.у.).

За схемами з регенерацією розчину в регенераторі-рекуператорі витрати тепла становлять ~ 4,4 МДж/м³ СО₂ (за н.у.), витрати електроенергії в МЕА очистці становлять 72-108 мДж/т NH₃ (20-30 кВт•год/т NH₃), або 18 28,8 МДж на 1000м³ (5-8 кВт•год на 1000 м³ газу, який подається на очистку).

Витрати МЕА на діючих установках коливаються від 0,4 до 1 кг/т NH₃, однак при стабільній експлуатації агрегату синтезу аміаку втрат МЕА можуть бути знижені до 0,3 кг/т NH₃, або 0,05 кг на 1000 м³ газу.

моноетаноламіновий газ оксид абсорбер



3. Опис технологічної схеми очищення від оксиду вуглецю(IV)

3.1. Опис технологічної схеми двоступеневого моноетаноламінового очищення від оксиду вуглецю (IV)

На рис. 3.1. наведена принципова технологічна схема двоступеневого очищення АВС від СО₂ та H₂S розчином МЕА, вона є більш економічною в порівнянні з одноступінчастою [3].

На першому ступені абсорбція проводиться приблизно 20%-м розчином МЕА, на другій ступені 12%-м розчином МЕА. Кожний розчин має самостійний цикл абсорбції та регенерації. Тепло парогазової суміші після другої ступені регенерації використовується для регенерації розчину на першому ступені.

Перша ступінь двоступінчастої моноетанольної очистки працює під тиском 0,11 МПа, друга - під тиском 2,9 МПа. Для стабілізації процесу очистки в обох ступенях підтримується безперервне зрошення абсорберів розчином моноетаноламіну за допомогою регуляторів витрати Р₁ та Р₁₂, а постійний рівень в абсорберах - регуляторами рівню Р₁ та Р₁₁. При падінні рівня в абсорберах до мінімально допустимого на виході розчину з абсорберів автоматично закриваються засувки Бл₁ та Бл₄ з електроприводом.

Стійкий процесс регенерації обох ступенів підтримується за рахунок постійної подачі пари в кип'ятильники регенераторів за допомогою регуляторів витрати Р₃ та Р₁₀.

Постійний рівень в регуляторі встановлюється шляхом відповідної зміни завдання регуляторам витрати флегми Р₄, Р₈, Р₁₃, що подається в регенератор за допомогою регуляторів рівня. Для стабілізації тиску в регенераторі першого ступеня слугує регулятор Р₅, який скидує газ зі скруббера-охолоджувача.

Температура газу, що відходить зі скруббера-охолоджувача, підтримується на постійному рівні за допомогою регулятора температури Р₆, який впливає на подачу охолоджуючої води в холодильник циркулюючого конденсату. Завдання регулятора температури корегується регулятором рівня конденсату в скрубері.

У випадку, якщо регулятор температури Р₆ не забезпечує підтримування температури газу в заданих інтервалах, передбачена автоматична подача конденсату на підживлення за мінімальним рівнем Бл₂ та автоматичний викид конденсату зі скруббера-охолоджувача Бл₃. Крім того, підтримується постійна витрата циркулюючого конденсату в скрубері-охолоджувачі за допомогою реголятора витрати Р₇.

Тиск в регуляторі другого ступеня стабілізується за допомогою регулятора тиску Р₉.

Агрегат моноетаноламінової очистки оснащений контрольно-вимірювальними приладами для автоматичного контролю вмісту СО₂ в газі, тиску в системі, температури. Вторинні прилади та засоби дистанційного керування клапанами винесені на центральний щит керування.

При двоступінчастій очистці газу під тиском можуть робити як два ступені очистки, так і один ступінь.

Вихідний конвертований газ надходить до абсорбера 1-го ступеня 1, де під тиском 0,11 МПа відбувається взаємодія АВС з моноетаноламіном. При взаємодії відбувається розбрискування, краплі якого збираються з верху колони та потрапляють в бризковідбірник 2. З цього бризковідбірника відходить газ після 1-го ступеня очистки, а конденсат повертаєть в абсорбер. Насичений розчин періодично відбирається з низу колони насосом 3 та через теплообмінник 4, частина надходить у якості зрошення зверху в колони-регенератори 6, а інша частина надходить знизу в ці ж колони на регенерацію.

