Проект улавливания бензольных углеводородов из газа

Дипломная работа на тему:

Проект улавливания бензольных углеводородов из газа производительностью 80000 м3 по газу

Астана 2010

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность: повышение интенсивности и эффективности улавливания бензольных углеводородов.

Цель задачи: – анализ различных способов улавливания бензольных углеводородов;

– расчет оборудования при увеличении нагрузки на коксовый газ;

– пути повышения эффективности улавливания;

– определение технико–экономических показателей.

Бензольные углеводороды относятся к важнейшим химическим продуктам, на основе которых базируется современный органический синтез. Во всех технически развитых странах наблюдается устойчивый рост потребления бензола, толуола, ксилолов, которые являются основными составляющими сырого бензола.

Бензольные углеводороды получают в нефтехимическом и коксохимическом производствах. Долевое участие нефтехимической и коксохимической промышленностей в производстве бензола и его гомологов в зарубежных странах различно и зависит от степени развитости соответствующих производств. Для большинства коксохимических предприятий характерны повышенные потери бензольных углеводородов с обратным коксовым газом. В связи с этим определенный практический интерес представляет анализ технологии и технических средств, обеспечивающих эффективное извлечение бензольных углеводородов из коксового газа.

1.ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

 

1.1 Методы улавливания бензольных углеводородов из коксового газа

Существует множество способов улавливания бензольных углеводородов.

Абсорбция бензольных углеводородов поглотительным маслом при атмосферном давлении и температуре 20 – 30° С

Бензольные углеводороды улавливают из коксового газа поглотительным маслом под обычным давлением в скрубберах, последовательно включенных с соблюдением принципа противотока газа и масла. Применяются скрубберы различных конструкций, к ним предъявляются следующие требования: поверхность контакта газа и масла в них должна быть максимальной, а размеры аппарата, затраты материалов на его изготовление, а также затраты энергии на преодоление сопротивления газа и перекачку масла должны быть минимальными. При улавливании бензольных углеводородов из газа под обычным давлением распространение получили скрубберы с деревянной хордовой и металлической спиральной неподвижной насадками Процесс абсорбции бензольных углеводородов из коксового газа как и любой абсорбционный процесс, характеризуется следующим основным уравнением:

G=K_об*F*ΔP_ср (1.1)

где G – количество абсорбированного вещества, кг/ч;

К – общий коэффициент скорости абсорбции;

F – поверхность контакта фаз м²;

ΔР – среднелогарифмическая движущая сила абсорбции Па (мм рт. ст.).

Это уравнение не отражает однако, влияния всех факторов, определяющих течение процесса абсорбции. Количество этих факторов значительно больше и влияние их на степень абсорбции определяются весьма сложной математической зависимостью.

Увеличение движущей силы процесса абсорбции, а также полнота улавливания бензольных углеводородов связаны с рядом факторов.

1. Содержание бензольных углеводородов в косовом газе. С повышением концентрации бензольных углеводородов в газе возрастает их парциальное давление и движущая сила процесса абсорбции. При этом увеличивается содержание бензольных углеводородов в поглотительном масле в состоянии равновесия. При обычной концентрации бензольных углеводородов 35—36 г/м³ (1 % объемн.) равновесная концентрация их в масле не более2,5—3 % (объемн.) (при обычных условиях).

При сжатии газа содержание в нем бензольных углеводородов возрастает пропорционально давлению. Это способствует увеличению скорости абсорбции и росту концентрации бензола в масле. Следовательно, повышение давления, т. е. сжатие газа, является одним из методов интенсификации процесса улавливания.

2. Температура улавливания. С повышением температуры улавливания давление паров бензола над маслом увеличивается, движущая сила абсорбции уменьшается, а равновесная концентрация бензольных углеводородов в газе после скрубберов увеличивается. Насыщение поглотительного масла бензолом снижается, а потери их с газом увеличиваются.

В промышленности оптимальной температурой улавливания считается 25 - З0°С. При температуре ниже 10 °С вязкость поглотительного масла резко возрастает, что затрудняет его подачу на скруббер и равномерное распределение по насадке скруббера, что резко ухудшает процесс улавливания. При этой температуре из масла могут выпадать осадки, которые загрязнят насадку и увеличат сопротивление скруббера.

