Способ абсорбционного выделения диоксида углерода из газовых смесей абсорбентами, содержащими водные растворы аминов Российский патент 2018 года по МПК B01D53/14 

Изобретение относится к способам абсорбционного выделения диоксида углерода из газовых смесей абсорбентами, содержащими водные растворы аминов, и может быть использовано как для вновь строящихся, так и для реконструкции существующих объектов в химической, нефтехимической, газовой, металлургической, пищевой и др. отраслях промышленности.

Известен способ абсорбционного выделения диоксида углерода из газовых смесей абсорбентом, содержащим амины по циркуляционной схеме, включающий: абсорбцию диоксида углерода из газовой смеси при повышенном давлении и умеренной температуре в абсорбере с массообменными устройствами, регенерацию полученного насыщенного абсорбента при пониженном давлении и при повышении температуры в регенераторе, снабженном массообменными устройствами, с подводом тепла в нижнюю часть регенератора при помощи кипятильников, с получением горячего регенерированного абсорбента, с выделением диоксида углерода и паров воды, рекуперационный теплообмен между насыщенным и горячим регенерированным абсорбентами в теплообменном аппарате, с дросселированием давления насыщенного абсорбента после теплообменного аппарата, охлаждение регенерированного абсорбента перед подачей его насосами на абсорбцию (см. Очистка газа, А.Л. Коуль и др., М.: Недра, 1968, с. 25-26).

Недостатком этого способа является высокий расход тепла, вызванный низкой степенью рекуперации тепла горячего регенерированного раствора абсорбента, потери от которой составляют 35-40% от всего тепла, затраченного на регенерацию абсорбента и высокие капитальные затраты из-за увеличения доли теплообменного оборудования в общих затратах.

Наиболее близким к данному техническому решению является способ абсорбционного выделения диоксида углерода из газовых смесей абсорбентом, содержащим водный раствор аминов по циркуляционной схеме (см. RU 151189 U1, кл. B01D 53/14, 27.03.2015), включающий абсорбцию диоксида углерода из газовой смеси в абсорбере с массообменными устройствами, дросселирование насыщенного абсорбента, нагрев насыщенного абсорбента в первом рекуперационном теплообменнике и десорбцию из него диоксида углерода, паров воды и малорастворимых компонентов газовой смеси с отводом выделенных газов при помощи сепаратора, нагрев насыщенного абсорбента во втором рекуперационном теплообменнике, регенерацию полученного насыщенного абсорбента в регенераторе, снабженным массообменными устройствами, с подводом тепла в нижнюю часть регенератора при помощи кипятильников с получением горячего регенерированного абсорбента и с выделением газа регенерации, состоящего из диоксида углерода и паров воды, охлаждение регенерированного абсорбента во втором и первом рекуперационном теплообменниках перед подачей его насосами на абсорбцию.

Недостатком этого способа является относительно высокий расход тепла и капитальных затрат, вызванные недостаточной степенью рекуперации тепла горячего регенерированного раствора абсорбента, из-за неполного использования дроссельного эффекта снижения температуры насыщенного абсорбента в процессе рекуперационного теплообмена.

Технический результат, на достижение которого направлен предложенный способ, заключается в снижении расхода тепла путем повышения степени рекуперации тепла горячего регенерированного абсорбента, улучшении десорбции из абсорбента диоксида углерода, паров воды и малорастворимых газов и в снижении капитальных затрат.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе абсорбционного выделения диоксида углерода из газовых смесей абсорбентом, содержащим водный раствор аминов по циркуляционной схеме, включающей абсорбцию диоксида углерода из газовой смеси в абсорбере с массообменными устройствами, дросселирование насыщенного абсорбента, нагрев насыщенного абсорбента в первом рекуперационном теплообменнике и десорбцию из него диоксида углерода, паров воды и малорастворимых компонентов газовой смеси с отводом выделенных газов при помощи сепаратора, нагрев насыщенного абсорбента во втором рекуперационном теплообменнике, регенерацию полученного насыщенного абсорбента в регенераторе, снабженном массообменными устройствами, с подводом тепла в нижнюю часть регенератора при помощи кипятильников с получением горячего регенерированного абсорбента и с выделением газа регенерации, состоящего из диоксида углерода и паров воды, охлаждение регенерированного абсорбента во втором и первом рекуперационном теплообменниках перед подачей его насосами на абсорбцию, дросселирование насыщенного абсорбента после абсорбции производят до давления ниже парциального давления диоксида углерода в очищаемой газовой смеси, с десорбцией из него диоксида углерода, паров воды, малорастворимых компонентов газовой смеси с отводом выделенных газов при помощи сепаратора до нагрева насыщенного абсорбента в первом рекуперационном теплообменнике.