Розчин моноетаноламіну в регенераторах періодично підігрівається за допомогою кипятильників 8, які пов'язані з беспосередніми регуляторами температури зверху колон. Нижняя частина колон постійно знаходиться під контролем регуляторів рівня розчину МЕА.

Зверху колон-регенраторів 6 відходить парогазова суміш, що надходить в нижню частину скруббера-охолоджувача 11, в якій конденсат МЕА надходить в систему конденсату, де відбувається часткове підживлення та скидання конденсату, і частина якого насосом для рециркулюючого конденсату 10 повертається в колони 6, 11 та 12 у якості зрошення. При цьому підігрівається даний конденсат в теплообміннику 9 при надходженні до скруббера 11.

Друга ступінь очищення АВС від СО₂ розчином МЕА відбувається в абсорбері 17. В нижнюю частину колони надходить газ після 1-го ступеня очистки, що був відібраний з бризвовідвідника 2, паралельно надходить і розчин МЕА з регенераційної колони 12, що попередньо нагрівається в кипятильнку 13. Частина розчину МЕА також через теплообмінник, де підігрівається, надходить вверх колони для зрошування. АВС, що підіймається вверх в абсорбері, після очистки зверху колони надходить до лужного скрубера, де відбуваєть лужне очищення. Зверху колони 18 відбирається очищений газ.

У колоні 12 відбувається регенерація розчину МЕА 2-го ступеня очищення, в яку з нижньої частини абсорбера 17 подається на регенерацію розчин МЕА. Частина парової суміші МЕА через верх колони подається в середні частини колон-регенераторів 6.

З колони лужного очищення відбирається відпрацьований луг та подається свіжий, на верх колони.



4. Обґрунтування типу абсорбера при моноетаноламінному очищенні

У сучасних системах очистки застосовуються як насадкові, так і тарілчасті апарати. На рис. 3.3. наведено насадковий абсорбер.

У вітчизняних агрегатах синтезу аміаку потужністю 1360 т/добу абсорбція СО₂ здійснюється МЕА розчином за тиску 2,7-2,8 МПа в тарілчастих абсорберах з ситчастими тарілками (рис. 3.3 а) [4]. У верхній частині апарата встановлені дві ковпачкові тарілки, які зрошуються флегмою з дефлегматора для уловлення бризок і пари МЕА з очищеного конвертованого газу. Над ковпачковими тарілками розміщується сепаратор, який уявляє собою зібрані у вигляді пакета гофровані листи. Корпус абсорбера виготовляється з сталі 6 ГС, тарілки - з якісної вуглецевої сталі. Абсорбер з ситчастими тарілками розподілений на дві секції - верхню і нижню, в кожну з яких вводиться близько 600 м³/год розчину. В абсорбері встановлено 15 ситчастих двох зливних тарілок.

Деякі показники роботи промислових абсорберів МЕА очистки наведені у табл. 4.1.

В установках МЕА очистки, які будувались до 1970 року, застосовувалися, як правило, регенератори з кільцевою керамічною насадкою, яка розташовувалась двома шарами висотою 6 м у процесі експлуатації ця насадка зношується, внаслідок чого ефективність роботи апарата знижується. Крім того, руйнування насадки призводить до забруднення теплообмінників, внаслідок чого зростає недорекуперація. Усі ці обставини призводять до підвищення витрати тепла і погіршення очистки газу.

На рис. 4.1. зображений насадковий абсорбер, який використовується в промисловості для очистки газу від СО₂.

Даний реактор можна класифікувати:

1. За гідродинамічними умовами він є реактором ідеального витіснення РІВ.

2. За умовами теплообміну абсорбер ізотермічний.

3. За фазовим складом реакційної суміші абсорбер слугує для гетерогенних процесів.

4. За способом організації процесу - безперервний.

5. За характером зміни параметрів процесу - стаціонарний.

6. За конструктивними характеристиками - колонний, насадковий.

