Содержание к диссертации
Введение
1. Основные методы производства водорода 8
1.1 Методы производства и составы водородсодержащих газов 8
1.2 Обзор существующих аппаратов для очистки водородсодержащих газов 17
1.3 Аппараты вихревого типа для очистки газов 26
1.4 Постановка задачи исследования 39
2. Динамика газа и жидкости в колонных аппаратах с прямоточно-вихревыми контактными устройствами... 41
2.1 Динамика газового закрученного потока 41
2.2 Закономерности движения жидкой фазы в вихревом контактном устройстве 47
2.3 Экспериментальное исследование работы прямоточно-вихревого контактного устройства с односторонней сепарацией жидкости 56
2.4 Определение действительной высоты слоя жидкости на
ступени аппарата с прямоточно-вихревыми контактными элементами 62
3. Массообмен в аппаратах с прямоточно-вихревыми контактными устройствами 68
3.1 Закономерности массопереноса между газом и пленкой жидкости 68
3.2 Методика расчета процесса физической сорбции в прямоточно-вихревом контактном устройстве 73
3.3 Расчет эффективности работы контактной ступени с прямоточно-вихревыми контактными устройствами 77
3.4 Влияние градиента уровня жидкости на тарелке на эффективность работы контактной ступени с прямоточно-вихревыми контактными устройствами 85
4. Химическая сорбция диоксида углерода из водородсодержащих газов' 91
4.1 Кинетические закономерности процесса химической сорбции 91
4.2 Расчет эффективности хемосорбционной очистки
водородсодержащих газов от диоксида углерода 102
5. Перспективы использования аппаратов с прямоточно-вихревыми контактными устройствами для очистки водородсодержащих газов 105
5.1 Промышленное применение аппаратов с прямоточно-вихревыми контактными устройствами 105
5.2 Технико-экономический анализ применения аппаратов с прямоточно-вихревыми контактными устройствами для разделения водородсодержащих газов 112
Основные результаты и выводы 117
Библиографический список 121
- Обзор существующих аппаратов для очистки водородсодержащих газов
- Экспериментальное исследование работы прямоточно-вихревого контактного устройства с односторонней сепарацией жидкости
- Расчет эффективности работы контактной ступени с прямоточно-вихревыми контактными устройствами
- Технико-экономический анализ применения аппаратов с прямоточно-вихревыми контактными устройствами для разделения водородсодержащих газов
Введение к работе
Актуальность работы. На сегодняшний день водород находит достаточно широкое применение в различных областях народного хозяйства: в химической промышленности в процессах синтеза аммиака, альдегидов, спиртов; в нефтехимической промышленности в процессах гидроочистки, гидрокрекинга и каталитического риформинга, а также нефтехимического синтеза; в пищевой и фармацевтической промышленности. Согласно «Стратегии развития химического и нефтехимического комплекса России до 2015 года», производство отдельных видов промышленной продукции в этих областях должно увеличиться на 280% по сравнению с 2006 годом, что неизбежно приведет к увеличению производства и потребления водорода.
Существенным недостатком производства водорода является то, что он производится не в чистом виде, а в виде смеси с другими газами, что требует применения дополнительного оборудования для его очистки. В подавляющем большинстве существующих в России и за рубежом установок улавливания СО2 применяется хемосорбция его из газов этаноламинами (в большинстве случаев моноэтаноламином). В качестве абсорберов, как правило, применяется традиционное оборудование барботажного тарельчатого и насадочного типов. Однако такое абсорбционное оборудование устойчиво работает при скоростях газа, не превышающих 1,5-2 м/с. При очистке больших объемов газов это приводит к необходимости увеличения габаритных размеров оборудования или использования большого количества параллельно работающих аппаратов. Недостатком абсорбентов на основе первичных аминов является их высокая коррозионная способность, высокая скорость побочных реакций и деградации.
Возможным способом решения проблемы является использование аппаратов вихревого типа, среднерасходная скорость газа в которых может достигать 10-30 м/с, таких как многоступенчатые массообменные аппараты с прямоточно-вихревыми контактными устройствами (ПВКУ) и применение поглотителей на основе метилдиэтаноламина (МДЭА).
