Расчет процесса абсорбции диоксида углерода раствором “Карсол” в агрегате получения аммиака

Водные растворы поташа, активированные различными добавками, широко применяются для очистки газов от СО₂.

Карбонат калия (мол. масса, 138,2) —  белый кристаллический порошок, очень гигроскопичен, плотность при 30 °С равна 2428 кг/м³, температура плавления 898 ^СС, теплоемкость при 50 °С—905,61 Дж/(кг-К). Растворимость К₂СО₃ в воде составляет: при 25 °С —111, при 100 °С -155, при 135 °С—203 г на 100 г H₂O. [2]

Таблица 1- Температура кипения водных растворов K₂CO₃ при атмосферном давлении

С(к2со3), % (масс.)	18,3	28,6	37,7	44,0	51,0	66,7
Ткип, оС	102	104	107	110	115	135

 

Таблица 2 - Теплота растворения К₂СО₃ в воде

С(к2со3), % (масс.)	0	7,12	13,3	23,5	27,7	43,5
ΔН, кДж/кг	-199,3	-211,4	-218,1	-223,2	-224,0	-223,6

 

 

 

Таблица 3- Технические условия на карбонат калия

Показатель	ГОСТ 4221-76			ГОСТ 10690-73 Технический первый сорт
	х.ч	ч.д.а	ч.
Содержание , % К2СО3 хлориды сульфаты фосфаты Al Fe Pb SiO2 нерастворимого в виде осадка Na (в пересчете на Na2CO3) Потери при прокаливании, %	99 0,001 0,004 0,001 0,001 0,0005 0,0005 0,004   -   -   0,8	99 0,002 0,004 0,001 0,001 0,001 0,0005 0,004   -   -   1,0	98 0,01 0,01 0,002 0,003 0,002 0,0005 0,01   -   -   2,0	не менее 98 не более 0,05 0,4   0,25 0,002 - -   не более 0,05   не более 0,6   -

 

Таблица 4 - Плотность водных растворов К₂СО₃ (кг/м³)

 

Концентрация К2СО3, % (масс.)	Температура оС
	0	10	25	30	40	100
20	1197,7	1194,1	1187,7	1185,3	1180,1	1145,0

 

 

 

 

 

 

Требования  к качеству природного газа и воздуха.

      Несмотря на многообразие сырья  в целом, в настоящее время  конверсия прир.газа, т.е. метана  и его гомологов, является основным  промышленным методом получения водорода и технологическихгазов для синтеза аммиака, спиртов, моторных топлив и других продуктов.

Природный газ  должен иметь по основным компонентам  след.состав, % об:

Н₄ = 85,9-98,7; С₂Н₆ = 0,15-5; С₃Н₈ = 0,06-1,5; С₄Н₁₀ = 0,02-0,7; С₅Н₁₂ = 0-0,5; СО₂ = 0,08-3,5; N₂ = 0 - 0,5

     В целом, примеси оказывают  следующее вредное воздействие  в химических процессах:

1. отравление катализатора
2. может вызывать коррозию аппаратуры
3. вызывают протекание побочных реакций
4. ухудшают качества продукта, загрязняя его

По содержанию примесей природный газ должен удовлетворять следующим требованиям:

- общая массовая  концентрация серосодержащих соединений  в пересчете на серу: не более  80 мг/м³. В том числе серосодержащих органических

соединений, не более 60 мг/м³. Серосодержащих не органических соединений не более 20 мг/м³

- массовая  концентрация газ.конденсатора не  более 15 г/м³

- массовая  концентрация механических примесей  не более 1 мг/м³

- теплотворная  способность 33900-36600 кДж/ м³

Высокие требования предъявляются и к  технологическому воздуху по содержанию вредных примесей:

- массовая  концентрация сернистых соединений  в пересчете на серу не более  0,05 мг/м³

- массовая  концентрация хлора и других  галоидов в пересчете на хлор, не более 0,01 мг/м³

- массовая  концентрация фосфатов в пересчете  на РО₄ ^2-, не более 0,01 мг/м³

- массовая концентрация масла и механических примесей отсутствует.