Рис. 4.1 Абсорбер насадкового типу

На рис. 4.1. зображений абсорбер, що використовується в даній схемі очистки, який працює за тиску 2,45 МПа в агрегаті синтезу аміаку потужністю 600 т/добу. В абсорбері знаходяться три шари насадки, кожен



Таблиця 4.1

Деякі показники роботи промислових абсорберів МЕА очистки

Показники	Насадковий абсорбер	Барботажний абсорбер з ситчастими тарілками	Тарілчастий абсорбер
Діаметр, м	2,542	4,200/3,800*	4,000/3,800*
Навантаження за газом**, м3/год	~100000	205000,000	213103,000
Швидкість газу на вході, м/с	~0,270	0,193	0,236
Тиск, МПа	2,420-2,500	2,640	2,640
Висота насадки, м	12,000-14,000	-	-
Витрати розчину, м3/год	500,000-570,000	1140,000-1200,000	1140,000-1200,000
Густина зрошування, м3/(м2•год)	98,000-112,000	83,000-87,000	83,000/52,000*
Концентрація СО2 в газі, % об.: на вході на виході, н/б	18,200 0,010	17,700 0,010	17,600 0,010
Ступінь карбонізації, моль/моль: на вході на виході	0,080-0,140 ~0,650	0,100 і 0,330 ~0,650	0,120 і 0,330 ~0,710
Температура розчину, оС: на вході на виході	35,000-47,000 55,000-67,000	36,000-42,000 ~58,000-67,000	36,000-42,000 67,000-68,000
Швидкість абсорбції** СО2 м3/(м3•год), робочого об'єму апарата	223,000	114,000	-
Рівноважний тиск** СО2 над розчином в нижнім перерізі абсорбера, МПа	0,155	0,240	-
Середня рушійна сила***, кПа	59,000	61,500	-
Об'ємний коефіцієнт масопередачі**, м3/(м3•год•Па)	378,000•10-5	185,000•10-5	-
Гідравлічний опір, Па	(0,098-0,147)•105	(0,690-0,790)•10-5	(0,790-0,890)•105

* - чисельник - діаметр нижньої частини абсорбера, знаменник - верхньої;

** - об'єм газу, приведений до нормальних умов;

*** - визначена методами графічного інтегрування.

висотою 3,5-4,5 м, нижній шар - поліпропіленові кільця типу Палля розміром 37х37 або 50х50 мм, два наступні шари - керамічні сідла типу Інталокс розміром 50х50 мм (або керамічна насадка ДІАП і НДІЕмальхіммаш розміром 50х50 мм).

Спільним недоліком абсорбційних методів очищення є утворення рідких стоків та громіздкість апаратурного оформлення.



5. Розрахунок двоступеневого моноетаноламінового очищення від оксиду вуглецю (IV)

Вихідні дані:

Температура газу на вході в абсорбер, К	305
Температура розчину на вході в абсорбер, К	300
Температура газу на виході з абсорберу, К	310
Ступінь використання розчину МЕА, %	94
Ступінь десорбції СО2, %	100

В першому ступені циркулює 28%-й розчин МЕА, а в другому - 15%-й.

В першому ступені газ очищується від СО₂ на 89%, а в другому до концентрації 12 мг/м³ (99,5%).

Таблиця 5.1 Склад АВС

Компоненти	нм3	кг	об. %	на 100% сухого конвертованого газу, нм3
СО2 СО Н2 N2 Ar CH4	937,500 66,110 2541,200 19,840 29,680 70,200	1856,25 82,637 228,708 24,800 52,830 49,842	25,580 1,800 69,350 0,540 0,810 1,920	26,750 2,080 74,510 0,580 0,895 2,170
Разом	3664,530	2295,067	100,000	106,985

Матеріальний розрахунок МЕА очистки І ступеня

1. Баланс за СО₂.

При ступені очистки газу на 89% поглинається СО₂ в абсорбері І ступеня

m^I(CO₂)=1856,25·0,89=1652,06 кг,

де 1856,25 - маса СО₂ в вихідній суміші, кг; 0,89 - ступінь очистки газу, частка одиниці.

Подається СО₂ в абсорбері ІІ ступеня:

m^IІ(CO₂)=1856,25·0,11=204,18 кг,

де 0,11 - ступінь очищення від СО₂, частка одиниці.