Цель работы и основные задачи исследования. Целью работы является комплексное исследование гидродинамических характеристик и массообмена в многоступенчатых аппаратах с прямоточно-вихревыми контактными устройствами применительно к процессам очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода. В непосредственные задачи исследования входило:
– разработка конструкции прямоточно-вихревого контактного устройства, сочетающего в себе высокую производительность, малое гидравлическое сопротивление, простоту конструктивного исполнения и высокую эффективность массообмена;
– изучение динамики жидкостного потока в предложенном прямоточно-вихревом контактном устройстве;
– исследование динамики жидкости на ступени массообменного аппарата с предлагаемыми прямоточно-вихревыми контактными устройствами;
– экспериментальное и численное изучение процесса поглощения диоксида углерода раствором метилдиэтаноламина в предлагаемом прямоточно-вихревом контактном устройстве.
Научная новизна работы:
– получена зависимость скорости истечения жидкости из сепарационных отверстий ПВКУ от осевой и тангенциальной скоростей и степени крутки газового потока, величины удельного орошения, скорости пленки жидкости и коэффициента местного сопротивления сепарационных отверстий;
– предложена методика расчета, позволяющая оценить влияние конструктивных особенностей контактной ступени (диаметр контактного патрубка, диаметр колонны, высота переливной перегородки) и удельного орошения аппарата на скорость течения и изменение высоты слоя жидкости на ступени с ПВКУ;
– разработано математическое описание процесса абсорбционной очистки газов в предлагаемом контактном устройстве на примере поглощения диоксида углерода из водородсодержащих газов водным раствором метилдиэтаноламина;
– получена зависимость эффективности очистки водородсодержащих газов на тарелке многоступенчатого массообменного аппарата с ПВКУ от величины удельного орошения аппарата, произведено сравнение эффективности предложенного контактного устройства с ПВКУ других конструкций;
– экспериментально установлены закономерности степени поглощения диоксида углерода водным раствором метилдиэтаноламина в предлагаемом прямоточно-вихревом контактном устройстве при различных значениях удельного орошения.
Практическое значение работы:
– обоснована целесообразность использования аппаратов с ПВКУ для очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода;
– разработаны и защищены патентами Российской Федерации конструкции прямоточно-вихревых контактных устройств, сочетающие высокую производительность, малое гидравлическое сопротивление, простоту конструктивного исполнения и высокую эффективность массообмена, предложенные конструкции приняты к внедрению на ООО «ПромКомплект» г. Нижнекамск;
– предложена методика расчета процесса поглощения диоксида углерода из водородсодержащих газов в аппаратах с прямоточно-вихревыми контактными устройствами;
– разработана принципиальная технологическая схема очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода с использованием аппаратов с ПВКУ и абсорбентов на основе метилдиэтаноламина.
На защиту выносятся:
– результаты экспериментального и численного исследования динамики жидкости в прямоточно-вихревых контактных устройствах;
– математическое описание процесса поглощения диоксида углерода в прямоточно-вихревом контактном устройстве и на ступени аппарата с ПВКУ;
– результаты экспериментального и численного изучения эффективности поглощения диоксида углерода раствором метилдиэтаноламина в прямоточно-вихревом контактном устройстве.
Личное участие. Все результаты работы получены Калимуллиным И.Р. под руководством д.т.н., профессора Николаева Н.А. при участии к.т.н. Дмитриева А.В.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты докладывались и обсуждались на IX-й Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии», г. Казань, 2008; Второй Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология», г. Казань, 2008 г., Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и высокие технологии XXI века» г. Нижнекамск, 2009 г., XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-23», Саратов 2010 г.
Публикация работы. По теме диссертационной работы опубликовано 13 работ, из них 1 монография, 5 статей в журналах из перечня ВАК, 2 патента на полезные модели. Отдельные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 4 Международных и Всероссийских конференциях.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованных литературных источников. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок и 8 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 108 источников, из которых 31 иностранные.
