Очистка конвертированного газа в производстве аммиака от диоксида углерода растворами горячего поташа
Министерство
образования и науки Российской Федерации
Федеральное
государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Пермский
национальный исследовательский политехнический университет
Кафедра
Химические технологии
КУРСОВОЙ
ПРОЕКТ
По
дисциплине: Общая химическая технология
ОЧИСТКА
КОНВЕРТИРОВАННОГО ГАЗА ОТ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА РАСТВОРОМ ГОРЯЧЕГО ПОТАША В
ПРОИЗВОДСТВЕ АММИАКА
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение. Краткое изложение
существа работы
. Выбор и обоснование источников
сырья, энергоресурсов, географической точки строительства
. Выбор и обоснование способа
производства
. Обоснование оптимальных
параметров технологического процесса
.1 Термодинамический анализ
.2 Кинетический анализ
. Синтез и анализ ХТС
.1 Химическая модель
.2 Структурная схема
.3 Операторная схема
Технологическая схема
. Выбор и основание
конструкции основного аппарата
Эскиз основного аппарата
. Расчет материального и
энергетического балансов. Определение расходных норм по сырью и энергии. Пути
использования вторичных энергоресурсов
.1 Материальный баланс процесса
.2 Тепловой баланс
.3 Расходные нормы по сырью и
энергии
.4 Пути использования вторичных
ресурсов
. Экологическая оценка
производства. Отходы производства и их утилизация. ПДК
Заключение
Список литературы
1. ВВЕДЕНИЕ. КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА РАБОТЫ
Во всех индустриально развитых странах азотная
промышленность является в настоящее время одной из основных ведущих отраслей.
Бурное развитие азотной промышленности диктуется в первую очередь
необходимостью удовлетворения неудержимо растущего населения земного шара
продуктами земледелия. Без минеральных удобрений, и в первую очередь азотных,
невозможно решить задачи интенсификации сельского хозяйства.
Производству азотных удобрений и их основы,
аммиака, в нашей стране всегда уделялось первостепенное внимание. Среднегодовой
прирост темпа аммиака за последние 20 лет составляет 10-19%.
Технологический газ, пригодный для синтеза
аммиака, может быть получен практически из любого углеводородного сырья:
природного газа, попутного газа нефтедобычи, газов переработки нефти, из нефти
и ее производных: бензинов, мазутов, из каменного и бурого углей, сланцев и
торфа. Основным сырьем производства аммиака (и азотных удобрений на его основе)
в нашей стране является природный газ. Производство аммиака подразделяется на 6
стадий:
1. Подготовка природного газа к конверсии
(сероочистка);
. Двухступенчатая паровоздушная конверсия
(риформинг) природного газа;
. Конверсия оксида углерода водяным
паром;
4. Очистка конвертированного газа от
диоксида углерода;
. Метанирование оксидов углерода;
. Синтез аммиака
Важную роль в производстве аммиака играет
очистка газов[1]. 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.
К настоящему времени на практике применяются
следующие виды очистки конвертированного газа от СО2:
· Абсорбция растворами карбонатов
· Абсорбция органическими
растворителями
· Водная и щелочная очистка
· Очистка водным раствором аммиака
В большем количестве получил распространение
метод поташной очистки (в зависимости от предприятия и технологической схемы
горячие поташные растворы или растворы, активированные соединениями мышьяка).
2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ СЫРЬЯ,
ЭНЕРГОРЕСУРСОВ, ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ТОЧКИ СТРОИТЕЛЬСТВА
Процесс производства аммиака характеризуется
большой энергоемкостью, что является главным его недостатком. Именно поэтому
постоянно ведутся научные разработки, которые призваны решить проблемы экономии
энергии. В частности разрабатываются способы утилизации выделенной энергии, а
также совмещение, например, производства аммиака и карбамида. Все это
способствует удешевлению деятельности предприятий и повышению их полезной
отдачи.
Первостепенным энергоресурсом будет являться
электроэнергия, расходуемая на работу оборудования: насосы, компрессоры,
установок, предназначенных для нагрева (котлы, печи) посредством электрической
энергии. Помимо технологического применения электричество используется для
освещения производственных помещений. Основным теплоносителем и хладагентом
будет являться водяной пар и вода.
Сама технологическая схема производства аммиака
зависит, прежде всего, от сырья, из которого получается конечный продукт. Дело
в том, что, в отличие от азота, который содержится в воздухе в больших
количествах, водород в чистом виде в природе практически не присутствует, а
выделять его из воды - довольно трудоемкий и энергозатратный процесс[2].
Географическое расположение подразумевает
размещение завода вблизи основного сырья - месторождений газа или заводов
нефтепереработки, которые могут предоставить попутный нефтяной газ или
природный газ на продажу.
Начнем рассмотрение процесса с изучения сырья и
получаемого целевого продукта. В качестве сырья для производства аммиака в
основном используются углеводороды, содержащиеся в природном газе. По
использованию окислителя и технологическому оформлению можно выделить следующие
варианты процесса получения водородосодержащих газов: высокотемпературная
кислородная конверсия, каталитическая парокислородная конверсия в шахтных ҏеакторах,
каталитическая пароуглекислотная конверсия в трубчатых печах. Перед
переработкой конвертированного природного газа необходимо провести процесс
очистки. Очистка технологического газа направлена на снижение концентрации
диоксида углерода с последующим его выводом из системы.
Оксид углерода(IV) - углекислый газ, газ без
запаха и цвета, при сильном охлаждении кристаллизуется в виде белой
снегообразной массы - «сухого льда». При атмосферном давлении он не плавится, а
испаряется, температура сублимации −78 °С. Углекислый газ образуется при
гниении и горении органических веществ. Содержится в воздухе и минеральных
источниках, выделяется при дыхании животных и растений. Растворим в воде (1
объём углекислого газа в одном объёме воды при 15 °С). Плотность при нормальных
условиях 1,97 кг/м³. Концентрация
углекислого газа в атмосфере Земли составляет в среднем 0,0395 %. Углекислый
газ легко пропускает ультрафиолетовые лучи, и лучи видимой части спектра,
которые поступают на Землю от Солнца и обогревают её. В то же время он
поглощает испускаемые Землёй инфракрасные лучи и является одним из парниковых
газов, вследствие чего принимает участие в процессе глобального потепления.
