Материал: Проектирование участка установки по абсорбции-десорбции сероводорода из топливных газов

Проектирование участка установки по абсорбции-десорбции сероводорода из топливных газов

Реферат

Серосодержащий газ, абсорбция, десорбция, моноэтаноламин

Представлен материал по утилизации серосодержащих компонентов в топливных газах, образующихся при вторичной переработки нефтяных фракций, в элементарную серу.

Установка состоит из нескольких секций - каталитическое превращение сероводорода на катализаторе в элементарную серу (S₆), абсорбция непрореагировавшего сероводорода моноэтаноламином и десорбция насыщенного абсорбента.

Целью курсового проекта является проектирование участка установки - по абсорбции-десорбции сероводорода из топливных газов.

В ходе работы над проектом составлен литературный обзор, материальный баланс установки, разработана технологическая схема, приведен расчет и подбор оборудования

Графическая часть проекта содержит чертёж технологической схемы, чертёж основного аппарата.

Содержание

Введение

1.       Литературный обзор. Обоснование выбора технологической схемы

.        Описание технологической схемы

.        Таблица отходов, образующихся в технологической схеме

.        Материальный баланс

.        Расчет и подбор оборудования

.        Монтажно-строительная часть проекта

Заключение

Список использованной литературы

Приложения

Введение

В настоящее время охрана окружающей среды стала одной из наиболее актуальных проблем. Качество окружающей среды в значительной степени зависит от бурного развития химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Производственная деятельность людей стала одним из важных факторов глобального воздействия на природу. Это выражается в загрязнении атмосферы, водных запасов и почвы многочисленными вредными веществами. Естественный кругооборот веществ и энергии в природе приобретенный ею длительной эволюцией, оказался в ряде регионов нарушенным. Это нарушение стало особенно заметным в условиях современной технической революции и прогрессирующих темпов индустриализации.

Например, при сжигании топлива, содержащего серу, сера превращается в диоксид серы. Этот газ поступает в атмосферу, сравнительно быстро окисляется до сульфатов и после относительно небольшого пребывания в атмосфере в форме аэрозоля выпадает на поверхность земли. Обладая кислотными свойствами, такие аэрозоли являются причиной гибели части растительности. Если же диоксид серы уловить из дымовых газов и переработать в удобрения, то последние вступят в почвенный кругооборот.

Нефтеперерабатывающая промышленность относится к отраслям производства, оказывающим заметное влияние на общее загрязнение природной среды. Наряду с непосредственным загрязнением природной среды промышленными отходами при осуществлении процессов переработки нефти предприятия нефтеперерабатывающей промышленности, вырабатывая большое количество моторных и печных топлив, оказывают и косвенное влияние на общий фон загрязнения воздушного бассейна. При сжигании топлив воздушный бассейн загрязняется выхлопными и дымовыми газами, содержащими такие вещества как ароматические углеводороды, сера, смолы, азот, ванадий, свинец и другие. Кроме того, все нефтепродукты способны испаряться, эта способность зависит от состава вещества, температуры окружающего воздуха и других факторов.

Все выбросы нефтеперерабатывающих заводов можно разделить, на массовые и немассовые. Внимание в основном сосредоточено на наиболее опасных и массовых выбросах, а также отходах производства, определяющих санитарно-гигиеническое состояние окружающей среды. К таким выбросам относятся оксид углерода, диоксид серы, сероводород, оксиды азота, аммиак, сточные воды, шлам, отработанные глины. Немассовые выбросы как показывает практика, в большинстве случаев не вызывают загрязнения зон вокруг заводов выше допустимых концентраций.

При разработке мер по сокращению отдельных выбросов на практике часто прибегают к их сжиганию. На нефтеперерабатывающих заводах, например, сжигают отходящие газы, неорганизованные выбросы паров углеводородов, окисленный воздух от битумных установок, сероводород. При сжигании вместо одних загрязнителей появляются другие, которые могут оказаться более токсичными. Например, при сжигании углеводородов выделяются непредельные углеводороды, угарный газ, оксиды азота, технический углерод, оксиды серы сероводород, сероуглерод, синильная кислота и другие. Следовательно, сжигать выбросы необходимо только в том случае, когда вновь образующиеся вещества менее токсичны и загрязняют атмосферный воздух менее, чем исходные. При сжигании топлив необходимо использовать высокоэффективное оборудование, скорректированное с учётом современной теории горения топлив. Однако на многих нефтеперерабатывающих заводах используют примитивные факельные устройства и печи, не обеспечивающие полного сгорания и минимального содержания вредных примесей в отходящих дымовых газах.[6]

Повышение экологической безопасности процессов переработки высокосернистых газов может осуществляться по следующим направлениям:

·   разработка принципиально новых технологий очистки газа

·   усовершенствование существующих производств за счет оснащения дополнительными процессами с использованием новых технологических приемов и оборудования или создание замкнутых технологических циклов, позволяющих повысить эффективность сероочистки.

