PL164838B1

PL164838B1 - Sposób oceny absorpcyjnych własności aktywowanych roztworów węglanu potasowego )m isstalacJI przemysłowych

Info

Publication number: PL164838B1
Application number: PL28843790A
Authority: PL
Inventors: Adam Halat; Mieczyslaw Seweryniak; Zdzislawa Reterska; Leszek Grochowski; Jozef Pietronski
Original assignee: Politechnika Wroclawska; Zaklady Azotowe Kedzierzyn
Priority date: 1990-12-20
Filing date: 1990-12-20
Publication date: 1994-10-31
Also published as: PL288437A1

Abstract

Sposób oceny absorpcyjnych własności aktywowanych roztworów węglanu potasowego z instalacji przemysłowych, stosowanych zwłaszcza do usuwania dwutlenku węgla z mieszaniny gazów, znamienny tym, że w instalacji doświadczalnej realizującej proces absorpcji dwutlenku węgla z mieszaninyo zawartości 36% objętościowych roztworem absorbującym o temperaturze 96°C i pod ciśnieniem 500 kPa, przy czym mieszanina gazów jest doprowadzona w ilości 800 Nm m h , natomiast roztwór absorpcyjny w ilości 20mm h , a później przeprowadzającej proces desorpcji prowadzony pod ciśnieniem 105 kPa w temperaturze wrzenia roztworu, wyznacza się pojemność absorpcyjną,stężenie dwutlenku węgla w roztworze,stopień nasycenia roztworu dwutlenkiem węgla i współczynnik wymiany masy dla dwutlenku węgla dla roztworu wzorcowego i roztworu ocenianego, i w przypadku stwierdzenia odchyleń wartości uzyskanych dla roztworu ocenianego w stosunku do roztworu wzorcowego, roztwór oceniany uzupełnia się o brakujące ilości składnika aktywnego a następnie ponownie wyznacza się pojemność absorpcyjną, stężenie dwutlenku węgla w roztworze, stopień nasycenia roztworu dwutlenkiem węgla i współczynnik wymiany masy dla dwutlenku węgla i potwierdza prawidłowość oznaczeń chemicznych.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób oceny absorpcyjnych własności aktywowanych roztworów węglanu potasowego z instalacji przemysłowych, zwłaszcza roztworów stosowanych do usuwania dwutlenku węgla z gazów w przemyśle chemicznym, energetycznym i przemysłach pokrewnych.

Roztwory absorpcyjne stosowane w instalacjach przemysłowych do oczyszczania gazów ze składników niepożądanych są najczęściej roztworami wieloskładnikowymi, z których część stosowana jest w niewielkich stężeniach i spełnia funkcję katalizatora w procesie absorpcji i desorpcji składnika usuwanego z gazu oczyszczanego. Roztwory te w czasie ich użytkowania ulegają zanieczyszczeniu substancjami zawartymi w śladowych ilościach w gazie oczyszczanym, produktami reakcji ubocznych i reakcji rozkładu składników roztworu absorpcyjnego oraz substancjami zanieczyszczającymi surowce handlowe, stosowane do przygotowania i uzupełniania ubytków składników roztworu. Dodatkowym źródłem zanieczyszczeń może być okresowe przenoszenie substancji w ciągu technologicznym, przykładowo katalizatory lub środki antykorozyjne przy rozruchu i zatrzymaniu instalacji oraz w awaryjnych stanach pracy instalacji przemysłowej. Obecność substancji zanieczyszczających w takim roztworze może powodować zmniejszenie lub utratę katalitycznych własności substancji aktywujących roztwór absorpcyjny. Znany ze stosowania sposób oceny absorpcyjnych własności aktywowanych roztworów węglanu potasowego, zwłaszcza roztworów aktywowanych dwuetanoloaminą, polega na przeprowadzeniu analizy parametrów pracy instalacji przemysłowej, takich jak strumień objętości gazu oczyszczanego, stężenie dwutlenku węgla w gazie oczyszczonym i zużycia energii na jednostkową ilość usuwanego dwutlenku węgla. Dodatkowo analizuje się wyniki analiz chemicznych przewidzianych w technologii procesu, takie jak stężenie węglanów w przeliczeniu na węglan potasowy K2CO3, stężenie stosowanego aktywatora oraz stopień nasycenia dwutlenkiem węgla zregenerowanego roztworu obiegowego. Strumień objętości gazu oczyszczanego i stężenie dwutlenku węgla w gazie oczyszczonym są zwykle parametrami bezpośrednio mierzonymi w procesie technologicznym, natomiast wyznaczenie jednostkowego zużycia energii wymaga przeprowadzenia złożonych obliczeń bilansowych obejmujących wszystkie źródła energii w układzie. Zgodność parametrów pracy instalacji przemysłowej z założeniami projektowymi oraz prawidłowe wyniki podanych wyżej analiz chemicznych, zawierające się w zakresach podanych w technologii procesu, świadczą o poprawnej pracy instalacji przemysłowej, a tym samym o wystarczających własnościach absorpcyjnych stosowanego roztworu obiegowego.