Постоянный рост уровня содержания этого газа в атмосфере наблюдается с начала
индустриальной эпохи.
Диоксид углерода играет одну из главных ролей в
живой природе, участвуя во многих процессах метаболизма живой клетки,
получается в результате множества окислительных реакций у животных, и
выделяется в атмосферу с дыханием. Углекислый газ атмосферы - основной источник
углерода для растений. Однако, ошибкой будет утверждение, что животные только
выделяют углекислый газ, а растения - только поглощают его. Растения поглощают
углекислый газ в процессе фотосинтеза, а без освещения они тоже его выделяют.
Диоксид углерода не токсичен, но не поддерживает
дыхание. Большая концентрация в воздухе вызывает гиперкапнию - состояние,
связанное с избытком CO2 в крови (оно может вызываться и задержкой дыхания),
когда его парциальное давление превышает 45 мм рт. ст. Однако недостаток
углекислого газа в крови (гипокапния, возникающая, например, при
гипервентиляции лёгких) тоже опасен.
В пищевой промышленности углекислота
используется как консервант и разрыхлитель, обозначается на упаковке кодом
Е290. Так же применяется для газирования лимонада и газированной воды, в
качестве защитной среды при сварке проволокой. «Сухой лёд» - используется в
качестве хладагента.
Очистку будем проводить поташным раствором,
рассмотрим его свойства. Карбонат калия (углекислый калий, пота́ш)
K2CO3 - средняя соль калия и угольной кислоты. Это белое кристаллическое
вещество, хорошо растворимое в воде. Малотоксичен, относится к III классу
опасности. Старое название соли - пота́ш,
от лат. Potassa. Поташ - одна из солей, известных людям ещё в древности. Обычно
поташ загрязнён различными примесями, поэтому не имеет такого чисто-белого
цвета, как измельчённый карбонат калия. До XX века поташ был одним из важнейших
промышленных химических реагентов. Его получали путём водной экстракции из
растительной золы, с дальнейшей очисткой до необходимого уровня. Производство
было сосредоточено в местах, богатых лесом - кое-где в Европе, но, в основном,
в России и Северной Америке.
В промышленности используют следующие виды
поташа: кальцинированный и полутораводный. В зависимости от физико-химических
свойств поташ подразделяется также на первый, второй и третий сорт. Используется
в химической и стекольной промышленности, в пожарном деле, в легкой
промышленности и в других отраслях. В строительстве поташ применяют в качестве
противоморозной добавки, в химической - для изготовления красок, в легкой - для
выделки кож. Также поташ применяется в изготовлении моющих средств. Он служит
сырьем для производства оптического стекла. В пожарном деле поташом
обрабатывают деревянные строения и конструкции. В сельском хозяйстве поташ
применяется в качестве удобрений, т.к. калий является жизненно важным элементом
для растений. Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E501.
3.
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА
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 %
объемных. 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:
· Водная очистка под давлением, а
также физическая абсорбция органическими растворителями, имеющими низкое
давление паров при обычной температуре
· Моноэтаноламиновая очистка при
атмосферном давлении
· Очистка горячим раствором поташа
Для тонкой очистки газа от двуокиси углерода
применяются следующие способы:
· Моноэтаноламиновая очистка под
давлением
· Очистка водными растворами щелочей
· Низкотемпературная очистка
органическими растворителями с одновременным удалением из газа двуокиси
углерода и органических сернистых соединений
· Каталитическое гидрирование,
осуществляемое совместно с очисткой от окиси углерода
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 уравнению:
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.
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.
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.
Очистка газов от СО2 горячим раствором поташа
Данный процесс основан на абсорбции кислых газов
водными растворами карбонатов калия и натрия, содержащими активирующие добавки
поливалентных металлов (As,
Se, Te,
Sb) или циклических
органических соединений. В промышленности в качестве таких активирующих добавок
получили соединения мышьяка, вводимые в растворы, как правило, в виде
мышьяковистого ангидрида.
Реакции поглощения двуокиси углерода можно
представить в виде следующих уравнений:
CO3 + H2O + CO2=2 KHCO3AsO3 + CO2+
H2O= KHCO3 + H3AsO33AsO3
+ K2CO3=
KHCO3+ KH2AsO3
Эффективность абсорбции CO2
горячими растворами поташа, активированными мышьяком, зависит от температуры,
парциального давления двуокиси углерода и водяного пара над раствором,
концентрации активирующей добавки и щелочности раствора.
Регенерация отработанных растворов с целью
выделения из них поглощенной двуокиси углерода производится путем снижения
давления раствора, поступающего на регенерацию. При регенерации таких растворов
воздухом возникает опасность окисления трехвалентного мышьяка в пятивалентный,
обладающий сильными кислотными свойствами, что снижает эффективность
абсорбента. Это нежелательное явление устраняется при частичном отборе раствора
для его последующего восстановления.
Недостатками метода очистки синтез-газа
моноэтаноламином являются коррозионные свойства растворителя, высокий расход
электроэнергии и пара для отгонки растворителя. Промывку синтез-газа горячим
раствором карбоната калия выгодно применять при давлениях 14 ат.
Щелочная очистка газа от СО2
Очистка газов от СО2 водным раствором едкого
натра NaOH основана на необратимой реакции:
+ 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
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).
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.
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.
Сравнение различных методов очистки
При выборе процесса очистки окончательным
критерием является величина приведенных затрат, зависящих в основном от
энергетических и капитальных 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.
Наиболее распространенный производственный
вариант достаточно полной очистки - очистка горячим раствором поташа. Метод не
требует больших затрат на энергию и сырье, протекание процесса позволяет
повторно использовать некоторые ресурсы.
.
ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Очистка конвертированного газа
от CO2 - процесс,
протекающий в несколько стадий. Во-первых, происходит физическая абсорбция газа
(растворение), во-вторых - химическая реакция, результатом которой является
связывание растворенного (абсорбированного) газа. Протекание абсорбционных
процессов характеризуется их статикой и кинетикой:
Статика абсорбции, т. е.
равновесие между жидкой и газовой фазами, определяет состояние, которое
устанавливается при весьма продолжительном соприкосновении фаз. Равновесие
между фазами определяется термодинамическими свойствами компонента и
поглотителя и зависит от состава одной из фаз, температуры и давления.
Кинетика абсорбции, т. е.
скорость процесса массообмена определяется движущей силой процесса (т. е.
степенью отклонения системы от равновесного состояния), свойствами поглотителя,
компонента и инертного газа, а также способом соприкосновения фаз (устройством
абсорбционного аппарата и гидродинамическим режимом его работы). В
абсорбционных аппаратах движущая сила, как правило, изменяется по их длине и
зависит от характера взаимного движения фаз (противоток, прямоток, перекрестный
ток и т. д.).
Различают физическую абсорбцию
и хемосорбцию.
При физической абсорбции
растворение газа не сопровождается химической реакцией (или, по крайней мере,
эта реакция не оказывает заметного влияния на процесс). В данном случае над
раствором существует более или менее значительное равновесное давление
компонента и поглощение последнего происходит лишь до тех пор, пока его
парциальное давление в газовой фазе выше равновесного давления над раствором.
Полное извлечение компонента из газа при этом возможно только при противотоке и
подаче в абсорбер чистого поглотителя, не содержащего компонента.
При хемосорбции (абсорбция,
сопровождаемая химической реакцией) абсорбируемый компонент связывается в
жидкой фазе в виде химического соединения. При необратимой реакции равновесное
давление компонента над раствором ничтожно мало и возможно полное его
поглощение. При обратимой реакции над раствором существует заметное давление
компонента, хотя и меньшее, чем при физической абсорбции. Уравнение реакции,
лежащей в основе хемосорбции рассматриваемого процесса при очистке
конвертированного газа:
K2CO3
+ H2O
+ CO2=2 KHCO3
Бикарбонат калия взаимодействует с растворенным
углекислым газом, связывая его, что влияет на изменение парциального давления
над раствором. С помощью термодинамического анализа определим термодинамические
условия протекания процесса, температуру, давление, концентрацию компонентов;
определим тепловой эффект реакции и температуру начала реакции. Так же найдем
условия протекания побочных реакций и условия максимального выхода целевого
продукта (в случае очистки подразумеваем максимальное связывание примесей в
ходе протекающей реакции).
4.1 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ
АНАЛИЗ
Воспользуемся энтропийным методом для расчета
энергии Гиббса:
Термодинамические константы исходных веществ и
продуктов реакции взяты из справочной литературы[3] и представлены в таблице
3.1.
Проводим расчет и по формулам:
89,48 кДж/моль
89,48 кДж/моль
Таблица 4.1.1
Термодинамические константы
участников основной реакции
Термодинамическая
величина
|
Вещество
|
|
K2CO3
|
H2O
|
CO2
|
KHCO3
|
, кДж/моль-1150,18-285,83-393,51-959,5
|
|
|
|
|
, Дж/моль·К155,5268,95213,66128,7
|
|
|
|
|
Реакция идет с небольшим выделением тепла
(экзотермична), для смещения равновесия к продуктам необходимо отводить тепло
от системы. За счет последующего применения отведенного тепла к другим
процессам можем снизить затраты на энергию (вторичный энергоресурс).
Дж/моль·K
Процесс трудно осуществить при
атмосферном давлении, так как энтропия отрицательна. Определим температуру
начала реакции, используя следующее условие:
На основе температуры начала реакции
выберем температурный интервал расчета энергии Гиббса: 300600 К. С помощью энтропийного метода
проведем расчет при различных температурах:
= 89480 300· (182,13) = 34841 Дж/моль
= 89480 400· (182,13) = 16628 Дж/моль
= 89480 430· (182,13) = 11164 Дж/моль
= 89480 460· (182,13) = 5700,2 Дж/моль
= 89480 500· (182,13) = 1585 Дж/моль
= 89480 600· (182,13) = 19798 Дж/моль
Отобразим полученные данные на
графике (рис. 4.1) в координатах . Сделаем вывод о влиянии
температуры на протекание реакции. Термодинамическая вероятность протекания
основной реакции с увеличением температуры уменьшается, необходимость отведения
тепла от системы подтверждается.
Рис. 4.1.1 График зависимости энергии Гиббса
от температуры
аммиак двуокись углерод
абсорбция
Зависимость константы равновесия от
температуры может быть представлена в виде уравнения:
Рассчитаем значения констант
равновесия в указанном интервале температур, результаты представим в виде
таблицы 4.2. Построим график зависимости константы равновесия от температуры
протекания процесса.
Таблица 4.1.2
Значения константы равновесия основной реакции
при различных температурах
Температура,
К
|
K2CO3 + H2O + CO2=2 KHCO3
|
|
lgKp
|
Kp
|
300
|
6,073
|
9,3 1013
|
400
|
2,174
|
149,250
|
430
|
1,358
|
22,790
|
460
|
0,648
|
4,447
|
500
|
-0,166
|
0,683
|
600
|
-1,726
|
0,019
|
Рис. 4.1.2 График зависимости константы
равновесия от температуры
Термодинамический анализ процесса
очистки конвертированного газа от диоксида углерода раствором поташа позволил
сделать следующие выводы:
1. В рассматриваемом интервале температур
(300-600 К) термодинамическая вероятность самопроизвольного протекания процесса
уменьшается, о чем свидетельствует значение энергии Гиббса.
. Согласно принципу Ле-Шателье увеличение
давления способствует смещению равновесия в сторону продуктов реакции
(Растворимость СО2 в горячем растворе поташа в значительной степени зависит от
парциального давления двуокиси углерода над раствором)
. Увеличение концентрации раствора поташа
по сравнению со стехиометрическим ведет к смещению равновесия в сторону
продуктов реакции (предельная концентрация соли в горячем растворе 40%, т.к.