2. Визначимо кількість 28%-го розчину МЕА, який подається в абсорбер І ступеня для очистки газу від СО₂ на 89%

2NH₂-CH₂-CH₂OH+H₂O+CO₂-(NH₃-CH₂-CH₂OH)₂·CO₃ , (5.1)

з цих співвідношень матеріального балансу визначаємо:

1. Кількість 100%-го розчину МЕА, необхідного для реакції

де 1652,06 - кількість поглинутого СО₂ в абсорбері І ступеня, кг; 122, 44 - молярні маси моноетаноламіну та СО₂ відповідно, кг/кмоль.

2. Кількість води, яка необхідна для реакції (5.1)

де 18 - молярна маса води, кг/кмоль.

3. Кількість (NH₃-CH₂-CH₂OH)₂·CO₃, яка утворилась за реакцією (5.1)

де 184 - молярна маса (NH₃-CH₂-CH₂OH)₂·CO₃, кг/кмоль.

При ступені використання МЕА розчину на 94%, всього буде потрібно МЕА

де 0,94 - ступінь використання МЕА розчину, частка одиниці;

з цієї кількості розраховується кількість 28%-го розчину МЕА:

де 0,28 - масова частка МЕА у розчині, частка одиниці;

або

де 1023 - густина 28%-го МЕА за 293К, кг/м³ [4].

Таким чином, склад газової суміші, після очистки розчином МЕА від СО₂ наведений в табл.3.2.

Таблиця 3.2 Склад газової суміші після першого ступеня очищення розчином МЕА від СО₂

Компоненти	нм3	кг	об. %
СО2 СО Н2 N2 Ar CH4	103,125 66,110 2541,200 19,840 29,680 70,200	204,187 82,637 228,708 24,800 52,830 49,842	3,640 2,340 89,790 0,700 1,050 2,480
Разом	2830,155	643,004	100,000

Цей же склад газової суміші надходить на другий ступінь очистки, де циркулює 15%-й розчин МЕА.

Матеріальний розрахунок МЕА очистки ІІ ступеня на 99,5%

1. Баланс за СО₂.

При ступені очистки конвертованого газу на 99,5% в абсорбері ІІ-го ступеня поглинається СО₂:

m^II(CO₂)=204,187·0,995=203,166 кг,

де 204, 187 - маса СО₂ в газовій суміші, що надійшла на ІІ ступінь очистки, кг; 0,995 - ступінь очистки конвертованого газу, частка одиниці;

залишається в газі після абсорбера:

m(CO₂)204,187·0,005=1,021 кг ,

де 0,005 - частка неконвертованого газу, частка одиниці.

2. Визначаємо кількість 15%-го розчину МЕА, який подається на зрошування в абсорбер ІІ ступеня

2NH₃-CH₂-CH₂OH+H₂O+CO₂>(NH₃-CH₂-CH₂OH)₂·CO₃ , (5.2)

із цих співвідношень визначаємо:

1. Масу 100%-го розчину МЕА, яка необхідна для реакції (5.2)

2. Масу води, яка необхідна для реакції

3. Кількість розчину (NH₃-CH₂-CH₂OH)₂·CO₃, котрий утворився в результаті реакції (5.2)

При ступені використання розчину МЕА на 94%, всього буде потрібно МЕА

де 0,94 - ступінь використання розчину МЕА, частка одиниці;

із цієї кількості 15%-го розчину МЕА буде

де 0,15 - масова частка МЕА у розчині, частка одиниці.

Таким чином, після абсорберу ІІ ступеня конвертований газ має такий склад, що наведений у табл.3.3.

Таблиця 3.3 Склад газової суміші, після абсорбера ІІ ступеня

Компоненти	нм3	кг	об. %
СО2 СО Н2 N2 Ar CH4	0,516 66,110 2541,200 19,840 29,680 70,200	1,021 82,637 228,708 24,800 52,830 49,842	0,019 2,424 93,168 0,727 1,088 2,574
Разом	2727,546	439,838	100,000

Щоб очистити конвертований газ до вмісту в ньому близько 12 мг СО₂, його подають після МЕА-очистки в скрубери, які зрошуються розчином лугу. Визначимо кількість 100%-ної NaOH для повної очистки газу від СО₂ згідно реакції (5.3)

2NaOH+CO₂>Na₂CO₃+H₂O , (5.3)

де 1,021 - маса СО₂, що залишився в газі, кг; 40, 44 - молярні маси NaOH та CO₂ відповідно, кг/кмоль.