При очистке  из газа извлекается 99,0 % СО₂ [3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Физико-химические основы процесса

Взаимодействие диоксида углерода с К₂СО₃ при абсорбции СО₂ из газов протекает по реакции:

K₂CO₃+CO₂+H₂O = 2KHCO₃ , ΔH=-142,4 кДж

Максимальная  концентрация поташа в рабочем растворе выбирается таким образом, чтобы  степень превращения карбоната  была на 10—20% ниже величины, при которой начинает выпадать осадок. В таблицах 5-6 приведены экспериментальные данные по растворимости и дифференциальных теплотах растворения СО₂ в водных растворах поташа различной концентрации при температурах 40—170°С .

На рисунке 1 приведена растворимость солей в системе К₂СО₃ – КНСО₃ - Н₂О при различной степени превращения карбоната в гидрокарбонат

Данные о давлении паров воды над 40%-ным раствором  карбоната калия при различной  степени насыщения раствора приведены на рисунке 2 [2].

Таблица 5 - Равновесное давление СО₂ над водными растворами К₂СО₃ при различных температурах

Концентрация  СО2 в растворе, м3/м3 (t, oC)	Температура оС
	40	50	60	70	80
20%-ный раствор К2СО3 (1,72 моль/л)
4,3 5,1	104 -	135 -	198 243	299 348	- 453
7,1	319	512	724	1048	-
10,9	1285	2025	2685	-	-

 

 

 

 

Таблица 6 - Равновесное давление СО₂ над 20%-ными водными растворами К₂СО₃ при различных температурах (Па)

Концентрация  СО2 в растворе, м3/м3 раствора	Температура оС
	40	50	60	70	80	120	140	170
4,72	-	72	120	149	241	-	-	-
7,68	-	197	283	419	520	-	-	-
10,25	236	315	477	783	119	-	-	-
11,45	269	423	619	937	1333	-	-	-
15,15	592	901	1361	2009	2466	-	-	-
19,75	897	1552	2377	3666	5290	16000	26664	49338
21,5	1105	1865	2989	4037	6932	20000	34660	61320
26,25	1986	3162	4919	-	14000	37330	66660	108000
31,43	-	-	-	-	31330	73330	125300	192000
37,72	-	-	-	-	77330	159980	253300	353300
44,0	-	-	-	-	173320	306640	466600	593300

 

 

 

 

 

Рисунок 1 - Зависимость температуры  выпадения твердой фазы в водных растворах К₂СО₃ различной концентрации от степени карбонизации.

Рисунок 2 - Равновесное  парциальное давление водяных паров  над 40% - ным раствором К₂СО₃ при различной температуре.

Добавление диэтаноламина (ДЭА) в поташный раствор позволяет значительно снизить равновесное давление СО₂ над раствором при малых степенях его карбонизации (в условиях верха абсорбера), т. е. достичь более тонкой очистки , а также увеличить скорость абсорбции CO₂ горячим раствором карбоната калия в 1,5—2 раза по сравнению с абсорбцией чистым раствором К₂СО₃ при высоких степенях карбонизации раствора (т. е. в условиях низа абсорбера) [2].

Плотность и вязкость водных растворов поташа  с добавкой ДЭА приведены в табл. 7.