дальше наблюдается выпадение осадка); горячие растворы поташа вызывают
коррозионное разрушение углеродистой стали, поэтому в растворы добавляют
ингибиторы коррозии.
4.2 КИНЕТИЧЕСКИЙ
АНАЛИЗ
В качестве побочной реакции рассмотрим процесс,
который применяют для выделения поглощенного газа (абсорбтива) из абсорбента и
получения его в чистом виде, а также для повторного использования абсорбента в
процессе абсорбции. Для проведения десорбции газа из жидкости необходимо, чтобы
концентрация этого газа в газовой фазе была ниже концентрации, соответствующей
равновесной в системе газ - жидкость. На практике для проведения процесса
десорбции используют три следующих метода:
· отгонку в токе инертного газа или
водяного пара;
· отгонку под действием подводимой к
абсорбенту теплоты;
· отгонку при снижении давления над
абсорбентом
Учитывая термодинамическую вероятность
самопроизвольного протекания основной реакции, заключаем, что в интервале
температур 300-600 К возможно протекание обратной реакции (десорбции газа), при
подведением тепла к системе.
В общем случае метод хемосорбционной очистки
обладает рядом особенностей оп сравнению с физической абсорбцией:
· Возможность абсорбции при низком
парциальном давлении вследствие более высокой поглотительной абсорбции
раствора;
· Относительно малая циркуляция
раствора и соответственно небольшой расход энергии на перекачку сорбента;
· Регенерацию осуществляют, как
правило, путем нагревания в сочетании со сбросом давления, при этом расход
тепла на десорбцию относительно невелик;
· Регенерацию проводят часто при
кипении абсорбента, его пары могут играть роль десорбирующего агента;
· Возможность проведения весьма тонкой
очистки;
· Увеличение коррозии и протекание
побочных реакций, обусловленных применением повышенных температур и щелочных
агентом - сильных и слабых электролитов
Метод поташной очистки основан на применении относительно
дешевого абсорбента, но имеет ряд недостатков: малая растворимость карбоната в
воде (особенно бикарбоната) при обычной температуре, низкая скорость абсорбции,
что приводит к необходимости значительной циркуляции раствора и обуславливает
увеличение габаритов аппаратов. Кроме того, равновесное парциальное давление
СО2 над растворами поташа относительно велико, и не удается достичь тонкой
очистки газа (0,08 -0,15% СО2 в газе после очистки). Преимущество метода -
сравнительно низкий расход тепла на регенерацию.
Скорость процесса абсорбции может быть
рассмотрена через применение основного уравнения массопередачи[4]. Если
выразить движущую силу процесса в концентрациях газовой фазы (парциальные
давления), то оно принимает следующий вид:
Где - средняя движущая сила процесса,
выраженная в единицах давления;
- коэффициент массопередачи,
отнесенный к единице движущей силы, выраженной через парциальные давления
поглощаемого газа;
Химическая реакция, сопровождающая
процесс абсорбции, оказывает существенное влияние на кинетику процесса, т.к.
скорость определяется не только интенсивностью массопереноса, но и скоростью
протекания химической реакции. Благодаря химической реакции растворенный CO2 переходит
в связанной состояние (KHCO3). Концентрация свободного
газа в жидкости уменьшается, а процесс абсорбции ускоряется (рост величины ), в сравнении с абсорбцией без
химического взаимодействия фаз[1]. Скорость хемосорбция зависит как от скорости
химической реакции, так и от скорости массопереноса между фазами. В зависимости
от лимитирующего процесса различаются кинетическую и диффузионную области
процесса хемосорбции.
Кинетическая область определяется
как протекание процесса, при котором скорость химического взаимодействия меньше
скорости массопереноса. В диффузионной области лимитирующая стадия - скорость
диффузии компонента в зоне реакции, которая зависит от гидродинамических
условий в системе и физических свойств.
Абсорбция, как и другие процессы,
протекает на границе раздела фаз. Как следствие - абсорбционные аппараты (далее
- абсорберы) должна иметь развитую поверхность контакта между жидкой и газовой
фазами. Абсорберы по своим конструктивным особенностям делят на следующие
основные группы: пленочные, насадочные, тарельчатые, распыливающие. На практике
очистка конвертированного газа от CO2 проводится
в насадочных колоннах. Варьирование площади поверхности раздела фаз происходит
за счет смены насадки. Основные применяемые виды - кольца Рашига и седловидная
насадка Берля.
Значения коэффициентов абсорбции CO2 растворами
карбонатов могут быть вычисленные по уравнениям[4]:
Где - объемный коэффициент абсорбции,
отнесенный к газовой пленке, кмоль/(м3·ч·атм)
L - расход жидкости,
кг/(м3·ч)
- удельная поверхность несмоченной
насадки, м2/м3
C’, n -
константы, зависящие от типа насадки
Где - объемный коэффициент абсорбции,
отнесенный к газовой пленке, кмоль/(м3·ч·атм)
- удельная поверхность насадки,
м2/м3
a - 0,288 +
0,00316u, (u - плотность
орошения), м3/(м2ч)
b = 0,0059
- вязкость раствора
Таблица 4.2
Насадка
|
|
n
|
|
Кольца
Рашига d=9,5 мм d=25 мм
|
1,53
0,81
|
0,56
0,36
|
485
190
|
Седловидная
(насадка Берля), l = 25 мм
|
1,00
|
0,42
|
259
|
Выводы теоретического анализа:
. По условиям равновесия абсорбция
происходит тем полнее, чем ниже температура. Однако, скорость абсорбции тем
выше, чем выше температура. На основании сопоставления термодинамических и
кинетических факторов выбираем оптимальную температуру абсорбции 35-100оС.
Реакции, протекающие при очистке, являются экзотермическими и обратимыми, при
повышении температуры раствора химическое соединение разлагается с выделением
исходных компонентов, регенерация раствора протекает при 120-135оС.