В скрубберах происходит уравнивание температур: температура газа повышается, а масла понижается.

Для предупреждения конденсации водяных паров из газа и обводнения поглотительного масла температура масла поддерживается несколько выше температуры поступающего газа в скрубберы, примерно на 3 - 8°С.

3. Концентрация бензольных углеводородов в поглотительном масле. Чем выше концентрация бензола в поглотительном масле, поступающем на улавливание, тем больше упругость его паров над маслом и, следовательно, равновесная концентрация в газе.

Поэтому скорость абсорбции уменьшается, а потери с обратным газом увеличиваются

Содержание бензольных углеводородов в масле, поступающем на улавливание, должно быть не выше 0,2 % для солярового и 0,3 – 0,4 % (объемн.) для каменноугольного. Уменьшение этого количества связано с увеличением расхода пара на десорбцию бензольных углеводородов из масла, с уменьшением в сыром бензоле отгона до 180 °С, увеличением выхода сольвент-нафты и потерь масла.

4. Молекулярная масса поглотителя. Возрастание молекулярной массы жидкого поглотителя связано с уменьшением степени абсорбции. Увеличение молекулярной массы масла приводит к ухудшению его поглотительной способности.

Молекулярная масса солярового масла выше, чем каменноугольного, Поэтому солярового масла требуется на 30 % больше, чем каменноугольного.

В производственных условиях расход масла на улавливание бензола в 1,5 раза больше теоретического минимума и составляет 1,5—1,6 л/м3 газа для каменноугольного и 20—21 л/м3 газа для солярового масла.

5. Поверхность орошения для перехода бензола из газа в масло, необходимы определенная поверхность орошения и продолжительность контакта между газом и маслом.

Оптимальной величиной, обеспечивающей удовлетворительное улавливание бензольных углеводородов, является норма поверхности 1,1 – 1,3 м²/м³ газа в час.

При этом величина потерь бензольных углеводородов с обратным газом не должна превышать 2 г/м³ газа.

Поверхность насадки должна быть чистой, чтобы газ и масло равномерно распределялись по сечению скруббера. Между газом и маслом должен соблюдаться строгий противоток, в результате чего газ с большим содержанием бензола встречается с маслом, имеющим также повышенную концентрацию бензола. В верхней части скруббера газ содержит мало бензола, он орошается свежим маслом, также содержащим мало бензола и соответственно имеет большую поглотительную способность.

Таким образом, для улавливания бензола из газа требуется соблюдение следующих условий: минимальное содержание бензола в масле, поступающем на улавливание; низкая температура улавливания; достаточное количество масла; противоток газа и масла; достаточная поверхность насадки и равномерность её орошения для создания необходимого контакта между газом и маслом.

Абсорбция бензольных углеводородов поглотительным маслом при повышенном давлении коксового газа 8 – 12 атм

Если коксовый газ подлежит сжатию для передачи его в сеть дальнего газоснабжения или для использования в качестве химического сырья, то в этом случае технически целесообразно извлекать химические продукты, в том числе бензольные углеводороды, из сжатого газа. При этом достигается значительная экономия капитальных и эксплуатационных затрат, более глубокое извлечение продуктов и лучшая очистка газа.

При абсорбции бензольных углеводородов из коксового газа под давлением условия процесса значительно меняются. Пропорционально повышению давления возрастает содержание бензольных углеводородов в газе, и, согласно закону Генри, равновесная концентрация этих продуктов в поглотительном масле также возрастает. Увеличивается также скорость абсорбции. Таким образом, при улавливании бензольных углеводородов под давлением процесс абсорбции значительно интенсифицируется, в результате чего резко снижается норма расхода поглотительного масла и необходимая поверхность насадки скрубберов.

При уменьшении количества масла, подаваемого в насадочные аппараты, снижается плотность орошения, в результате чего не обеспечивается достаточная смачиваемость насадки поглотителем, поэтому при абсорбции бензольных углеводородов под давлением обычно применяют не насадочные, а тарельчатые абсорберы барботажного типа.