С точки зрения экологической безопасности наиболее привлекательным является первое направление, однако, для действующих производств на данном этапе актуально и наиболее реально для осуществления - второе направление.

В проекте представлены материалы по проектированию заключительной стадии утилизации сероводорода из серосодержащих газов вторичной переработки нефти - абсорбция и десорбции сероводорода моноэтаноламином.

1. Литературный обзор. Обоснование выбора технологической схемы

Среди различных видов сырья для производства элементарной серы сероводородсодержащие газы в настоящее время занимают второе место после самородных сернистых руд. Доля серы производимой из сероводородсодержащих газов, непрерывно возрастает.

Все газы, содержащие сероводород, можно разделить на природные, технологические и вентиляционные. С точки зрения выбора технологии очистки этих газов от сероводорода их удобно разделить на кислородсодержащие и бескислородные.

К группе кислородсодержащих относятся вентиляционные газы различных предприятий (коксохимических, природной серы, вискозного волокна и др.) содержание сероводорода в этих газах непостоянно, как правило, невысокое и колеблется в широких пределах 0, 03-2 г/м3. Это создаёт значительные трудности в очистке таких газов, которая осуществляется главным образом с целью обезвреживания выбросов. Вследствие низкого содержания в них сероводорода выход серы или серосодержащих продуктов при очистке выбросов незначителен, хотя и даёт некоторый определенный эффект на некоторых заводах.

Вторая группа бескислородных сероводород содержащих газов представлена природными газами, газами нефтепереработки, нефтедобычи, газификации твердого и жидкого топлива. Среди них наиболее практическое значение как сырья для производства серы имеют сероводородсодержащие газы. Анализ состава природных газов показывает, что с ростом глубины залегания в них закономерно возрастает концентрация сероводорода. Следует подчеркнуть, что природный сероводородсодержащий газ по сравнению с серными рудами является технологически удобным и дешевым сырьём для получения серы.

Сероводород является комплексным сырьём и содержит два ценных элемента - серу и водород. Учитывая сравнительно небольшую энергию связи этих элементов, а также важность развития водородной энергетики, становится актуальным получение из сероводорода, как серы, так и водорода.

Очевидно, что потенциальные выбросы диоксида серы и сероводорода определяются содержанием серы в сырой нефти. Содержание серы в сырой нефти колеблется в очень широких пределах: от малосернистых до высокосернистых нефтей. Большая часть серы в сырой нефти содержится в тяжелых фракциях и большая часть потенциальных выбросов связана с переработкой этих фракций. Обычно сера, содержащаяся в нефти, превращается в сероводород в процессах гидрогенизации и гидрокрекинга, или же прямо в диоксид серы при сжигании.

Известно несколько способов получения элементарной серы из сероводородсодержащих газов, которые выделяются на установках вторичной переработки нефти. Наиболее распространены процессы каталитической конверсии, самый известный, это контактное окисление по методу Клауса и сорбционные процессы.

Процессы каталитической конверсии (самый эффективный - контактное окисление, или метод «Клауса»).

Переработка сероводородного газа производится по трехступенчатому окислительному методу Клауса с применением термической и двух каталитических ступеней.

Термическая стадия заключается в высокотемпературном сжигании сероводорода в топке котла-утилизатора при подаче стехиометрического количества воздуха согласно реакции

H₂S + O₂ → 2H₂O + S₂ + 157210 кДж/кг моль H₂S

Стехиометрическое соотношение количества воздуха и сероводорода (отношение объема воздуха к объему сероводородного газа) в зависимости от состава сероводородного газа должно быть в пределах 2:1 - 3:1.

Реакция протекает при температуре 1000-1500 ^оС в зависимости от концентрации сероводорода в сероводородном газе и наличия в нем углеводородов.

Часть сероводородного газа в топке котла-утилизатора превращается в диоксид серы по реакции

2H₂S + 3O₂ → 2H₂O + 2SО₂ + 519160 кДж/кг моль H₂S

Углеводороды и аммиак, содержащиеся в сероводородном газе, сгорают по реакции

С₂Н₆ +3SO₂ → 2CO₂ + 3H₂O + 1427700 кДж/кг моль С₂Н₆

2NH₃ + 1, 5O₂ → N₂ + 3H₂O

В последние годы для очистки от сероводорода природного газа широко применяют адсорбционные методы. Содержащие сероводород отходящие газы промышленных производств обычно характеризуются низким, но превышающим требования санитарных норм, содержанием этого загрязнителя. Например, в вентиляционных выбросах производств вискозы его концентрация колеблется в пределах 0, 01-0, 1 %. Наиболее глубокую очистку газов от сероводорода обеспечивают адсорбционные методы с использованием гидроксида железа, активного угля, цеолитов и других поглотителей.

