Очистка технологических газов от диоксида углерода

Размещено на http://allbest.ru

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(МАМИ)

Курсовая работа

Дисциплина: «Процессы и аппараты защиты окружающей среды»

Тема: «Очистка технологических газов от диоксида углерода»

Работу выполнил: Студент 4-го курса

Экологического фак-та

Панин Д.В.

Проверил: Пикулин Ю.Г.

Москва. 2014

План

Введение

1. Регенерация абсорбента

2. Задача (расчет)

Вывод

Список литературы

Введение

Современная промышленность, обеспечивающая материальные потребности общества, перерабатывает природные ресурсы в готовую продукцию, производит крупное количество отходов.

Количество ресурсов, используемых для выпуска продукции, а так же количество отходов, образующихся при производстве, являются двумя основными критериями совершенствования и модернизации технологических процессов. Поэтому задачи снижения ресурсоёмкости и уменьшения отходов актуальны, как в рамках решения проблем вредных выбросов, а так же рационального природопользования и для увеличения экономической эффективности предприятий.

Одним из таких, энергоёмких процессов является технология выделения диоксида углерода из технологических, колошниковых и дымовых газов. При этом СО2 является объектом, как целевого выделения, например, в производстве мочевины, так и балластом или «загрязняющей» примесью в технологических газах, являющейся ядом, например, при производстве некоторых видов минеральных удобрений.

Главным сырьём для производства азотсодержащих удобрений является аммиак, это производство включает в себя стадию абсорбционной очистки водородсодержащего синтез газа от диоксида углерода, затраты на которую составляют до 30 % от себестоимости аммиака.

Снижение ресурсоёмкости может быть достигнуто и в технологиях, где СО2 влияет на эффективность процесса. Известно, что в доменном процессе степень использования восстановительного потенциала углерода кокса менее 50 %.

Реакции восстановления железа прекращаются при увеличении концентрации диоксида углерода до термодинамически равновесной. Если удалить из колошникового газа диоксида углерода это позволит вернуть в домну неиспользованный монооксид углерода СО. Расход кокса снизится пропорционально увеличению степени использования его восстановительного потенциала, то есть более чем в два раза.

Пропорционально уменьшится количество вредных выбросов.

Таким образом, задачи разработки и создания технологических схем, массообменной аппаратуры и математического аппарата для их расчета, имея конечную цель - создание многотоннажных энерго- и ресурсосберегающих технологий, являются весьма перспективными и актуальными.

В процессе очистки технологических газов от диоксида углерода растворами моноэтаноламина (МЭА) протекают обратимые реакции с образованием карбоната и бикарбоната моноэтаноламмония, которые представлены ниже:

2RNH₂ + H₂O + CO₂ (RNH₃)₂CO₃

(RNH₃)₂CO₃ + H₂O +CO₂ 2RNH₃HCO₃

Где R - группа HOCH₂CH₂

1. Регенерация абсорбента

Способы технологической организации абсорбционные методы можно выделить разомкнутые и циркуляционные. Разомкнутый метод - абсорбент не подвергается регенерации, т.е. стадия десорбции отсутствует. Циркуляционный методы - абсорбент после прохождения абсорбции идет на стадию десорбции поглощенного газа. Десорбция происходит за счет сдвига равновесия газ - жидкость в сторону уменьшения растворимости газа одним из способов:

- снижением общего давления до атмосферного или более низкого;

- снижением парциального давления газа над раствором, это достигается отдувкой газа другим газом или отдувкой парами абсорбента;

- повышением температуры, это в подавляющем большинстве практически важных случаев приводит к снижению растворимости.

Преимуществами циркуляционных методов являются снижение расхода абсорбента, возможность выделения в чистом виде хорошо растворимых газов, но возрастает расход энергии и усложняется аппаратурно-технологическое оформление процесса.

К циркуляционным процессам относится, в частности, процесс очистки газов от диоксида углерода растворами МЭА.

Особенности технологической схемы МЭА очистки зависят от технологической схемы производства аммиака.

При абсорбции под давлением насыщенный раствор дросселирует только после теплообменников, иначе при повышенной температуре начинается десорбция газов, ухудшающая теплопередачу; при этом процессе появляются газовые мешки и усиливается коррозия в точках отрыва пузырьков газа.

Насыщенный раствор направляется в теплообменники по трубному пространству снизу вверх; в верхних точках теплообменников предусмотрены продувочные линии с направлением газа в регенератор или на сжигание.

В случае абсорбции под давлением возможны различные варианты десорбции горючих примесей. Целесообразно проводить этот процесс путем понижения давления. Полное удаление примесей произойдет при подогреве раствора.

Разработан вариант получения чистого углерода, основанный на отводе его из регенератора двумя потоками. Через верх регенератора уходит часть СО₂ и все примеси, а несколько ниже (на 2-3 тарелки) отбирается чистый диоксид углерода.