Для зрошування скруберів застосовується 15%-й розчин лугу. Тоді його кількість на 1000 нм³ газу складає

де 0,15 - концентрація розчину лугу, частка одиниці.



6. Оцінка екологічності моноетаноламінового очищення азотоводневої суміші від оксиду вуглецю (IV)

Для створення нормальних умов виробничої діяльності необхідно забезпечити не лише комфортні метеорологічні умови, а й необхідну чистоту повітря. Внаслідок виробничої діяльності у повітряне середовище приміщень можуть надходити різноманітні шкідливі речовини, що використовуються в технологічних процесах.

Шкідливі речовини можуть проникати в організм людини через органи дихання, органи травлення, а також шкіру та слизові оболонки. Через дихальні шляхи потрапляють пари, газо- та пилоподібні речовини, через шкіру переважно рідкі речовини. Через шлунково-кишкові шляхи потрапляють речовини під час ковтання, або при внесенні їх в рот забрудненими руками.

Основним шляхом надходження промислових шкідливих речовин в організм людини є дихальні шляхи. Завдяки величезній (понад 90 м²) всмоктувальній поверхні легенів утворюються сприятливі умови для потрапляння шкідливих речовин у кров.

Шкідливі речовини, що потрапили тим, чи іншим шляхом в організм можуть викликати отруєння (гострі чи хронічні). Ступінь отруєння залежить від токсичності речовини, ЇЇ кількості, часу дії, шляху проникнення, метеорологічних умов, індивідуальних особливостей організму. Гострі отруєння виникають в результаті одноразової дії великих доз шкідливих речовин (чадний газ, метан, сірководень).

Водень приймає участь в найважливіших динамічних процесах та реакціях в організмі - в біологічному окисненні, що забезпезпечує живі клітини енергією, в реакціях біосинтезу, в азотфіксації та синтезі бактерій, в підтримуванні кислотно-лужногї рівноваги, в процесах мембранного транспортування. Навіть без одного з цих процесів не можливе повноцінне життя. Таким чином, поряд з киснем та вуглецем водень утворює структурну та функціональну основи життя. Водень (протон) для людини нешкідливий, в організмі він відновлює мітохондрію.

NO₂ - бурий газ, що має характерний неприємний запах. Діоксин азоту сильно подразнює слизові оболонки дихальних шляхів. Вдихання отруйних парів оксиду азоту (IV) може призвести до серйозного отруєння. Він викликає сенсорні, функціональні та патологічні ефекти. До сенсорних можна віднести нюх та зорові реакції організму на дію NO₂. Навіть за малих концентрацій (0,23 мг/м³) людина відчуває присутність цього газу. Ця концентрація є границею виявлення діоксину азоту, через 10 хвилин вдихання, відчуття газу зникає і відчувається сухість та першінння в горлі. Таким чином, діоксин азоту послаблює нюх. Але також він послаблює нічний зір - властивість ока адаптуватися до темряви. Цей ефект спостерігається за концентрації 0,14 мг/м³, що, відповідно, нижче границі виявлення. Функціональним ефектом, що викликається діоксином азоту, є підвищення опору дихальних шляхів: у здорових людей за концентрації 0,056 мг/м³, у людей з хронічними хворобами легенів - 0,038 мг/м³ [8]. Патологічний ефект проявляється в тому, що NO₂ робить людину більш сприйнятною до патогенів, що викликають хвороби дихальних шляхів. У людей, що піддалися дії високих концентрацій діоксину азоту, часто спостерігаються катар верхніх дихальних шляхів, бронхіти, круп та запалення легенів. Крім того, діоксин азоту сам по собі може стати причиною захворювань дихальних шляхів.

