Вспомогательное оборудование криогенных установок
Грачев А.Б., Боярский М.Ю., Савинова Н.М.

§2. Системы очистки с применением поглотителей в виде раствора

В качестве примера рассмотрим очистку природного газа и воздуха от двуокиси углерода.[6, 13] В таких системах в качестве поглотителей применяются водные растворы моноэтаноламина (CH₂ CH₂ OH NH₂) и едкого натра (NaOH). Реакции поглощения двуокиси углерода (СО₂) идут по соответствующим уравнениям.

Для моноэтаноламина (МЭА) реакция идет с образованием карбоната (2-1а) и
бикарбоната (2-1б):

(2-1a)

(2-1б)

Для едкого натра используется реакция с образованием карбоната натрии и воды

(2-2)

Необходимый расход поглотителя на единицу массы СО₂ можно определить из уравнения материального баланса соответствующей реакции, зная молекулярные веса реагирующих веществ. Например, подставив в (2-2) величины молекулярных весов 2⋅40 + 44 = 106 + 18, найдем, что для поглощения 1 кг СО₂ требуется 1,82 кг NaOH. Затем, зная начальную концентрацию раствора NaOH и степень его использования, легко рассчитать необходимый расход раствора.

Особенность реакции поглощения двуокиси углерода моноэтаноламином (МЭА) состоит в том, что она обратима при температурах 390 ÷ 400K. Это его свойство используют для регенерации отработанного раствора, что повышает экономичность системы очистки. В связи с этим моноэтаноламин применяют для очистки газов с большим содержанием CO₂, например, в системах грубой очистки природного газа, где начальная концентрация составляет 3-4% CO₂. Содержание двуокиси углерода в газе, выходящем из системы очистки, находится в пределах 0,04 ÷ 0,05% - при однократной очистке газа и 0,02 ÷ 0,015% - при двукратной.

Рис. 5. Схема грубой очистки природного газа от CO₂ раствором МЭА:
1 – контактный аппарат, 2 – сепаратор, 3 – теплообменник, 4 – десорбер,
5 – кипятильник, 6 – сборник раствора МЭА, 7 – циркуляционный насос.

Принципиальная схема системы грубой очистки природного газа от CO₂ при извлечении гелия показана на рис. 5. Газ поступает на очистку в контактный аппарат 1, где проходит снизу вверх через насадку из колец Рашига, орошаемую раствором МЭА . Очищенный газ проходит через сепаратор 2, в котором улавливаются капли раствора МЭА, и далее направляется в систему тонкой очистки. Из сепаратора раствор стекает в сборник контактного аппарата.

Раствор из сборника поступает непрерывно на регенерацию в десорбер 4, предварительно подогреваемый в теплообменнике 3 до 388К. В десорбере 4 раствор стекает по насадке вниз, постепенно регенерируется, а выделяющаяся двуокись углерода СО₂ вместе с парами воды поднимается вверх и выходит из аппарата. Рабочий пар получают в кипятильнике 5, обогреваемом паром.

Регенерируемый раствор из сборника десорбера направляется в теплообменник 3, где охлаждается и далее поступает в сборник МЭА - 6. Циркуляция раствора моноэтаноламина в контактном аппарате осуществляется насосом 7.

В системах тонкой очистки природного газа от СО₂ а также и очистки воздуха, поступающего в блок разделения воздуха, где начальная концентрация составляет 0,03 ÷ 0,04%СО₂ , применяют раствор едкого натра. [Этот способ нашел применение в блоках разделения воздуха малой и средней производительности. При разработке новых установок этот способ стараются не применять, заменяя его более совершенным, например, адсорбцией, описанной в гл. III. ]

Концентрация двуокиси углерода на выходе из таких систем может не превышать 0,002%. Реакция, как уже отмечалось, идет в соответствии с уравнением (2-2) . Эта реакция необратима, поэтому систему очистки разрабатывают так, чтобы добиться возможно большего использования раствора едкого натра, который сравнительно дорог. С этой целью устанавливают два последовательно соединенных контактных аппарата, причем болен концентрированный раствор используют во втором по ходу газа аппарате. Посла обработки раствора на 50-55% его переливают в первый аппарат, где он используется до 80-85%.