В последние годы в промышленности широкое распространение получили различные варианты схем МЭА очистки с разделенными потоками насыщенного и регенерированного абсорбента. Использование этих схем снижает расход тепла и увеличивает степень очистки газа.

При увеличении температуры равновесие химических реакций, протекающих при абсорбции, сдвигается влево: происходит десорбция СО₂ и соответственно регенерация МЭА. Десорбцию диоксида углерода осуществляют при нагреве до температуры кипения. При этом часть воды испаряется и образующийся водяной пар способствует отдувке растворенного диоксида углерода, являясь десорбирующим агентом.

Для регенерации необходимо количество теплоты, которое можно определить из уравнения теплового баланса процесса:

Q=Q_ДЕС+Q_H+Q_ОТД+Q_П,

Где Q_ДЕС - теплота, необходимая для десорбции CO₂ (численно равная теплоте абсорбции ¤пН); Q_Н- теплота, необходимая для нагревания раствора да температуры регенерации; Q_ОТД - теплота, затраченная на образование отдувочного пара (испарение воды), уходящего через верх регенератора, при отгонке CO₂; Q_П - тепловые потери в окружающую среду (обычно не более 5 %).

Для уменьшения этого расхода и снижения стоимости очистки в промышленных условиях стараются как можно полнее рекуперировать теплоту горячего регенерированного раствора, CO₂ и водяного пара. Тепловые потери в окружающую среду уменьшаются за счет теплоизоляции горячей аппаратуры и коммуникаций.

Расчет проводят, используя удельную теплоту, определяемую следующим образом:

q=q_ДЕС+q_H+q_ОТД=¤пН+(С_Р*¤пt_кип)/ ¤пх+r²*Ф₂,

где¤пt_кип -разность температур кипения раствора МЭА при степенях карбонизации на выходе из регенератора и на входе в него соответственно; индекс 2 соответствует условиям выхода раствора из регенератора, т.е. наибольшей температуре.

Чем больше давление в регенераторе, тем выше температура кипения раствора. Повышение температуры выгодно в тех случаях, когда теплота десорбции газа выше теплоты испарения растворителя. В данном случае при увеличении температуры кипения флегмовое число Ф уменьшается, так как давление газа над раствором растет быстрее, чем давление паров растворителя.

Таким образом, в отличие от многих процесоов физической и химической абсорбции, в данном случае целесообразно повышсить давление в регенераторе. Это позволяет при одинаковом расходе тепла полнее восстановить раствор.

Чем выше концентрация СО₂ в абсорбенте на входе в регенератор х₁, тем меньше циркуляция раствора и, следовательно, ниже расход тепла на нагрев, но при превышении степени карбонизации Ґб₁>0,5, скорость химической реакции резко снижается, а равновесное давление быстро возрастает. Так же при высокой степени насыщения раствора необходимо учитывать увеличение скорости побочных реакций и коррозии.

Увеличение концентрации МЭА при одинаковой степени карбонизации приводит к возрастанию равновесного давления СО₂ над раствором. Однако повышается абсолютная поглотительная способность раствора. Поэтому увеличивая концентрацию МЭА можно понизить циркуляцию раствора вследствие увеличения его поглотительной способности ¤пх , при этом снизить расход тепла на нагрев

q_H=C_P*¤пt_кип/¤пх.

Кроме того, уменьшается флегмовое число.

При увеличении поверхности теплообмена F ( и коэффициента теплоотдачи К) можно снизить расход тепла на нагрев раствора q_H, но чем меньше ¤пt и q_H сопровождается увеличением флегмового числа Ф₂ и расхода тепла на образование отдувочного пара. Оптимальную величину ¤пt_кип определяют технико-экономическим расчетом.

В регенераторе имеется критическое сечение при х₂<х_кр<х₁, где от количества отдувочного пара зависит расход тепла. При расчете процесса регенерации раствора во многих случаях необходим анализ равновесных условий по всей высоте аппарата, а не только на его концах.

2. Задача (расчет)

1) рассчитать поверхность теплообмена кипятильник;

2) составить материальный и тепловой балансы десорбера для регенерации водного раствора моноэтаноламина (МЭА).

Дано: Концентрация МЭА - Х_МЭА=15% масс.

Степень карбонизации раствора МЭА на выходе из регенератора - б_ВЫХ=0,1 моль/моль

Температура раствора на входе в регенераторе - Т_ВХ=363К

Расход раствора МЭА - G=4000 м³/ч

Концентрация СО₂ в растворе на входе - Х_СО2=25 об/об

Давление вверху - Р₁=0,12 МПа

Давление внизу - Р₂=0,19 МПА

Коэффициент теплопередачи - К=4500 Вт/(м²*К).

Расчет: При нормальных условиях 1 к моль СО₂ занимает объем 22,26 м³.

Степень карбонизации насыщенного раствора

б₁=Х₁*М_МЭА/(10*22,26*Ґс*Х_МЭА) (1.1)

б₁ =(25*61,084)/(10*22,26*1*15)=0,46 к моль СО₂/к моль МЭА.