При абсорбции бензольных углеводородов из коксового газа под давлением сокращается количество циркулирующего в системе поглотительного масла, что существенно снижает расход энергии и размеры аппаратов в отделении дистилляции насыщенного поглотительного масла.

Сжатие газа только с целью интенсификации процесса улавливания ввиду больших затрат на компрессию газа, которые полностью относятся на стоимость полученных продуктов, неэкономично. Однако если для сжатия газа применять винтовые компрессоры и использовать энергию сжатия, то улавливание продуктов коксования под давлением может быть экономичным, независимо от условий дальнейшего использования газа.

При улавливании бензольных углеводородов из коксового газа под давлением комплексно проводятся и другие технологические процессы (осушка газа, а также очистка его от окислов азота, сероводорода, циана и нафталина).

При сжатии газа значительное количество бензольных углеводородов конденсируется в газовых холодильниках и передается в сборник масла, насыщенного бензольными углеводородами.

Достоинствами данного метода являются следующие критерии:

1) Уменьшение потерь бензольных углеводородов с обратным коксовым газом. Остаточное содержание бензольных углеводородов в газе примерно 1 г/м³.

2) Уменьшение количества поглотительного масла подаваемого на абсорбер.

3) Уменьшение объема и веса скрубберов.

4) Уменьшение размеров аппаратуры отделения дистилляции насыщенного поглотительного масла.

5) Уменьшение энергозатрат на перекачивание поглотительного масла и теплообменные процессы используемые в технологии дистилляции насыщенного поглотительного масла.

Основным недостатком данного метода является высокий расход энергии на сжатие коксового газа до необходимого давления.

Адсорбция бензольных углеводородов твёрдыми поглотителями

В качестве твердых поглотителей для улавливания бензольных углеводородов из коксового газа нашли практическое применение активированные угли, имеющие наиболее развитую внутреннюю поверхность.

Количество адсорбируемых из газа бензольных углеводородов зависит от свойств угля и условий протекания процесса, в первую очередь от парциального давления паров и температуры. Зависимость между количеством адсорбируемого вещества и парциальным давлением его паров при средних давлениях выражается эмпирическим уравнением Фрейндлиха:

x/m=a*p^1/n (1.2)

где х – количество адсорбированного вещества;

m – количество адсорбента;

р – парциальное давление паров данного вещества при достижении равновесия;

а, n – константы, зависящие для данного адсорбента от природы поглощаемого вещества и температуры.

3ависимостъ количества адсорбируемого вещества от парциального давления его паров в газе при определенной температуре может быть представлена прямыми или кривыми (в зависимости от выбранной системы координат), называемыми изотермами адсорбции.

Они характеризуют статическую активность адсорбента, определяемую при достижении равновесия между концентрацией данного вещества в газе и его количеством в адсорбенте. Практически важнее динамическая активность, определяемая количеством поглощенного в адсорбере вещества до проскока.

Для активированного угля в адсорберах промышленного типа она составляет 85—95% от статической. Адсорбция активированным углем сопровождается выделением тепла.

Если в газе присутствует несколько веществ, то, как правило, в первую очередь и в значительно большем количестве поглощается вещество с более высокой температурой кипения. Существенное влияние на адсорбцию бензола активированным углем оказывают водяные пары.

Поглощенные активированным углем бензольные углеводороды извлекают из него продувкой перегретым водяным паром.

Установка разделена на два потока газа с соответствующей аппаратурой. Обе половины могут работать и как одно целое и независимо друг от друга. На каждом потоке имеется по четыре адсорбера, вмещающих до 7 т активированного угля каждый, диаметр адсорбера 2,7 м, длина 8,2 м. Адсорберы снабжены змеевиками для охлаждения и нагрева угля и оборудованы решетками, на которые засыпают уголь. При выгрузке решетки опускают и уголь легко высыпается в специальные пыленепроницаемые контейнеры, в которых его доставляют на регенерацию для удобства обслуживания и опорожнения адсорберы расположены на 3,3 м выше отметки пола.