Процесс очистки газов от сероводорода гидроксидом железа используется давно. При прохождении газа через слой гидроксида железа сероводород поглощается

2Fe(OH)₃ + 3H₂S → Fe₂S₃ + 6H₂O

Одновременно образуется некоторое количество FeS. Присутствующий в очищенном газе кислород окисляет сульфидную серу с образованием гидроксида железа:

Fe₂S₃ + 3/2 О₂ + 3Н₂О → 2Fe(OH)₃ + 3S

В современной промышленной практике поглотительную массу приготавливают из болотной руды или отходов производства глинозема из бокситов-красных шламов влажностью 50-55 %, содержащих 45-48 % Fe₂О₃ (на сухое вещество).

Эффективным поглотителем сероводорода является активный уголь. Присутствие в очищенном газе кислорода является необходимым условием реализации процесса, в котором наряду с поглощением сероводорода происходит катализируемое углем окисление последнего в адсорбенте, сопровождающееся выделением тепла (220 кДж на 1 моль H₂S).

H₂S + 0, 5 О₂ → S + Н₂О

Одновременно с этим процессом в адсорбенте происходит также экзотермическая (790 кДж на 1 моль H₂S) каталитическая реакция превращения сероводорода в серную кислоту:

H₂S + 2О₂ → H₂SО₄

Количественна доля последней реакции тем выше, чем больше тяжелых металлов, в частности железа, находится в минеральной составляющей активного угля; она может составлять более трети по отношению к поглощенному сероводороду.

Высокая экзотермичность процессов окисления сероводорода при значительных концентрациях его в очищаемых газах обусловливает интенсивный разогрев слоя поглотителя и связанный с этим риск возгорания активного угля. В этой связи использование активного угля для очистки газов сероводорода обычно ограничивают газами, содержащими до 5 г/м³ этого загрязнителя, хотя известны реализованные в промышленной практике процессы поглощения активными углями сероводорода из газов с высокой его концентрацией (10-13 г/м³).

Для нейтрализации образующейся в угле серной кислоты может быть использован раствор карбоната натрия (соды) или газообразный аммиак. Использование последнего более эффективно, так, как для вымывания водой из угля аммонийных солей требуется меньший ее расход. Кроме того, аммиак интенсифицирует окисление сероводорода, поэтому его можно вводить в очищаемый газ для обеспечения протекания реакции, параллельной основной реакции окисления

H₂S + NH₃ + 2O₂ → (NH₄)₂SO₄

Если в очищенном газе присутствует CO₂, наряду с последней реакцией протекает взаимодействие

CO₂ + 2NH₃ + H₂O → (NH₄)₂CO₃

Возможно и периодическое использование аммиака лишь на стадии регенерации насыщенного поглотителя. Сероемкость используемых для очистки газов от сероводорода активных углей составляет 200-520 кг/м³. При высоте слоя угля более 1м достигаемая степень насыщения поглотителя превосходит 90 %. Регенерацию насыщенных углей наиболее часто проводят раствором сульфида аммония. При регенерации протекает реакция

2(NH₄)₂S + 3S₂ → 2(NH₄)₂S₄

(NH₄)₂S + (n-1)S → (NH₄)₂S_n

Образующийся раствор многосернистого (200-250 кг/м³) обрабатывают острым паром при 125-130 ^оС под давлением (1, 6-1, 9)•10⁵ Па с целью выделения серы.

(NH₄)₂S_n → (NH₄)₂S + (n-1)S

В условиях такой обработки разлагается и (NH₄)₂S поэтому образующиеся пары и конденсируют и возвращают в процесс. Получаемую жидкую серу (99, 92-99, 97 %) отделяют от раствора декантацией. Экстрагированный освобождают от сульфидной серы промывкой его водой, отпаривают для удаления аммонийных солей и сушат.

Для экстракции серы из угля в ряде случаев применяют ксилол, используя резкую разницу растворимости в нем серы при обычных и повышенных температурах. Обработку угля кислородом проводят при 100-110 ^оС и давлении 2, 5•10⁵ Па. При последующем охлаждении вытяжки (до 30 ^оС) из нее выделяют застывшую серу. Экстрагированный уголь обрабатывают паром для освобождения от ксилола, промывают водой для удаления других продуктов происходящих на угле превращений и вновь пропаривают.

Образующиеся углеаммонийные соли при значительном содержании в очищаемых газах могут забивать трубопроводы и арматуру установки. Для предупреждения этого процесса целесообразна пропитка активного угля 0, 8 %-м водным раствором щелочи. Увеличение поглотительной способности угля по сероводороду и интенсификация образования элементной серы могут быть обеспечены при пропитке поглотителя иодом (1 % от массы угля) или иодидом калия.

Направляемый на очистку газ смешивают с аммиаком, редуцируемым из баллона, и вводят в реактор, где в кипящем слое активного угля происходит его чистка от сероводорода. Очищенный газ удаляют через пылеуловитель. Насыщенный поглотитель из реактора транспортируют в отделение экстракции серы, откуда он поступает в промывное отделение и далее на обезвоживание в сушильную установку. Сухой регенерированный уголь из бункера питателем возвращают в реактор. Для компенсации потерь угля в бункер добавляют свежий поглотитель.