. Согласно принципу Ле-Шателье увеличение
давления способствует смещению равновесия в сторону продуктов реакции. На
производстве применяется абсорбционный метод с давлением 2,5 - 2,8 мПа, с
последующей тонкой очисткой растворами моноэтаноламина или едкого натра.
. При десорбции применяется
дросселирование поглотительного раствора, при котором раствор вскипает и CO2
выдувается образующимся водяным паром.
. На основании справочных данных о
влиянии степени карбонизации на температуру выпадения твердой фазы в водных
растворах K2CO3,
выбираем оптимальную концентрацию раствора 30 - 40%.
.
СИНТЕЗ И АНАЛИЗ ХТС
5.1 ХИМИЧЕСКАЯ
МОДЕЛЬ
Абсорбционная очистка газа - циклический
процесс, на стадии абсорбции диоксид углерода поглощается растворителем,
очищенный газ отправляется на последующую переработку, а насыщенный раствор
регенерируют, что требует дополнительного расхода энергии. Процесс абсорбции
проводим в массообменном аппарате типа насадочной колонны (насадка - кольца
Рашига или седловидная насадка Берля).
Первоначально происходит физическая абсорбция CO2
раствором, после чего поглощенный диоксид углерода вступает в реакцию с
карбонатом калия. Благодаря химической реакции растворенный CO2
переходит в связанной состояние (KHCO3).
Концентрация свободного газа в жидкости уменьшается, а процесс абсорбции
ускоряется. Особую важность представляет десорбция компонента и вторичное
использование поташного раствора в целях экономии сырья. При десорбции
применяется дросселирование поглотительного раствора, при котором раствор
вскипает и CO2 выдувается
образующимся водяным паром.
Очистка газа поташным раствором основана на
взаимодействии диоксида углерода с карбонатом калия по суммарному уравнению
2CO3
+ H2O
+ CO2 = 2 KHCO3
Скорость реакции практически полностью
лимитируется скоростью медленно протекающей реакции в жидкой фазе
СO2
+ ОН- = HCO3-
5.2 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА
Схема 4.2.1 Структурная схема очистки
конвертированного газа от СО2 раствором горячего поташа
Метод основан на применении относительно
дешевого абсорбента, но имеет ряд недостатков: малая растворимость карбоната в
воде (особенно бикарбоната), низкая скорость абсорбции, что приводит к
необходимости значительной циркуляции раствора и обуславливает увеличение
габаритов аппаратов. Кроме того, равновесное парциальное давление СО2 над
растворами поташа достаточно велико, и не удается достичь тонкой очистки газа
(0,08 - 0,15% СО2 в газ после очистки). Преимущество метода - сравнительно
низкий расход тепла на регенерацию.
5.3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА
Проведен анализ различных технологических схем,
представленных в литературе[1] [4] [5] [8] [9]. Выделены следующие виды схем: с
разделенным потоком, схема поташной очистки с активатором, схема поташной
очистки без активатора.
Описание технологической схемы
Газ под давлением 12,5 - 15 атм при температуре
155оС, которая развивается при сжатии его в компрессоре, поступает в
теплообменник 1, куда подводится отработанный раствор после абсорбции. Часть
тепла газ передает раствору, охлаждаясь при этом до температуры 125-130 оС,
затем проходит водяной холодильник 2, где охлаждается до 122оС, и через
влагоотделитель 3 поступает в абсорбер 4.
В абсорбере имеется несколько слоев насадки из
колец Палля. Сюда подается регенерированный раствор поташа, 2/3 которого из
регенератора 5 поступает в нижнюю часть абсорбера при температуре 102 °С.
Примерно 1/3 раствора охлаждается в водяном холодильнике до 80 °С и затем
подается в верхнюю часть абсорбера. Такая схема циркуляции раствора
способствует снижению остаточного содержания СО2 в газе.
В абсорбере 4 газ очищается с 18 - 19% начальной
концентрации СО2 до остаточного содержания 0,3 - 1,5% и при температуре 80 °С
выходит из абсорбера. Далее очищенный газ охлаждается в водяных холодильниках
и, пройдя влагоотделитель, поступает на сжатие в газовые компрессоры.
Отработанный поташный раствор удаляется из
абсорбера через автоматический клапан регулятора уровня, проходит теплообменник
1 и дросселируется в верхнюю часть регенератора 5, где поддерживается
избыточное давление порядка 0,06 - 0,07 атм. При этом из раствора выделяется
двуокись углерода, концентрация которой достигает 99,5 - 99,8% СО2.
Регенератор представляет собой вертикальный
колонный аппарат с двумя слоями насадки из колец Палля. Раствор стекает сверху
вниз по насадке; при нагревании его парам из раствора выделяется двуокись
углерода. К низу регенератора подключен выносной подогреватель, в котором
раствор нагревается глухим паром до 104 - 105 °С.
Горячий регенерированный раствор перекачивается
из регенератора насосом 8 на орошение абсорбера 4. Уровень раствора в
регенераторе регулируется изменением подачи свежего конденсата в куб этого
аппарата.
Операторная и технологическая схема поташной
очистки конвертированного газа от СО2 приведены в приложениях 1 и 2
соответсвенно.
.
ВЫБОР И ОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЯ ОСНОВНОГО АППАРАТА
Основными аппаратами на стадии очистки являются
абсорберы[7] и регенераторы, в которых осуществляются массообменные процессы
поглощения и выделения диоксида углерода.
К массообменной температуре очистки предъявляют
следующие требования:
· Большая пропускная способность по
газу и жидкости, что позволяет создать малогабаритные аппараты и делает
возможным их транспортирование по железной дороге с завода изготовителя
· Высокая степень насыщения хемосорбента
а абсорбере, что обеспечивает высокие технико-экономические показатели процесса
· Глубокая степень извлечения СО2 из
газа, остаточное содержание не должно превышать 0,03 - 0,15% об.