Обзор существующих аппаратов для очистки водородсодержащих газов
Кроме технологий конверсии углеводородных газов на катализаторе, возможна высокотемпературная конверсия без катализатора. Превращение происходит в вертикальных аппаратах регенеративного типа. Реакторы имеют насадку из огнеупорного кирпича, которая во время периода разогрева аккумулирует тепло; необходимое для эндотермического процесса. Содержание остаточного метана в конвертированном газе при использовании данного метода - 0,8% [8].
Взаимодействие метана с кислородом может протекать в нескольких направлениях, в зависимости от содержания кислорода и режима процесса. При концентрациях кислорода около 10% и высоких давлениях возможно получение метанола, муравьиной кислоты, формальдегида и т.д. Большой избыток кислорода приводит к получению СОг и Н20. При промежуточных концентрациях кислорода (40%) образуется СО и Н2.
Основной реакцией этого процесса является (1.4) 2С#4+02- 2С(? + ЗЯ2 Реакция идет с выделением тепла, поэтому появляется возможность организовать процесс автотермично, на сравнительно простой и дешевой аппаратуре при температуре процесса- 1200 К [4, 9, 10]. Наиболее освоенным на наших заводах способом получения водорода из углеводородных газов является каталитическая конверсия с кислородом и водяным паром. При проведении данного процесса идут реакции [11]: CHA + Q,502- CO + 2H2 + Q (1.5) CH4 + H20 CO + 3H2-Q (1.6) СН4 + 02 -+С02 + 2Н2 +Q (1.7) CO + H20 C02+H2 + Q (1.8) CH4 + C02-+2CO + 2H2-Q (1.9) Н2+0,5О2- Н2О + О (1.10)
Вначале, пока в смеси преобладает свободный кислород, идут реакции (1.5), (1.7) и (1.10), при этом происходит значительное выделение тепла и создаются условия для реакций (1.6) и (1.9). Во избежание возможности загорания газа в смесительном канале газа, температура подогрева газа перед конвертором — 800-900 К (500-600 С). В качестве катализатора используется никель на окиси алюминия (АЇ2Оз). Температура газа на выходе из конвертора - 1100 К. Совмещенная схема конверсии метана имеет следующие преимущества: а) позволяет сконцентрировать все управление процессом в одном месте; б) лучше использует тепло реакции и надежно обеспечивает автотермичность процесса; в) сокращается расход тепла [8].
При разложении воды в виде пара в присутствии углерода происходит. эндотермическая реакция С + 2Н20- 2Н2 + С02 (1.11) Для ее реального осуществления требуется подвод к системе дополнительного количества теплоты. Эта теплота может быть получена при сжигании некоторого количества угля или при подводе через стенку реактора. Процессы получения газообразных продуктов из угля называют процессами газификации [12].
Процесс получения водорода по методу Лурги представляет собой газификацию угля в неподвижном слое топлива с использованием паровоздушного или парокислородного дутья. Состав газа, получаемого по методу Лурги, зависит от уровня температур.
В основу процесса Копперс-Тотцека положена газификация угольной пыли при атмосферном давлении. Предварительно подготовленная угольная пыль с частицами менее 100 мкм в специальных устройствах смешивается с кислородом и паром и подается в камеру газификатора. В камере угольная пыль и газифицирующая смесь двигаются прямотоком. Процесс идет очень интенсивно. Соотношение пара и кислорода подбирается таким образом, чтобы температура процесса была более 1800 К. С точки зрения получения водорода процесс Копперс-Тотцека достаточно эффективен.