Таблица 7 - Плотность и вязкость амино-поташных растворов при различных температурах

Состав раствора, % (масс)		Температура, oC
К2СО3	ДЭА	40	60	80	100	120
Плотность, кг/м3
25	1,5	1,225	1,216	1,207	1,197	1,187
25	5,0	1,228	1,218	1,210	1,200	1,190
30	1,5	1,293	1,283	1,273	1,262	1,255
30	5,0	1,292	1,282	1,272	1,261	1,250
Вязкость, Па∙с∙10-2
25	1,5	1,4073	1,0007	1,733
25	5,0	1,6767	1,1491	0,8372
30	1,5	1,6944	1,1895	0,8674
30	5,0	2,1582	1,4661	1,0456

 

В процессе электролитической диссоциации К₂СО₃ и КНСО₃ протекают следующие реакции:

K₂CO₃ + H₂O = 2K⁺ + HCО^-₃ + OH^-

KHCO₃ + Н₂О =К⁺ + H₂CО₃ + ОН^-

Первая ступень  гидролиза характеризуется равновесием  между ионами СО^2-₃ и НСО^-₃, а вторая - равновесием между ионами HCО₃^- и молекулами H₂CO₃. При поглощении протекают две основные реакции:

CO₂ + Н₂О =Н₂СО₃ 

СО₂ + ОН^- = HСO₃^- 

Активирующая роль аминов сводится к тому, что они быстро взаимодействуют с СО₂ с образованием карбаминовых кислот и тем самым способствуют переносу СО₂ с поверхности в объем жидкости. Даже незначительная общая концентрация амина (1%) обеспечивает наличие значительного количества свободного амина, способного вступать во взаимодействие с СО₂ по реакции:

СО₂+ RR'NH =RR'NCOО^- + Н⁺

При взаимодействии карбамина с поташом происходит регенерация аминопроизводных с образованием гидрокарбоната [2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Выбор и описание технологической схемы

Способ  очистки газов горячими растворами поташа основан на увеличении растворимости солей в воде и скорости абсорбции CO₂ при повышении температуры. Эти физико-химические особенности позволяют осуществить

процессы абсорбции и регенерации  практически при одинаковых температурах, причем абсорбция протекает при повышенном давлении, а регенерация - при давлении, близком к атмосферному. Схема процесса очистки газа от CO₂ горячими растворами поташа, активированными ДЭА, приведена на рис.3.        Абсорбция осуществляется при давлении 2,79 МПа по двухпоточной схеме. Около 20%  циркулирующего раствора (тонкорегенерированного) поступает в верхнюю часть абсорбера при температуре 70°С , остальной раствор (груборегенерированный) подается в среднюю часть абсорбера.

Насыщенный диоксидом  углерода раствор, выходящий из нижней части абсорбера, дросселируется до 2,94∙10⁵ Па и направляется в регенератор. Основная часть раствора (80%) подвергается грубой регенерации при 114 - 115 ^оС, выводится из средней части регенератора и поступает в среднюю часть абсорбера Меньшая часть, раствора регенерируется при 117 - 119°С, охлаждается до 70°С и поступает в верхнюю часть абсорбера. В схеме предусмотрена непрерывная фильтрация около 2% общего количества циркулирующего раствора на активированном угле. Для устранения коррозии оборудования амино-поташными растворами в рабочем растворе должна постоянно поддерживаться определенная концентрация [от 0,4 до 0,6% (масс.)] ингибитора коррозии — пентоксида ванадия (V₂О₅). Однако в процессе эксплуатации происходит постепенное восстановление ионов V⁵⁺ в ионы низшей валентности, которые не обладают ингибирующим действием. Поэтому необходимо периодически проводить окисление части рабочего раствора для перевода ионов ванадия низшей валентности в ион V⁵⁺. Для окисления можно использовать воздух, барботирующий через раствор, или нитрит калия (KNО₂) , который добавляют в раствор. Воздух направляют либо в нижнюю часть регенератора, либо в емкость для приготовления раствора, в которую предварительно заливают часть рабочего тонкорегенерированного раствора. При эксплуатации установок очистки газов поташными растворами возможно сильное вспенивание этих растворов. Причины вспенивания, могут быть различными, например, накопление продуктов коррозии металлической насадки или веществ, выщелачиваемых из пластмассовых насадок. Для предотвращения вспенивания рабочих растворов в систему необходимо постоянно вводить антивспениватели.