· Минимальный расход тепла в
регенераторе
· Стабильность в работе и легкость
регулирования работы аппарата
Для очистки технологического газа от СО2 в
крупнотоннажных агрегатах производства аммиака используют насадочные колонны
(для случая не активированного поташного раствора). Массообменные аппараты с
нерегулярной насадкой обеспечивают высокую надежность эксплуатации в широком
диапазоне нагрузок по газу и жидкости, что важно для агрегатов большой
единичной мощности. В качестве насадки в абсорберах и регенераторах применяют
кольца Рашига, насадку Берля, металлические кольца Палля, керамические седла
Инталлокс.
Абсорбер представляет собой двухсекционный
аппарат, верхняя секция имеет диаметр 3,9, нижняя - 4,2 м. Аппараты изготовляют
из конструкционной низколегированной стали 09Г2С с термообработкой сварных
швов. Рабочий диапазон температур для стали от -70оС до +450оС.
Общий вид абсорбера поташной очистки из
справочной литературы [5] и показан в приложении 3 Технологические и некоторые
конструктивные данные, характеризующие абсорбер приведены в таблице 5.1.,
проведен сравнительный анализ представленных данных на основе расчетов из
литературы[6].
Таблица 5.1
Технологические и конструктивные характеристики
абсорбера поташной очистки
Показатель
|
Значение
|
Диаметр
аппарата, м
|
4,242/2,740
|
Высота
аппарата, м
|
58,5
|
Характеристика
насадки, м
|
|
нижняя
секция, 3 слоя колец Палля, м
|
0,05
|
|
верхняя
секция, 2 слоя колец Палля, м
|
0,04
|
Скорость
газа на входе в аппарат, м/с
|
0,24
|
Давление
в абсорбере, МПа
|
2,7
|
Температура
раствора, оС
|
|
вход,
I поток
|
80
|
|
вход,
II поток
|
102
|
|
выход
|
80
|
Концентрация
СО2 в газе, %
|
|
вход
|
18
- 19%
|
|
выход
|
0,3
- 1,5
|
Сопротивление
аппарата, МПа
|
0,05
|
Помимо основных аппаратов - абсорберов и
регенераторов, на стадии очистки применяют теплообменные аппараты - газовые и
паровые кипятильники, воздушные холодильники, конденсатор-холодильник. Для
подачи в абсорбер регенерированного раствора используют насосы с приводом от
паровых турбин или с электроприводом.
.
РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДНЫХ НОРМ ПО
СЫРЬЮ И ЭНЕРГИИ. ПУТИ ИСОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ
7.1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ
БАЛАНС
Используя данные из литературы[4][5] по
входящему и выходящему из абсорбера потоков, рассчитаем материальный баланс в
программе Microsoft
Office Excel
2007. Исходные данные потоков представлены в таблице 6.1.
Таблица 6.1
Исходные данные по входному и выходному потоку
абсорбционного аппарата в методе поташной очистки конвертированного газа от
диоксида углерода в производстве аммиака
КОНВЕРТИРОВАННЫЙ
ГАЗ
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вход
в абсорбер
|
|
|
|
Выход
из абсорбера
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Статья
|
|
|
%
об.
|
|
|
Статья
|
|
|
%
об.
|
|
Разница
|
|
|
Газ
|
207123
|
|
|
|
Сухой
газ
|
171336
|
|
|
35787
|
|
|
|
N2
|
41298
|
19,59
|
|
|
|
N2
|
41298
|
23,86
|
|
0
|
|
|
|
Ar
|
521
|
0,25
|
|
|
|
Ar
|
521
|
0,30
|
|
0
|
|
|
|
H2
|
127671
|
60,56
|
|
|
|
H2
|
127671
|
73,75
|
|
0
|
|
|
|
CO
|
1036
|
0,49
|
|
|
|
CO
|
1036
|
0,60
|
|
0
|
|
|
|
CO2
|
35958
|
17,06
|
|
|
|
CO2
|
0,10
|
|
35787
|
|
|
|
CH4
|
639
|
0,30
|
|
|
|
CH4
|
639
|
0,37
|
|
0
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0
|
|
|
Вода
|
3690
|
1,75
|
|
|
Вода
|
1777
|
1,03
|
|
1913
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В
систему приходит
|
210813
|
|
|
|
Выходит
из системы
|
173113
|
|
|
37700
|
|
Начальное
содержание СО2 в газе
|
17,06
|
%
|
|
Остаточное
содержание СО2 в газе
|
0,099
|
%
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Степень
очистки от СО2
|
|
99,421
|
%
|
На
хемосорбцию расходуется СО2
|
35787
|
нм3/ч
|
Конденсируется
воды
|
|
|
1913
|
нм3/ч
|
|
|
|
|
|
Таблица 6.2
Сводная таблица материального баланса для
абсорбера поташной очистки от диоксида углерода в производстве аммиака
|
Вход
в абсорбер
|
|
|
Выход
из абсорбера
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Статья
|
|
|
Об.
|
Масс.
|
|
Статья
|
|
Об.
|
Масс.
|
|
|
Конвертированный
газ
|
210813
|
113489,20
|
|
Сухой
газ
|
173113
|
43193,30
|
|
14
|
|
N2
|
|
41298
|
25811,25
|
|
|
N2
|
41298
|
25811,25
|
|
40
|
|
Ar
|
|
521
|
930,36
|
|
|
Ar
|
521
|
930,36
|
|
2
|
|
H2
|
|
127671
|
11399,20
|
|
|
H2
|
127671
|
11399,20
|
|
28
|
|
CO
|
|
1036
|
1295,00
|
|
|
CO
|
1036
|
1295,00
|
|
44
|
|
CO2
|
|
35958
|
70631,79
|
|
|
CO2
|
171
|
335,89
|
|
16
|
|
CH4
|
|
639
|
456,43
|
|
|
CH4
|
639
|
456,43
|
|
18
|
|
H2O
|
|
3690
|
2965,18
|
|
|
H2O
|
1777
|
1427,95
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вода,
конденсат
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H2O
конд
|
1913
|
1537,23
|
|
|
Раствор
поташа
|
|
734911,61
|
|
Раствор
поташа
|
|
|
|
|
|
K2CO3
|
|
|
220473,48
|
|
|
H2O
|
|
485680,71
|
|
|
|
H2O
|
|
|
514438,13
|
|
На
десорбцию
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
KHCO3
|
|
319526,786
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В
систему приходит
|
|
|
848400,80
|
|
Выходит
из системы
|
|
848400,80
|
|
|
|
|
|
|
кг/ч
|
|
|
|
кг/ч
|
|
Вывод: Согласно материальному балансу для
данного аппарата за час абсорбируется 35787 нм3, а на десорбцию уходит 848400,8
кг абсорбента. Используя последний показатель можно рассчитать материальный
баланс для десорбции.