Указанный технический результат достигается также тем, что часть насыщенного абсорбента после дросселирования и десорбции из него диоксида углерода, паров воды, малорастворимых компонентов газовой смеси газов подают в верхнюю часть регенератора.

Указанный технический результат достигается также тем, что насыщенный абсорбент после дросселирования и десорбции из него диоксида углерода, паров воды, малорастворимых компонентов газовой смеси направляют в первый рекуперационный теплообменник при помощи насоса.

Указанный технический результат достигается также тем, что сепараторы, обеспечивающие десорбцию, размещают на высоте, которая позволяет подавать насыщенный абсорбент в теплообменники и в верхнюю часть регенератора самотеком без помощи насоса.

Указанный технический результат достигается также тем, что снижение давления насыщенного абсорбента после абсорбера осуществляют с помощью гидравлической турбины.

Предложенный способ и последовательность процессов в сочетании с использованием дроссельного эффекта процесса десорбции, снижающего температуру насыщенного абсорбента, увеличивает используемый интервал температуры при рекуперации тепла регенерированного абсорбента, чему способствует так же интенсификация процесса теплопередачи при проведении десорбции в теплообменном аппарате. Все это в комплексе обеспечивает увеличение количества рекуперируемого тепла и, следовательно, снижает общий расход тепла на регенерацию абсорбента. В свою очередь, снижение расхода тепла приводит к эквивалентному сокращению поверхностей теплообменного оборудования, что обеспечивает снижение капитальных затрат на строительство или реконструкцию промышленных установок.

Принципиальная схема установки, реализующей способ абсорбционного выделения диоксида углерода из газовых смесей абсорбентами, содержащими водные растворы аминов, приведена на фигуре 1.

Установка включает абсорбер 1, содержащий массообменные устройства, дроссельное устройство 2 или гидравлическую (парожидкостную) турбину, сепараторы фаз 3, насос для перекачки насыщенного абсорбента 4, первый рекуперационный теплообменник 5, второй рекуперационный теплообменник 6, регенератор 7, содержащий массообменные устройства, кипятильник 8, для обеспечения теплом процесса регенерации, конденсатор 9 для конденсации паров воды из газа регенерации, сборник флегмы 10 для сепарации и вывода СО₂, насос регенерированного абсорбента 11 и холодильник регенерированного абсорбента 12.

Способ абсорбционного выделения диоксида углерода из газовых смесей абсорбентами, содержащими водные растворы аминов, осуществляется следующим образом.

Газ, содержащий СО₂, поступает в абсорбер 1, где СО₂ из газа поглощается абсорбентом, поступающим сверху. На выходе из абсорбера насыщенный диоксидом углерода абсорбент дросселируется в дроссельном устройстве 2 с десорбцией СО₂ и Н₂О и образованием двухфазного потока, который поступает в сепаратор 3 для разделения фаз. При десорбции, в условиях выделяющихся из абсорбента СО₂ и паров воды, идет побочный процесс преимущественного выделения из абсорбента малорастворимых компонентов газовой смеси, таких как Н₂, N₂, СО, СН₄ и др. Из-за низкой растворимости этих компонентов в абсорбенте их количество в отводимом газе десорбции не велико и, обычно, этот газ отводится в атмосферу. Это обеспечивает, при проведении дальнейшей десорбции абсорбента в регенераторе 7, получение диоксида углерода с незначительным содержанием примесей этих компонентов, что делает его пригодным, например, для производства карбамида и жидкой СО₂ для пищевых и других целей.

Далее насыщенный абсорбент поступает в первый рекуперационный теплообменник 5, где в косвенном теплообмене с горячим регенерированным абсорбентом, поступающим из регенератора 7, он нагревается с десорбцией из него СО₂ и паров Н₂О и малорастворимых компонентов газовой смеси с отводом выделенных газов при помощи сепаратора 3. Процесс нагрева насыщенного абсорбента, сопровождающийся десорбцией из него газовой фазы, обеспечивает повышение интенсивности теплообмена и потенциальную возможность увеличения тепловой нагрузки, так как к теплу нагрева насыщенного абсорбента добавляется значительная доля тепла, расходуемого на выделение газообразных СО₂ и Н₂О из абсорбента. Образованный двухфазный поток после теплообменника-испарителя 6 направляется в регенератор 7.