В методе Винклера используется газификация угля в Компоненты Копперс-Тотцек Винклер Лурги СО 57,2 30-50 58 н2 30,7 35-46 25,6 со2 10,5 13-25 6,3 сн4 0,1 1-2 9.1 N2 1,2 0,5 1 кипящем слое топлива. Метод имеет существенные достоинства: возможность непрерывной подачи топлива в газогенератор; интенсивная теплопередача и хорошее перемешивание, обеспечивающее изотермический режим в реакционной зоне; простота регулирования температуры и высокая производительность аппарата. Наиболее предпочтительным- топливом для газификации по этому методу является бурый и реакционноспособный каменный уголь, буроугольный кокс или полукокс. Представленные методы газификации угля являются традиционными. Газы, получаемые этими методами, используются для химических синтезов и в качестве горючего газа. На сегодняшний день разработаны новые газификационные процессы. Процесс, называемый «высокотемпературным процессом Винклера», был разработан в Германии в 1970-х годах. Основное отличие от оригинального процесса Винклера - увеличение рабочего давления до 30 атмосфер. Главной причиной разработки этого процесса была необходимость получения технологии использования запасов бурого угля, когда этого потребует осложнение экономической ситуаций (т.е. повышение цен на нефть). Технология направлена на получение синтез-газа для производства метанола и водорода, производства синтетического природного газа. Уголь Полученный газ FEZ Пар + кислород Взвешенный слой
Установка этого типа, перерабатывавшая 600 тонн угля в день, 12 лет работала в г. Берренраф. Рабочее давление процесс достигало 10 атмосфер. На основе опыта ее эксплуатации была построена коммерческая установка, перерабатывающая торф в Оулу (Финляндия), с получения газа для синтеза метанола. В 2000 году на рассмотрении в Республике Чехия находились два проекта постройки блоков производительностью 980 тонн/день по углю для замены 26 существующих газогенераторов стационарного слоя [14].
В процессах конверсии можно перерабатывать не только метан и его близкие гомологи, но и более тяжелые углеводороды, такие как: нефть, нафта, мазут и др. В общем виде процесс конверсии описывается реакцией: CnH2n+l + пН20 -+ пСО + {In + \)Н2 (1.12)
Способ фирмы ONIA был разработан во Франции, основан на термокаталитическом крекинге углеводородов водяным паром. Способ отличается тем, что дает возможность перерабатывать любые газообразные и жидкие углеводороды, в том числе нефтепродукты с высоким выходом углеродного остатка. Меняя режим, работы возможно получать от синтез-газов с высоким содержанием СО и Н2 до газа для бытовых нужд.
Экспериментальное исследование работы прямоточно-вихревого контактного устройства с односторонней сепарацией жидкости
В аппаратах вихревого типа общая потеря давления складывается из потери давления в завихрителе потока на формирование вращательного движения газа и потери давления в рабочей зоне аппарата. Использование для закрутки газового потока тангенциально—лопаточного завихрителя вызвано его преимуществом, заключающимся в возможности снижения гидравлического сопротивления при подаче в его внутреннюю область небольшого количества жидкости [45], g = 2Ар / pj , где Ар - перепад давления, рг - плотность газа. Максимальное снижение величины гидравлического сопротивления приходится на отношение массовых расходов жидкости и газа в диапазоне 0,5 - 1,0 кг/кг. Дальнейшее увеличение LJGm ведет к постоянному повышению гидравлического сопротивления, которое при некотором значении L„/Gm, начинает превосходить величину гидравлического сопротивления неорошаемого завихрителя. Интервал значений, при котором наблюдается эффект снижения сопротивления, зависит от величины коэффициента крутки завихрителя.
Максимальное значение LJGm, при котором проявление эффекта снижения гидравлического сопротивления завихрителя становится незначительным, определяется соотношением:
Продольное изменение статического давления в рабочей зоне аппарата может быть выражено через изменение величины среднего по сечению аппарата статического давления: где р — локальное значение давления. Результаты исследований гидравлического сопротивления предлагаемого контактного устройства и сравнение полученных данных с работой [46] представлены рис. 2.2. Как видно из графиков, гидравлическое сопротивление предлагаемого контактного устройства в среднем на 7% выше, чем у ПВКУ другой конструкции, при сходных геометрических размерах во всем диапазоне удельных нагрузок. Это связано с более упорядоченной структурой вихревого газожидкостного потока из-за установки направляющего устройства в форме геликоида.