Адсорберы работают параллельно, причём при максимальной нагрузке по газу в работе должно находиться пять адсорберов, два адсорбера в это время стоят на пропарке и один в резерве или на замене активированного угля. После адсорберов газ поступает на охлаждение в газовые холодильники непосредственного действия, где он охлаждается водой, циркулирующей через градирню.

Перед отключением из газового тракта адсорбера с насыщенным углем включается свежепропаренный адсорбер. В змеевики отключенного адсорбера прекращают подавать воду и вводят пар. Одновременно в адсорбер подают острый пар. Температура в адсорбере быстро повышается, при этом из активированного угля выделяются пары бензольных углеводородов, этилена и других окклюдированных газов. Пройдя испаритель и конденсаторы, неконденсирующиеся газы возвращаются в газопровод перед установкой (на схеме не показано). Бензольные углеводороды вместе с парами воды конденсируются и поступают в сепараторы. Пропаривание адсорбера занимает 30—40 мин (в зависимости от срока работы активированного угля).

К концу пропаривания температура угля достигает примерно 120° С, а содержание бензольных углеводородов в нём снижается до 1 – 3%.

Снижение остаточного содержания в активированном угле адсорбированных веществ требует увеличения удельного расхода пара, поэтому на практике не стремятся к слишком высокой полноте извлечения бензольных углеводородов, что в свою очередь обуславливает и не слишком высокий коэффициент улавливания их из газа.

После прекращения подачи пара в адсорбер подают воду (около 15% к углю), которая при последующем включении аппарата в газовый поток испаряется и способствует быстрому охлаждению угля, а также устранению полимеризации непредельных соединений в его порах, легко протекающей при высокой температуре в начальный период. Благодаря этому, естественно, дольше сохраняются высокие адсорбционные свойства угля. Через 20 мин после включения адсорбера подают в змеевики охлаждающую воду из резервуара градирни.

На установке используют пар высокого давления (14ати) с температурой 250°С, пар низкого давления (около 1атм) после турбин газодувок и пар, получаемый в испарителях. Для испарения поступающего в испаритель из напорного бака конденсата используется тепло, выделяющееся при охлаждении и конденсации проходящих в межтрубном пространстве паров воды и бензольных углеводородов. Температура последних большую часть времени отгонки их из угля лежит ниже 100° С, поэтому к испарителю подключен эжектор, работающий на паре высокого давления, который создает в нем необходимый для испарения воды вакуум.

Из общего количества тепла, затрачиваемого на отпарку из угля бензолъных углеводородов, только около 6% идет на сам процесс отгонки. Большее количество тепла 16,5% расходуется на нагрев адсорбера и угля. Преобладающая часть тепла (68—70%) уносится из адсорбера неконденсирующимся водяным паром. В испарителях используется около 34% этого тепла.

Опыт работы описываемой установки показал, что адсорбционная способность активированного угля о процессе эксплуатации снижается примерно с 25 до 5%, после чего уголь нужно заменять свежим. При регенерации угля его адсорбционная способность почти полностью восстанавливается, но срок дальнейшей работы уменьшается. К недостаткам адсорбционного метода можно отнести большое сопротивление адсорберов проходу газа и периодичность процесса. Но при этом методе достигается более полное извлечение из газа бензольных углеводородов и значительно снижается содержание в газе цианидов, окислов азота и сераорганических соединений

Следует отметить, что в результате лучшего улавливания активированным углём сераорганических соединений их концентрация в сыром бензоле увеличивается на 30—40%.

Применение активированного угля для улавливания бензольных углеводородов требует глубокой предварительной очистки газа от сероводорода и смолистых веществ. Поэтому выбор метода обусловлен в основном требуемой очисткой газа. При потреблении его для бытовых нужд требуется глубокая очистка от сероводорода, нафталина и других примесей. В этом случае можно применять адсорбционный метод.

” Вымораживание” бензольных углеводородов при температуре – 45° С

При обычных условиях, в которых ведется улавливание бензола, пары бензола в коксовом газе находятся в перегретом состоянии, для конденсации бензольных паров при температуре газовой смеси, равной 30°С, необходимо, чтобы давление их было не ниже 118,4 мм рт. ст. Фактическое давление паров бензола в коксовом газе определяется по закону Дальтона:

Р_п= (1.3)

Если содержание паров бензола в газе равно 25 г/м³ и общее давление газовой смеси равно 760 мм рт. ст., парциальное давление паров бензола в газе составит:

Р_п=(25/78*22,4)/1000=5,46 мм. рт. ст.