Возможность повышения тепловой нагрузки со стороны насыщенного абсорбента позволяет отобрать часть потока насыщенного абсорбента до рекуперационного теплообменника 5 и использовать его в качестве «холодного байпаса» для охлаждения газа регенерации в верхней части регенератора 7, что обеспечивает уменьшение тепловой нагрузки конденсатора 9 и эквивалентное снижение капитальных затрат. Температурный режим регенератора поддерживается подачей тепла со стороны в кипятильник 8. Газы регенерации, выходящие сверху регенератора 7, охлаждаются с конденсацией паров воды в конденсаторе 9, в сборнике флегмы сконденсировавшиеся пары воды отделяются и возвращаются в общий цикл, а газообразный диоксид углерода отправляется на использование или сбрасывается в атмосферу.

Регенерированный абсорбент после теплообменников 6 и 5 насосом 11 подается на охлаждение в холодильник 12 и далее поступает на орошение в абсорбер.

Насыщенный абсорбент после дросселирования и десорбции из него диоксида углерода, паров воды, малорастворимых компонентов газовой смеси может направляться в первый рекуперационный теплообменник при помощи насоса.

Сепараторы, обеспечивающие десорбцию, могут быть размещены на высоте, которая позволяет подавать насыщенный абсорбент в теплообменники и в верхнюю часть регенератора самотеком без помощи насоса.

Сочетание процессов дросселирования насыщенного абсорбента, сопровождающегося снижением температуры, и десорбции в процессе его нагрева при низком давлении в теплообменниках 5 и 6 обеспечивает более полное использование тепла горячего регенерированного абсорбента на холодной стороне рекуперационного теплообменника, усиленное эффектом повышения интенсивности процесса теплообмена при выделении газовой фазы из насыщенного абсорбента (см. также приведенные ниже примеры).

Пример 1

В качестве примера использованы данные работы стадии абсорбционной очистки синтез-газа крупнотоннажного производства аммиака АМ-70 абсорбентом на основе метилдиэтаноламина (МДЭА), в котором рассмотрен вариант использования предлагаемого способа с давлением процесса абсорбции 29 ата со снижением давления насыщенного абсорбента после абсорбера до 1 ата в дроссельном устройстве, с подачей потока насыщенного абсорбента в рекуперационные теплообменники 5 и 6. Основные параметры и расходные показатели работы предлагаемого способа по примеру 1 приведены в таблице 1.

Пример 2

В этом примере показаны данные варианта работы предлагаемого способа такой же установки, в котором часть насыщенного абсорбента после его дросселирования подается наверх регенератора для захолаживания отходящих газов регенерации и сокращения потери тепла. Основные параметры и расходные показатели работы предлагаемого способа по примеру 2 приведены в таблице 1.

Пример 3

В этом примере приняты условия примера 2, но с использованием гидравлической турбины для снижения давления насыщенного абсорбента после абсорбции, вместо дроссельного устройства. Основные параметры и расходные показатели работы предлагаемого способа по примеру 3 приведены в таблице 1.

Представленные примеры сведены в одну таблицу, показывают возможные варианты реализации предлагаемого способа для одной и той же установки и в максимально сопоставимых условиях.

Во всех перечисленных примерах подача насыщенного абсорбента из сепаратора 3 в регенератор может осуществляться двумя вариантами:

- при помощи насоса, как это показано на фигуре;

- за счет установки сепаратора 3 на высоту, обеспечивающую подачу насыщенного абсорбента в регенератор самотеком (на схемах не показано).

Известно, что двухфазные потоки (жидкость + газ), такие как поток от рекуперационного теплообменника 6 до регенератора 7, характеризуются динамической неуравновешенностью при их движении по трубопроводам, что вызывает вибрацию трубопроводов. Для уменьшения динамических воздействий и вибрации предлагается рекуперационный теплообмен между регенерированным и насыщенным абсорбентами проводить в две ступени: в рекуперационном теплообменнике 5 на холодной стороне и в рекуперационном теплообменнике 6 на горячей стороне с промежуточным фазоразделением насыщенного абсорбента в сепараторе 3 и отводом газа десорбции.