Потери давления при постоянных значениях соотношения нагрузок по фазам LJGm увеличиваются линейно по всей длине рабочей зоны аппарата, а градиент статического давления по длине зависит от коэффициента крутки. При небольшой величине соотношения нагрузок по жидкости и газу Lm/Gm 0,5 (рис. 2.2) в рабочей зоне аппарата также проявляется, хотя и в меньшей степени, чем в завихрителе, эффект снижения энергозатрат, что связано, по-видимому, с более низкой плотностью орошения в единице объема аппарата. Относительный перепад давления в рабочей зоне аппарата при постоянном значении соотношения нагрузок по фазам не зависит от среднерасходной скорости газа[47]. Изменение степени крутки потока по длине вихревого аппарата оказывает влияние на его гидравлическое сопротивление и эффективность очистки газа. Для оценки степени крутки потока в произвольном сечении наиболее широкое распространение получил интегральный параметр крутки [48]:
При восходящем движении газа и жидкости выделяют три основных режима взаимодействия потоков: область слабых взаимодействий, в которых силы веса, давления и другие значительно превосходят силы межфазного взаимодействия, и каждая фаза течет практически независимо одна от другой; переходная область; область сильных взаимодействий, в которой межфазные силы равны или превосходят движущие силы одной из фаз и с некоторого момента начинается брызгоунос с поверхности [51].
В связи со сложностью измерения профиля скорости в тонкой пленке жидкости, определение режимов ее течения в большинстве случаев базируется не на результатах прямых измерений, а на анализе структуры волн на поверхности пленки, экспериментальных данных о ее средней толщине, касательных напряжениях на стенке труб или каналов и других косвенных характеристиках.
Расчет эффективности работы контактной ступени с прямоточно-вихревыми контактными устройствами
Влияние химических реакций выражается в виде коэффициента усиления Е, определяемого как отношение скорости поглощения компонента хемосорбентом к скорости поглощения жидкостью без химического реагента, определяется из выражения: E=w (4-25) где к- экспериментальный коэффициент.
Данная система дифференциальных уравнений решалась численно различными методами в работах [85, 94, 95]. Результаты расчетов хорошо согласуются между собой и с экспериментальными данными, что позволяет рекомендовать данный подход для определения параметров абсорбционной очистки газов от диоксида углерода. Недостатком метода является отсутствие аналитического, решения системы уравнений и, как следствие, сложность использования предлагаемых формул в инженерных расчетах.
В работе [96] для определения кинетических закономерностей процессов химической сорбции диоксида углерода растворами аминов предложена модель равновесия газа и жидкости. Согласно основным положениям этой модели, все химические реакции идут в равновесии между собой, а концентрация воды (растворителя) предполагается постоянной, поскольку ее концентрация значительно превышает концентрацию всех других химических веществ в системе.
Концентрации компонентов рассчитываются путем решения уравнений материального баланса и закона Генри, как показано ниже [96, 97]:
Как было упомянуто выше, реакция (4.9) идет с малой скоростью, поэтому не оказывает большого влияния на кинетику хемосорбционного процесса. Значения растворимости газа в жидкости и константы Генри необходимы для решения получаемой системы нелинейных алгебраических уравнений. Константы равновесия Kj, Кз, К , К , К.-] и Kg рассчитываются в работах [98, 99, 100], в которых были получены из значения в зависимости от температуры процесса.
Согласно данным различных источников [86-99, 101], реакции диоксида углерода с МЭА идут по двум основным механизмам, называемым «механизмом амфотерного иона» и по «тримолеклярному» механизму. Реакция диоксида углерода с раствором МДЭА объясняется каталитической гидратацией С02.