Температура, при которой пары бензола, при давлении 5,46 мм рт. ст., становятся насыщенными, т. е температура, при которой начнется конденсация бензольных паров из газа, может быть определена по формуле:

(t_б – t’_б)/(t_в – t’_в)=q (1.4)

где t_б – t’_б – температура кипения бензола при нормальном давлении t_б и при давлении 5,46 мм рт. ст. t’_б;

t_в – t’_в – температура кипения воды при нормальном давлении t_в и при давлении 5,46 мм рт. ст. t’_в;

q – Постоянная величина (для бензола = 1,18);

Откуда t’_б= - 34,1

Таким же путем можно подсчитать температуру начала конденсации для паров толуола, ксилола и др. составных частей сырого бензола.

Чтобы при нормальном давлении достигнуть полного или близкого к полному выделения паров бензольных углеводородов из коксового газа, необходимо понижать температуру до минус 70°С.

Кроме низких температур, для выделения бензольных углеводородов можно воспользоваться сжатием газа. При этом упругость паров бензольных углеводородов в газе повышается и при некотором давлении наступает насыщение газа этими парами и конденсация их. Это давление Р определится из такого соотношения:

Р=P₀/P_п (1.5)

или, для ранее принятых условий,

Р=118,4/5.46=22 атм.

Чтобы достигнуть полного или почти полного, выделения бензола из газа при температуре 30° С, потребуется давление свыше 1000 атм.

Применять такие высокие давления как 1000атм или такие низкие температуры как минус 70°С только для целей выделения бензола из газа неэкономично. Практически на таких установках для выделения бензольных углеводородов из коксового газа применяют одновременно и пониженные температуры и повышенные давления. В этом случае процесс ограничивается температурами минус 40—45° С и давлениями 12—13 атм.

Установка состоит из пары теплообменников и пары аммиачных холодильников. Коксовый газ под давлением 12—13атм поступает в газовый теплообменник, где за счет холода отходящего с установки обратного газа охлаждается до температуры минус 20 или минус 25°С. При этом из газа конденсируются водяные пары, нафталин и частично пары бензольных углеводородов. Последние частично оседают в виде кристаллов на трубках теплообменника, а частично в жидком виде стекают в низ теплообменника. Из теплообменника газ поступает в холодильник, где жидким аммиаком он охлаждается до минус 45°С; при этих условиях бензольные углеводороды почти полностью конденсируются на трубках холодильника.

По мере работы установки трубки теплообменника и межтрубное пространство холодильника забиваются выделившимися кристаллами, и поэтому ход газа меняется. Сначала газ поступает в теплообменник, где своим теплом размораживает трубки теплообменника, а затем поступает в теплообменник. Теперь уже конденсация паров из газа происходит в теплообменнике, и газ из него направляется в аммиачный холодильник, а холодильник размораживается теплым аммиаком, возвращающимся в холодильную машину.

Переключение хода газа производится через каждые 4—6 часов работы установки.

Образующийся в теплообменниках и холодильниках конденсат сырого бензола стекает в специальный приемник.

В первом теплообменнике конденсируется до 32% от всего количества, содержащегося в газе бензола, во втором — до 88% и в холодильнике — до 99,5%.

Расход энергии составляет около 380 кВт/час на 1 т сырого бензола.

Сырой бензол, получаемый этим методом, по своему качеству значительно чище сырого бензола, получаемого на установках с жидкими поглотителями, и не содержит сольвент-нафты. Бензол получается светлый, с отгоном 96 % до 180° С. Содержание бензола в коксовом газе после установки составляет 1 г/м³.

Этот метод улавливания широкого применения пока не получил вследствие высокого расхода энергии на сжатие газа и высокого содержания в коксовом газе различных веществ, которые при охлаждении выделяются в твёрдом виде и засоряют аппаратуру. Это вызывает необходимость устанавливать резервные аппараты и постоянно переключать работающие аппараты на резервные. Всё это сильно удорожает установку.