При б₂ =0,1 к моль СО₂/к моль МЭА

Х₂=10*б₂*22,26*Ґс*Х_МЭА/М_МЭА (1.2)

Х₂ =(10*0,1*22,26*1*15)/61,084=5,46 м³ СО₂/м³

б _СР=( б₁+ б₂)/2=(0,46+0.1)/2=0,28 к моль СО₂/к моль МЭА.

Интегральная теплота растворения СО₂ в водном МЭА при изменении степени карбонизации б от 0,1 до 0,5 составляет

¤пН=3669,5*ехр(-1,376* б²_СР) (1.3)

¤пН =3669,5*ехр(-1,376*0,28²)=3294 к Дж/м³ СО₂.

По равновесным данным определяем температуру кипения раствора вверху регенератора - t₁=96°C при б₁=0,5 и давлении Р₁=0,12 Мпа (lgР₁=5,07)

При давлении внизу регенератора Р₂=0,19 Мпа (lgР₂=5,28) и б₂=0,1 определяем аналогично температуру кипения раствора - t₂=118°С

¤пt_кип=t₂-t₁=118-96=22°С

¤пX=X₁-X₂=25-5,46=19,54 м³ СО₂/м³. T_ср=107°С

Для 15%-го раствора МЭА теплоемкость

С_р=3,276-8,374*10^-3*Х_МЭА+3,64*10^-3*t_ср (1.4)

С_р =3,276-8,374*10^-3*15+3,64*10^-3*107 =3,539к Дж/(кг*К)

Теплоту парообразования воды рассчитываем по уравнению

r_н2о=3238,56-2,626*Т₂

r_н2о =3238,56-2,626*(273+118)=2211,8 к Дж/кг пара

Или с учетом плотности водяного пара

Ґс_пара=10^{5,161-2009,14/391}=1,054кг/м³ пара

получаем r_н2о=2211,8 к Дж/м³

Парциальное давление водяных паров над раствором МЭА при 118°С

Р_Н2О=1,8623*9,81*10⁴=182691,6 Па

Р=Р₂=0,19 МПа=190000 Па

Массовая доля воды в растворе

m=(100-Х_МЭА)/М_Н2О/[(100-Х_МЭА)/М_Н2О+(Х_МЭА/М_МЭА)] (1.5)

m =(100-15)/18/[(100-15)/18+(20/61.084)]=0.936.

Находим флегмовое число:

Ф₂=m*P_H2O/(P-m*P_H2O) (1.6)

Ф₂ =(0.936*182691.6)/(190000-0.936*182691.6)=8.99.

Для того, чтобы привести второе слагаемое в уравнении к размерности (к Дж/м³ СО₂), необходимо его умножить на плотность раствора.

При t_СР плотность раствора МЭА Ґс=976 кг/м³

Находим удельную теплоту регенерации:

Q=¤пH+C_р*¤пt_КИП* с/¤пХ+Ф₂*r₂ (1.7)

Q =3294+(3,539*22*976)/19,54+8,99*2211,8=27066,98 к Дж/м³ СО₂

Количество СО₂, уходящего из верхней части регенератора, находим по уравнению материального баланса

G=L*¤п¬·, (1.8)

отсюда находим L =G/¤пX=4000/19,54=204,7 м³/ч

Общий расход тепла на регенерацию МЭА:

Q=G*q=4000*27066,98=108267920 к Дж/ч/3600 с=30*10⁶ Вт (1.9)

Принимаем температуру греющего пара на 2-3 градуса выше наибольшей температуры в регенераторе - температуры регенерированного раствора t_пара=t₂+3=118+3=121°C

Средняя логарифмическая разность температур

¤пt_СР=(¤пt₁-¤пt₂)/ln(¤пt₁/¤пt₂) (1.10)

¤пt_СР =[(121-96)-(120-118)]/ln[(121-96)/(121-118)]=9.12°

При известной величине коэффициента теплопередачи К=4500 Вт/(м²*К) поверхность теплообмена кипятильника вычисляем по основному уравнению теплопередачи:

Q=K*F*¤пt_СР , (1.11)

А именно,

F=Q/(K*¤пt_СР)= 30*10⁶/(4500*9.12)= 730,99 м²=731 м² (1.12)

Вывод: - Для регенерации 204,7 м³/ч раствора МЭА с начальной концентрацией СО₂ 25 м³ СО₂/м³ до степени карбонизации 0,1 кмоль СО₂/кмоль МЭА потребуется кипятильник с поверхностью теплообмена 731 м³.

доменный газ очистка абсорбция

Список литературы

1. Кузнецов А.А., Судаков Е.Н. Расчеты основных процессов и аппаратов переработки углеводородных газов. М.: Химия, 1983 (стр 4-8)

2. Справочник азотчика. М.: Химия, 1986. (стр 9)

3. http://www.dissercat.com/content - разработка технологических схем. (стр 3-4)

Размещено на Allbest.ru