Механизм амфотерного иона заключается в формировании амфотерионного комплекса и последующего депротонирования амфорерного иона основанием [102]. Данный процесс был показан выше как реакция образования карбамата (4.7), которая может быть расписана в виде:
В реакции (4.37) слагаемое В может быть любым веществом, которое могло бы предоставить протон. Как было сказано выше, третичный амин не вступает в непосредственную реакцию с диоксидом углерода, а выступает в качестве катализатора гидратации СОг. Основываясь на этом факте, суммарная скорость реакции диоксида углерода со смесью аминов может быть рассчитана по уравнению [103]:
Изучение кинетики основано на предположении, что реакция МДЭА с С02 — это реакция псевдо первого порядка, т.е. при условии избытка третичного амина отсутствует градиент концентраций МДЭА в жидком реагенте.
Тримолекулярный механизм предполагает, что реакция идет в единственную стадию, где инициирующим веществом является не амфотерный ион, а свободно связанный комплекс молекул, который разрушается до формы молекулы реагента, в то время, как малая его часть реагирует с другой молекулой амина или молекулой воды с образованием ионов. Порядок реакции по этому механизму рассчитывается по уравнению, предложенному в [107]: ГС02 = [ НгО
Выражение для скорости реакции диоксида углерода со смесью (рис. 4.1) первичного и третичного аминов по тримолекулярному механизму рассчитывается по аналогии для реакции с единственным амином [107]: Зависимость константы равновесия реакции СОг с раствором МДЭА (27% масс) - МЭА (3% масс) от концентрации свободного МЭА 101 На основании этого можно утверждать порядок суммарной реакции поглощаемого диоксида углерода с раствором смеси первичного и третичного аминов будет рассчитываться по формуле аналогичной (4.44). к& 1/с 30000 -25000 -20000 -15000 8000-5000 и 333 К х 323 К А 313К и 303 К о 298 К [МЭА], моль/литр Зависимость константы равновесия реакции СОг с раствором МДЭА (23% масс) - МЭА (7% масс) концентрации свободного МЭА
В работе [96] проводилось экспериментальное исследование кинетических закономерностей поглощения диоксида углерода абсорбентами на основе МДЭА.
Сплошные линии на графиках, представленных на рис. 4.2 рассчитывались по уравнению: Это модифицированное уравнение тримолекулярного механизма, которое используется для определения ориентировочных значений кинетических параметров реакций. В результате обработки экспериментальных данных, представленных в работе [96], были получены зависимости параметров кот температуры:
Указанные зависимости позволяют рассчитать кинетические параметры реакции диоксида углерода и абсорбентов на основе МДЭА и применимы для инженерных расчетов процессов газоочистки.
Расчет эффективности хемосорбционной очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода
Методика расчета эффективности физической сорбции в прямоточно-вихревом контактном устройстве представлена в главе 3. Однако выявлено, что при поглощении диоксида углерода водой общая эффективность очистки в прямоточно-вихревом контактном устройстве недостаточна для промышленных целей. Следовательно, качественная очистка водородсодержащих газов от диоксида углерода возможна только в результате использования хемосорбента. Ниже представлена методология расчета хемосорбционного процесса в предложенном аппарате вихревого типа. В основе предлагаемой методики лежит представление о том, что: - поглощаемый компонент мгновенно реагирует с активной частью хемосорбента; - при протекании реакции в массе жидкости на 1 моль СОг расходуется 1 моль МДЭА. Уравнения материального баланса для прямоточно-вихревого контактного устройства не отличаются для процессов физической и химической сорбции.
Технико-экономический анализ применения аппаратов с прямоточно-вихревыми контактными устройствами для разделения водородсодержащих газов
Норма расхода по содержанию диоксида углерода в очищенном газе достигается при расходе поглотителя 900 м /час, что на 25% ниже проектного значения. Раствор третичного амина имеет меньшую теплоемкость и требует меньшего расхода греющего пара на десорбцию. Это позволяет сэкономить не менее 35% потребляемой энергии в процессе очистки конвертированного газа от СОг, что может привести к экономии природного газа в размере 35 н.м. на тонну аммиака.
Снижение себестоимости аммиака от экономии электроэнергии. Экономия электроэнергии достигается за счет частичного ( на 50%) отключения аппаратов- воздушного охлаждения в связи с повышением температуры конвертированного газа на входе в абсорбер.