Принципиальная схема системы тонкой очистки показана на рис. 6. Включение скрубберов видно из рисунка. Очистку ведут при давлении потока выше атмосферного, чтобы уменьшить габариты аппаратов.

Рис. 6. Схема скрубберной установки: 1,2 – скрубберы, 3 – бак для щелочи.
4, 5 – центробежные насосы, 6 – щелочеотделитель, 7 – подогреватель.

В качестве контактных аппаратов, где происходит реакция поглощения двуокиси углерода, применяют декарбонизаторы - при сравнительно малых расходах газа, до 500-800 нм³/ч, либо скрубберы - при расходах газа до 6000 нм³/ч в одном аппарате. Эти аппараты различаются по способу осуществления циркуляции раствора-поглотителя в аппарате. В декарбонизаторах циркуляция естественная, в скрубберах - принудительная, посредством циркуляционных насосов.

Рис. 7. Вертикальный декарбонизатор: 1 – наружный корпус,
2 – внутренний цилиндр, 3 и 4 – решетки, 5 – труба для подвода воздуха,
6 – патрубок с соплами, 7 – щелочеотделитель,
8 – труба для отвода воздуха из декарбонизатора,
9 – труба для стекания щелочи. 10 – пробные краны.

Принципиальная схема декарбонизатора показана на рис. 7. Воздух подают во внутренний цилиндр - 2, заполненный насадкой. Проходя насадку, струя воздуха дробится на отдельные пузыри, образующие с раствором газовую эмульсию, на поверхности раздела которой происходит поглощение СО₂. Эмульсия движется в том же направлении, что и воздух, так как ее плотность меньше плотности раствора, расположенного в наружном сосуде 1. Поднявшись до верхнего края цилиндра 2, эмульсия переливается в кольцевое пространство между цилиндрами, а на ее место поступает новая щелочь. Так осуществляется естественная циркуляция щелочи через насадку.

Очищенный от СО₂ воздух проходит щелочеотделитель 7 и отводится из аппарата. Капли щелочи стекают по трубе 9. В скруббере, принципиальная схема которого показана на рис. 8, контакт щелочи и воздуха также происходит при прохождении их через насадку 6, размещенную в корпусе 15. Однако здесь они двинутся противотоком, а циркуляция щелочи осуществляется насосом, который забирает ее из бака 1 и подает на насадку через разбрызгиватель 12. Воздух поступает на очистку в нижнюю часть скруббера, над уровнем щелочи, а очищенный воздух отводится в верхней части через щелoчеотделитель 9.

Основы методики расчета щелочных аппаратов

Полностью методика расчета щелочных скрубберов и декарбонизаторов изложена в [4].

Основной задачей расчета является нахождение габаритов аппаратов по известным величинам: времени контакта t очищаемого потока с химическим поглотителем и скорости потока w, отнесенной к полному сечению насадочной части аппарата. По опыту работы промышленных скрубберов и декарбонизаторов можно принять t = 40-80 с,
w = 0,06-0,1 м/c - для скрубберов и w = 0,03-0,05 м/с - для декарбонизаторов. Тогда для равномерного орошения насадки отношение ее высоты к диаметру должно быть H/d ≥ 1,5, при этом d - определяется для заданной производительности по выбранной w.

В щелочных скрубберах принятая скорость потока не должна превышать критической скорости, при которой может наступить режим захлебывания. При этом поверхность контакта фаз резко уменьшается, и нормальный процесс очистки становится невозможным. Критическую скорость можно определить

(2-3)

где v_В - кинематическая вязкость воздуха, м²/с,
d = 4 F_а / S_м - эквивалентный диаметр насадки, м,

(2-4)

где F_а - живое сечение насадки, м²/м²,
S_м - удельная поверхность насадки, м²/м³,
Re_кр - критерий Рейнольдса, соответствующий критической скорости воздуха.

(2-5)

где Аr - критерий Архимеда,

ρ_ж , ρ_в - соответственно плотность щелочного раствора и воздуха, кг/м³,
G_в, L - массовый расход воздуха и раствора, соответственно, кг/м²·ч.

Во избежание режима захлебывания в щелочных скрубберах принятая скорость w воздуха не должна превышать определенной величины, определяемой из уравнения

(2-6)

Следующая страница: 2.3. Системы очистки с твердыми поглотителями