Етаноламіни також мають негативний вплив на живі організми (людину) - виникає вегето-судинна дистонія, хронічні дифузійні бронхіти та змінюються функції печінки. В повітрі виробничої зони ГДК МЕА становить 1 мг/м³, для ДЕА - 5 мг/м³ та ТЕА 5 мг/м³ [8]. Оксид вуглецю (IV) також шкідливий для організму людину, велика його концентрація в повітрі викликає задуху, хоча він є нетоксичним. ГДК в робочій зоні складає 20 мг/м³ [8].

Для безпечного функціонування устаткування важливо здійснювати безперервне енергопостачання, виконувати всі роботи за строгою відповідністю до регламенту, а також проводити діагностичні вимірювання та своєчасний ремонт.



ВИСНОВКИ

Азотоводнева суміш досить широко використовується в промисловому виробництві, наприклад: для одержання водню, при очистці газів, при конверсії метану, синтезі аміаку та ін.

Вибір технологічної схеми очистки синтез-газу від СО₂ в значній мірі залежить від методу виробництва аміаку, а також від подальших стадій його переробки. У промислових умовах для очистки технологічного газу від СО₂ переважно використовується водний розчин моноетаноламіну концентрацією 10-30 % мас.

При необхідності тонкої очистки газу від СО₂ застосовують двоступеневу схему МЕА очистки. На першому ступені абсорбцією проводять за близького до атмосферного, де газ очищується до кінцевого вмісту 3-6% СО₂, а в другому ступені абсорбція СО₂ проводиться під тиском 2,0-3,0 МПа і, таким чином, досягається тонка очистка від СО₂ до 40 млн^-1. Останнім часом в азотній промисловості широке розповсюдження одержали схеми очистки з розділеними потоками насиченого і регенерованого розчинів і об?єднанням масо- та теплообміну. Ці схеми дозволяють зменшити витрати тепла за рахунок зниження температури парогазової суміші на виході з регенератора і одночасно покращити рекуперацію тепла регенерованого розчину.

Поряд з необхідністю даного виду очищення синтез-газу від СО₂, даний метод є досить токсичний та небезпечний для життя людини та навколишнього середовища, що підтверджується даними про негативні наслідки всіх компонентів цього процесу, які наведені вище.

В курсовій роботі була розрахована маса СО₂, що поглинається в абсорбері І ступеня (1652,06 кг) та подається в абсорбер ІІ ступеня (204,18 кг); маса розчину МЕА, що необхідна для очистки на І ступені (4873,09 кг) та ІІ ступені (599,27 кг). Також були розраховані необхідна кількість розчину 15%-го NaOН, що використовується для зрошення скруберів, 12,4 кг.

Після ІІ-го ступеня очищення азотоводневої суміші від СО₂, в ній залишилось 0,019% СО₂. Також був обраний та обґрунтований реактор МЕА чистки.



СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Обзор рынка аммиака в СНГ и прогноз его развития в условиях финансового кризиса. июнь, 2009.-184с.

2. Посилання: http://mynews-in.net/news/economy/2011/02/17/2261858.html

3. Очистка технологическх газов Под ред. Т.А.Семеновой. - М.: Химия, 1977. - 487с.

4. Методи розрахунків у технології неорганічних виробництв ч.1. Зв'язаний азот. Лобойко О.Я., Товажнянський Л.Л., Слабун І.О. та ін. - Харків: НТУ «ХПІ», 2001. - 512с.

5. Методы расчетов по технологии связанного азота. / Под ред. акад. АН УССР В.И.Атрощенко. - Киев: Вища школа, 1978. - 311с.

6. Товажнянський Л. Л. та ін. Технологія зв`язаного азоту / Під ред. О.Я. Лобойко. - Х.: НТУ "ХПІ", 2007. - 536 c.

7. Справочник азотчика / Под общей ред. Е.Я. Мельникова.-М.: Химя, 1967. т.1. - 492с.

8. Посилання: http://mozdocs.kiev.ua/view.php?id=4679

9. Загальна хімічна технологія: Методичні рекомендації та завдання для виконання домашніх і курсових робіт С.В. Іванов, Н.М. Манчук, П.С. Борсук. К.:НАУ, 2005 - 60 с.

Размещено на Allbest.ru