Потребляемая мощность двигателей АВО 400 квт.час, тариф 1 кВт.час электроэнергии составляет 0,26 рублей; С2=0,88р./т
Снижение затрат на проведение ремонтно-восстановительных работ на технологическом оборудовании блока сорбционной очистки конвертированного газа от диоксида углерода.
Учитывая относительную пассивность МДЭА по отношению к материалам существующего оборудования, следует предположить, что не менее, чем в 2 раза сократятся затраты на ремонт оборудования, выход из строя которого в настоящее время происходит в основном из-за коррозионной активности раствора МЭА.
Затраты на внедрение мероприятия. На первой стадии выполнения работ по модернизации технологии сорбционной очистки конвертированного газа от диоксида углерода, которая заключается в замене моноэтаноламина на активированный метилдиэтаноламин, как таковых капитальных затрат на СМР не требует. Однако потребуется финансирование на приобретение сорбента МДЭА, разовая загрузка которого на один агрегат аммиака АМ-76 составляет 600 м3 50%-й концентрации по амину, что в пересчете на 98% аМДЭА (товарный продукт) выразится примерно в 300 т.
При цене на МДЭА, равной 35000 руб/т, разовые затраты на его приобретение составят: Ki = 300 35000 = 10,5 млн. руб. Капитальные затраты на модернизацию оборудования и установку в абсорбционных аппаратах прямоточно-вихревых контактных устройств составят: К2 = 7,5 млн.
Повторное использование на другом агрегате АМ-76 бывшего в употреблении раствора МЭА, количество которого составит до 160 т в пересчете на 100%-ю концентрацию по амину, удешевят общие затраты на приобретение сорбентов:
Представленный расчет показывает: реализация предлагаемых технических решений по модернизации массообменного оборудования и замене традиционных поглотителей абсорбентами на основе МДЭА приведет, в конечно счете, к уменьшению эксплуатационных затрат. Срок окупаемости мероприятий по внедрению предлагаемых технических решений составит немногим более двух лет.
1. Сравнительный анализ методов и аппаратурного оформления процессов очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода выявил целесообразность использования для поглощения СОг аппаратов с прямоточно-вихревыми контактными устройствами и абсорбентов на основе метилдиэтаноламина.
2. Разработаны и защищены патентами Российской Федерации на полезные модели конструкции прямоточно-вихревых контактных устройств для очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода. Предложенные конструкции приняты к внедрению на ООО «ПромКомплект» г. Нижнекамск.
3. В результате экспериментальных и численных исследований получены зависимости скорости жидкости в сепарационных отверстиях ПВКУ от скорости несущего газового потока, величины удельной нагрузки по фазам и конструктивного исполнения отверстий.
4. Установлены основные технологические и конструктивные параметры, влияющие на скорость течения и изменение высоты слоя жидкости на тарелке многоступенчатого массообменного аппарата с предложенными прямоточно-вихревыми контактными устройствами,
5. Разработано математическое описание процесса поглощения диоксида углерода из водородсодержащих газов водным раствором метилдиэтаноламина, установлены зависимости эффективности поглощения СОг от величины удельного орошения и общего давления в системе.
6. Получены зависимости эффективности массообмена в аппаратах с прямоточно-вихревыми контактными устройствами, показано, что использование предложенных контактных устройств позволяет повысить эффективность работы ступени на 20% по сравнению с использованием ПВКУ других конструкций.
7. На созданной автором экспериментальной установке проведена серия исследований поглощения диоксида углерода из газовоздушной смеси водным раствором метилдиэтаноламина в предложенном прямоточно-вихревом контактном устройстве. Исследования показали линейный характер увеличения эффективности поглощения с увеличением степени орошения аппарата.
8. Разработана принципиальная технологическая схема выделения диоксида углерода из водородсодержащих газов в многоступенчатых аппаратах с предложенными прямоточно-вихревыми контактными устройствами с использованием в качестве поглотителя водного раствора метилдиэтаноламина.