Абсорбция бензольных углеводородов жидким поглотителем при низкой температуре – 17° С.

Бензольные углеводороды можно извлечь из газа путем промывки его при низкой температуре сольвентом. Для осушки и охлаждения газа в него подают одновременно с сольвентом 30%-ный раствор хлористого кальция. Газ на установку поступает после сухой сероочистки под давлением 7,5—8,5 атм. В трубчатом холодильнике он охлаждается оборотной технической водой до 28° С и поступает в теплообменники, где обезбензоленным газом охлаждается до 4° С, последний же нагревается с —17 до 10° С.

В холодильнике и теплообменниках выделяется около 30% общего количества бензола в поступающем газе. Конденсат содержит также почти весь нафталин. После разделения в сепараторе легкое масло поступает в сборник, а водный конденсат направляют в цикл орошения газосборников.

То что я выделила – идет описание установки нужна схема или рисунок .Газ после теплообменников поступает в абсорбер 6, где охлаждается с 4 до 12° С 30% -ным раствором хлористого кальция, поступающем после холодильной машины с температурой – 22° С в количестве около 2 л на 1 м³ газа. Кроме того, в абсорбер подают в тонкораспыленном состоянии сольвент (около 0,0015 л/м³ газа), благодаря чему устраняется закупорка аппарата кристаллизующимся бензолом. В абсорбере выделяется практически вся вода и большая часть бензольных углеводородов.

Из абсорбера газ поступает в тарельчатый абсорбер, в котором промывается сольвентом, поступающим после холодильной машины с температурой —22° С в количестве 0,02 л/м³ газа. Большую часть его подают на самую верхнюю тарелку и около 10% от всего количества поступает на третью тарелку (снизу), где остаточный бензол выделяется из газа в твердом виде. Для отвода тепла конденсации бензола на пятую тарелку (снизу) подают 0,4 л/м³ газа раствор хлористого кальция. Температура газа на выходе из абсорбера составляет – 17° С при содержании в нём бензольных углеводородов около 0,3 г/м³.

Вся жидкость из абсорберов стекает в сепараторы, откуда раствор хлористого кальция снова поступает на охлаждение в холодильную машину, а сольвент – в дистилляционное отделение. Для поддержания нужной концентрации раствора хлористого кальция (плотность 1,25) предусмотрена выпарная установка, в которую непрерывно отводят часть раствора из сепаратора. Поступающий в дистилляционное отделение сольвент через первый теплообменник поступает в расширительный сборник, откуда насосом прокачивается через второй теплообменник и решофер в колонну. В теплообменниках сольвент нагревается вытекающим из колонны обезбензоленным продуктом, а в решофере - паром до 115° С.

Кроме того, предусмотрен‚ циркулярный подогреватель, давление пара в котором 12 атм. Колонна (16 тарелок) орошается получаемым сырым бензолом, имеющим отгон до 180° С не меньше 99,5%. Вытекающий‚ из колонны, сольвент начинает кипеть при температуре выше 153° С.

Часть вытекающего из колонны продукта и конденсат из газовых холодильников‚ после компрессоров непрерывно поступает во вспомогательную ректификационную колонну. Внизу колонны имеется электроподогреватель. В качестве орошающей жидкости применяют сырой бензол. Пары из колонны поступают в колонну, а вытекающий остаток, представляющий собой смесь нафталина, смолистых и высококипящих веществ. отводится в сборник. Благодаря работе колонны осуществляется регенерация циркулирующего сольвента и тем самым сохраняется постоянным его качество; кроме того, из газового конденсата, содержащего 85% веществ. отгоняющихся до 200° С, получают около 25% сольвента, которым восполняют потери этого компонента процессе улавливания из газа и выделения из поглотителя бензольных углеводородов.

Из всех приведенных способов улавливания бензольных углеводородов можно сделать вывод, что наиболее целесообразным оказался метод абсорбции бензольных углеводородов поглотительным маслом при атмосферном давлении, т.к. при этом получаются низкие энерго затраты на транспортировку газа. [1]