7.2 ТЕПЛОВОЙ
БАЛАНС
Вход
|
395
|
K
|
|
Выход
|
353
|
K
|
|
|
|
|
|
Cp=
a + b·T + c·T2
|
|
a
|
b
|
c'
|
|
Cp=
a + b·T + c'·T-2
|
N2
|
27,88
|
0,00427
|
|
|
29,567
|
Дж/моль·К
|
Ar
|
27,88
|
0,00427
|
|
|
29,567
|
|
H2
|
27,28
|
0,00326
|
0,000005
|
|
28,568
|
|
CO
|
28,41
|
0,0041
|
-4,6E-05
|
|
30,029
|
|
CO2
|
44,14
|
0,00904
|
-0,00085
|
|
47,711
|
|
CH4
|
14,32
|
0,07466
|
-0,00017
|
|
16,616
|
|
H2O
|
39,02
|
0,07664
|
0,001196
|
|
69,293
|
|
K2CO3
|
80,29
|
0,10904
|
|
|
123,361
|
|
Используя данные из литературы[3] по
коэффициентами теплоемкости рассчитаем теплоемкость веществ на входе и
количество теплоты приносимое веществами в систему.
ПРИХОД
ТЕПЛА В СИСТЕМУ
|
|
Тепло,
приносимое конвертированным газом
|
1672565,221
|
кДж/ч
|
|
Теплота
химической реакции
|
|
|
39710,06076
|
кДж/ч
|
|
Тепло,
подводимое
|
|
2310792,774
|
кДж/ч
|
|
|
|
|
|
Итого
|
4023068,055
|
кДж/ч
|
|
РАСХОД
ТЕПЛА СИСТЕМОЙ
|
Теплота
конденсации воды
|
3549469,018
|
кДж/ч
|
Тепло,
уносимое очищенным газом
|
451046,7019
|
кДж/ч
|
Потери
тепла
|
|
|
|
22552,3351
|
кДж/ч
|
|
|
|
|
Итого
|
4023068,055
кДж/ч
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчет теплового баланса показал, что необходимо
подводить к абсорберу количество теплоты, равное 4023060 кДж. Подача такого
количества энергии возможна через нагрев раствора поташа.
.3
ВТОРИЧНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ
Технологическая схема, описанная ранее,
подразумевает циклическое использование раствора поташа и переносимого им
тепла.. На примере теплообменника 01 можем наблюдать охлаждение газа за счет
частичной передачи теплоты охлажденному отработанному раствору. Далее
отработанный раствор переходит в десорбер 05, где претерпевает дросселирование
и обработку водяным паром, за счет чего происходит регенерация поташного
раствора, в результате которой горячий раствор идет на дальнейшую абсорбцию, а
пар, частично сконденсировавшаяся вода и СО2 выходят из системы. Данная
технология позволяет существенно экономить энергию на нагрев и поддержание
температуры газа и поташного раствора.
Так же возможно замыкание обмена воды между
теплообменниками 02, 03, подачей водяного пара и скруббером-промывателем, что
так же существенно снизит затраты на использование энергии и ресурса
технической воды.
Тонкая очистка от СО2 позволяет получить два
готовых к синтезу или транспортировке и последующей продаже следующие продукты:
конвертированный газ (производство аммиака) и СО2 (производство карбамида)
.
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОИЗВОДСТВА. ОТХОДЫ ПРОИЗВОДСТВА, ИХ УТИЛИЗАЦИЯ. ПДК
Экологические проблемы отрасли производства
аммиака непосредственно связаны с ее экономическими проблемами. Устаревшие
технологии и оборудование не способствуют решению проблем загрязнения среды. Поэтому
вложения в модернизацию промышленности напрямую связаны с улучшением
экологической ситуации в отрасли. Недостаток таких вложений ведет к снижению
спроса на продукцию и объема производства. Неэффективность производства и
относительно большое количество отходов на единицу продукции уменьшают доходы,
необходимые для инвестирования в природоохранные объекты В производстве аммиака
имеются выбросы газов в атмосферу, сточные воды и твёрдые отходы.
Выбросы в атмосферу
Выбросы газов в атмосферу разделяются на:
· постоянные выбросы газов,
обусловленные ведением постоянного технологического процесса;
· периодические выбросы газов в период
пуска и остановки производства;
· периодические выбросы газов,
обусловленные нарушением технологического режима;
В производстве аммиака имеются постоянные
выбросы газов, содержащие вредные компоненты: дымовые газы после подогревателя
природного газа, дымовые газы после трубчатой печи и вспомогательной печи,
«грязная фракция» СО2 или «чистая фракция» СО2 вместе с «грязной», вентвыбросы
из аккумуляторной и кислотной. Вредными веществами в выбрасываемых дымовых
газах огневого подогревателя сероочистки и первичного риформинга является
сернистый ангидрид, окислы азота, окись углерода. Вредными веществами,
выбрасываемыми в атмосферу с углекислым газом, является угарный газ,
моноэтаноламин и сероводород.
Диаметры и высоты труб выбросов выбраны таким
образом, чтобы количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, не
создавали в приземном слое концентраций вредных веществ, превышающие санитарные
нормы (после их рассеивания).
Периодически при пуске агрегата в атмосферу
выбрасываются:
· дымовые газы из огневого
подогревателя синтеза
· парогазовая смесь из отпарной
колонны
Периодически при пуске, остановке, нарушении
технологического режима предусмотрено сжигание газов в факельной установке для
предотвращения загрязнения атмосферы при выбросах газа. Кроме того,
периодически в аварийных случаях в атмосферу сбрасываются выбросы от
предохранительных клапанов и перед ремонтом оборудования.
