Материал: Очистка конвертированного газа в производстве аммиака от диоксида углерода растворами горячего поташа

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.