Для обеспечения сопоставимости условий сравнения с прототипом, по аналогии с ним принята общая удельная поверхность теплообмена рекуперационных теплообменников около 6,5 м² на каждую тонну циркулирующего раствора абсорбента (м²/т).

Во всех перечисленных примерах подача насыщенного абсорбента из сепаратора 3 в регенератор может осуществляться двумя вариантами:

- при помощи насоса, как это показано на фигуре;

- за счет установки сепаратора 3 на высоту, обеспечивающую подачу насыщенного абсорбента в регенератор самотеком (на схемах не показано).

Полученные результаты в сопоставимых условиях по поверхности теплообмена рекуперационных теплообменников обеспечивают удельные расходы тепла в пределах 595,4-707 ккал/нм³ CO₂, что превосходит показатели, достигнутые в прототипе.

Предложен способ абсорбционного выделения диоксида углерода из газовых смесей абсорбентом, содержащим водный раствор аминов по циркуляционной схеме. Способ включает абсорбцию диоксида углерода из газовой смеси в абсорбере, дросселирование насыщенного абсорбента, нагрев насыщенного абсорбента в первом рекуперационном теплообменнике и десорбцию из него диоксида углерода, паров воды и малорастворимых компонентов газовой смеси, отвод выделенных газов при помощи сепаратора, нагрев насыщенного абсорбента во втором рекуперационном теплообменнике, регенерацию полученного насыщенного абсорбента в регенераторе с подводом тепла в нижнюю часть регенератора при помощи кипятильников с получением горячего регенерированного абсорбента и с выделением газа регенерации, состоящего из диоксида углерода и паров воды, охлаждение регенерированного абсорбента во втором и первом рекуперационных теплообменниках перед подачей его насосами на абсорбцию. Согласно способу дросселирование насыщенного абсорбента производят до давления ниже парциального давления диоксида углерода в очищаемой газовой смеси, с десорбцией из него диоксида углерода, паров воды, малорастворимых компонентов газовой смеси с отводом выделенных газов при помощи сепаратора до нагрева насыщенного абсорбента в первом рекуперационном теплообменнике. Изобретение позволяет снизить затраты тепла на процесс регенерации абсорбента. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 3 пр.

1. Способ абсорбционного выделения диоксида углерода из газовых смесей абсорбентом, содержащим водный раствор аминов по циркуляционной схеме, включающий абсорбцию диоксида углерода из газовой смеси в абсорбере с массообменными устройствами, дросселирование насыщенного абсорбента, нагрев насыщенного абсорбента в первом рекуперационном теплообменнике и десорбцию из него диоксида углерода, паров воды и малорастворимых компонентов газовой смеси с отводом выделенных газов при помощи сепаратора, нагрев насыщенного абсорбента во втором рекуперационном теплообменнике, регенерацию полученного насыщенного абсорбента в регенераторе, снабженном массообменными устройствами, с подводом тепла в нижнюю часть регенератора при помощи кипятильников с получением горячего регенерированного абсорбента и с выделением газа регенерации, состоящего из диоксида углерода и паров воды, охлаждение регенерированного абсорбента во втором и первом рекуперационных теплообменниках перед подачей его насосами на абсорбцию, отличающийся тем, что дросселирование насыщенного абсорбента после абсорбции производят до давления ниже парциального давления диоксида углерода в очищаемой газовой смеси, с десорбцией из него диоксида углерода, паров воды, малорастворимых компонентов газовой смеси с отводом выделенных газов при помощи сепаратора до нагрева насыщенного абсорбента в первом рекуперационном теплообменнике.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что часть насыщенного абсорбента после дросселирования и десорбции из него диоксида углерода, паров воды, малорастворимых компонентов газовой смеси подают в верхнюю часть регенератора.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что насыщенный абсорбент после дросселирования и десорбции из него диоксида углерода, паров воды, малорастворимых компонентов газовой смеси направляют в первый рекуперационный теплообменник при помощи насоса.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сепараторы, обеспечивающие десорбцию, размещают на высоте, которая позволяет подавать насыщенный абсорбент в теплообменники и в верхнюю часть регенератора самотеком без помощи насоса.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что снижение давления насыщенного абсорбента после абсорбера осуществляют с помощью гидравлической турбины.