Сточные воды
Для обеспечения надёжности охраны водных
ресурсов при аварийных ситуациях и остановках на ремонт агрегата предусмотрено
наличие аварийных и дренажных ёмкостей. Все вредные стоки направляются на
очистные сооружения и на биологическую очистку. Сбросы после химической очистки
(промывки) системы парообразования перекачиваются в накопительные ёмкости и
далее на очистные сооружения.
Стоков, содержащих аммиак, из блоков синтеза не
имеется. Аммиачная вода, образующаяся в период восстановления катализатора
синтеза, а также опорожнения аппаратов от остаточного количества аммиака перед
ремонтом направляются в дренажную ёмкость, размещённую на складе жидкого
аммиака.
Твёрдые и жидкие отходы
Отработанные катализаторы процессов сероочистки,
конверсии метана, конверсии диоксида углерода, метанирования и синтеза аммиака
отправляются в отвал, на металлолом или на переработку.
Продувочные газы
Продувочные газы разделяются на фракции в
зависимости от температуры. Разделение происходит на аммиачную воду; водород,
который поступает обратно на компрессор сжатия газа; метан, который
используется в качестве топлива и аргон, который является готовой продукцией.
Рассмотрим предельно допустимые концентрации
вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Данные представлены в документе ГН
2.2.5.2100-06 "Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в
воздухе рабочей зоны" и Дополнению N 2 к ГН 2.2.5.1313-03.
При концентрации углерода диоксида в воздухе
0,25-1% у человека изменяется функция дыхания и кровообращения, при 2,5-5%
наблюдается головная боль, раздражение верх, дыхательных путей и др., при 7%
учащается сердцебиение, появляются рвота, головокружение и другие симптомы. При
высоких концентрациях углерода диоксида в воздухе наступает смерть от остановки
дыхания (при 20% через несколько секунд).
Окись углерода образует с гемоглобином крови
стойкие соединения, кровь теряет способность поглощать кислород воздуха,
наступает кислородное голодание. Лёгкое отравление угарным газом сопровождается
головной болью, шумом в ушах, мельканием и туманом в глазах, слабостью и
сильным головокружением, рвотой. При остром отравлении наступает отдышка,
потеря сознания, судороги, удушье. Систематическое отравление небольшими дозами
угарного газа сопровождается быстрой утомляемостью, раздражительностью,
головными болями. ПДК газа в воздухе рабочей зоны составляет 20 мг/м3. Окись
углерода - горючий газ, в смеси с воздухом или кислородом образует
взрывоопасные смеси.
Водород (Н2) - физиологически инертный газ без
запаха и цвета. Может вызывать удушье вследствие снижения концентрации
кислорода в воздухе. Легко воспламеняется, пламя бледно-голубого цвета. В смеси
с воздухом и кислородом образует взрывоопасные смеси.
Аммиак (NH3)
- сильно токсичное, огне- и взрывоопасное вещество. В нормальных условиях -
газ, хорошо растворим в воде, имеет резкий характерный запах нашатырного
спирта. При нарушении герметичности оборудования и трубопроводов высокого
давления мгновенно образует облако большой концентрации. В зоне выделения
аммиака у человека могут возникнуть спазмы органов дыхания: из-за сильного
слезотечения и рези в глазах происходит потеря ориентации. ПДК аммиака 20
мг/м3.
Моноэтаноламин (МЭА) - и его растворы имеют
запах аммиака, токсичны и огнеопасны, вызывают ожоги, опасно попадание их в
глаза.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе курсовой работы была рассмотрена
технологическая схема поташной очистки конвертированного газа раствором
горячего поташа. В современной технологии переработки природного газа очистка
от диоксида углерода с использованием растворов поташа занимает первое место в
общем числе промышленных способов.
Как уже было отмечено выше, эффективность
процесса абсорбции СО2 карбонатными растворами зависит от температуры,
парциального давления диоксида углерода и водяного пара над раствором, состава
и концентрации активирующих добавок, а также от основности раствора. Повышение
температуры абсорбции, хотя и приводит к уменьшению поглотительной способности
раствора, однако увеличивает растворимость карбонатных солей в воде и скорость
абсорбции. В промышленности существуют различные модификации этого процесса,
основными отличиями которых являются различные активаторы, температура и
концентрация растворов
Дальнейшие научные и технические разработки для
данного процесса необходимо направить на повышение степени очистки
конвертированного газа и повышение степени десорбции поташного раствора для
снижения количества используемого сырья и частичного решения проблем
экологического характера.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1]
Семенова, Т.А. Очистка технологических газов / Семенова Т.А., Лейтес И.Л.,
Аксельрод Ю.В., [и др.] М:, Химия 1977, - 488с.
[2]
Степанов, А.В. Получение водорода и водородосодержащих газов /Степанов А.В,
Киев: Наукова думка 1982, - 312 с.
[3]
Равдель, А.А. Краткий справочник физико-химических величин / Равдель, А.А.,
Пономарева А.М., Спб:. Иван Федоров 2003, - 240 с.
[4]
Справочник азотчика: Физико-химические свойства газов и жидкостей. Производство
технологических газов. Очистка технологических газов. Синтез аммиака. - 2-е
изд., перераб / Под редакцией Е.Я. Мельников, М.: Химия 1986, - 512 с.
[5]
Семенов, В.П. Производство аммиака / Семенов В.П., Киселев Г.Ф., Орлов А.А.,
Семенова Т.А., М:. Химия, 1985, - 368 с..
[6]
Александров, И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты: Методы расчета и
основы конструирования / Александров И.А., М:. Химия, - 296 с.
[7]
Андреев Ф.А. Технология связанного азота/ Андреев Ф.А., Каргин С.И., Козлов
Л.И., Приставко В.Ф., М:. Химия 1966, - 500 с.
[8]
Ведерников М.И. Производство аммиака из природного газа / Ведерников М.И., Киев:
Технiка 1970, - 232 с.