164 838

Niedogodnością techniczną znanego sposobu jest uzależnienie oceny absorpcyjnych własności roztworu od dużej liczby parametrów pracy instalacji przemysłowej, zwłaszcza od jednostkowego zużycia energii w procesie usuwania dwutlenku węgla. Parametr ten jest złożoną funkcją wszystkich parametrów procesu i wyznaczany jest najczęciej ze znacznym błędem zależnym od stanu technicznego aparatury kontrolno-pomiarowej instalacji przemysłowej. Ponadto każdy z omawianych parametrów pracy instalacji przemysłowej jest zależny od ogólnego stanu technicznego instalacji przemysłowej, a nie tylko od absorpcyjnych własności roztworu obiegowego. Przepisy analityczne podawane w technologii procesu nie uwzględniają występowania zanieczyszczeń gromadzących się w roztworze na skutek reakcji ubocznych składników roztworu w obecności dwutlenku węgla. Powoduje to możliwość występowania błędów w oznaczaniu podstawowych składników roztworu obiegowego, w tym przypadku węglanu potasowego i aktywatora. Obniżone stężenie tych składników w stosunku do podanych w technologu procesu są przyczyną wzrostu kosztów produkcji wynikających ze zwiększonego jednostkowego zużycia energii w procesie usuwania dwutlenku węgla. Ocena roztworu obiegowego poprzez dokładne określenie rodzaju i ilości zanieczyszczeń w roztworze na podstawie dodatkowych analiz chemicznych jest długotrwała i kosztowna, nie dając przy tym jednoznacznego potwierdzenia jego własności absorpcyjnych.

Wynalazek dotyczy sposobu oceny absorpcyjnych własności aktywowanych roztworów węglanu potasowego z instalacji przemysłowych, stosowanych zwłaszcza do usuwania dwutlenku węgla z mieszaniny gazów. Istota wynalazku polega na tym, że w instalacji doświadczalnej realizującej proces absorpcji dwutlenku węgla z mieszaniny o zawartości 36% objętościowych roztworem absorbującym o temperaturze 96°C i pod ciśnieniem 500 kPa, przy czym mieszanina gazów jest doprowadzona w ilości 800Nm3m”²h^_1 natomiast roztwór absorbujący w ilości 20 m3m“²h”¹, a później przeprowadzającej proces desorpcji prowadzony pod ciśnieniem 105 kPa, w temperaturze wrzenia roztworu, wyznacza się pojemność absorpcyjną, stężenie dwutlenku węgla w roztworze, stopień nasycenia roztworu dwutlenkiem węgla i współczynnik wymiany masy dla dwutlenku węgla dla roztworu wzorcowego i roztworu ocenianego. W przypadku stwierdzenia odchyleń wartości uzyskanych dla roztworu ocenianego w stosunku do roztworu wzorcowego, roztwór oceniany uzupełnia się o brakujące ilości składnika aktywnego a następnie ponownie wyznacza się pojemność absorpcyjną, stężenie dwutlenku węgla w roztworze, stopień nasycenia roztworu dwutlenkiem węgla i współczynnik wymiany masy dla dwutlenku węgla i potwierdza prawidłowość oznaczeń chemicznych.

Sposób oceny absorpcyjnych własności aktywowanych roztworów węglanu potasowego według wynalazku charakteryzuje się w porównaniu ze znanym sposobem, większą skutecznością gdyż oparty jest na pomiarze parametrów wymiany masy w procesie absorpcji i desorpcji, bezpośrednio wpływających na przerobowość instalacji przemysłowych oczyszczania gazów, w których stosowane są oceniane roztwory. Porównanie parametrów wymiany masy dla roztworu ocenianego i wzorcowego o znanym składzie chemicznym prowadzi do skutecznego ograniczenia kosztownej i pracochłonnej analizy chemicznej roztworu ocenianego, z zachowaniem pełnej kontroli jego własności absorpcyjnych. Wynalazek jest objaśniony w przykładach wykonania dla roztworu węglanu potasowego aktywowanego dwuetanoloaminą, stosowanego w instalacji Benfield do usuwania CO2 z gazów.

Przykład I. Sposób oceny absorpcyjnych własności roztworu węglanu potasowego aktywowanego dwuetanoloaminą prowadzi się w instalacji doświadczalnej realizującej równolegle proces absorbcji i desorpcji dwutlenku węgla usuwanego z fazy gazowej. Instalacja składa się z dwóch kolumn wypełnionych pierścieniami Raschiga, wyparki, pomp zasilających, chłodnic i zespołu mierników: manometrów, termometrów, rotametrów i analizatorów gazu, niezbędnych do pomiaru żądanych parametrów. Fazę gazową stanowi mieszanina dwutlenku węgla i azotu, przy czym stężenie dwutlenku węgla wynosi 36% objętościowych. Faza gazowa w ilości 800 Nm³ · m^_2 · h^_1 jest doprowadzana do dolnej części kolumny absorpcyjnej, a do jej górnej części jest doprowadzany, za pomocą pompy, w przeciwprądzie do fazy gazowej, oceniany roztwór, który jest roztworem obiegowym z przemysłowej instalacji Benfield do usuwania dwutlenku węgla z gazu syntezowego do produkcji amoniaku.

Badany roztwór jest doprowadzany w ilości 20 m³ · m^_2 · h^_\ Jego temperatura wynosi 96°C, a ciśnienie 500 kPa. Badany roztwór po absorpcji dwutlenku węgla z fazy gazowej przepływa z dolnej

164 838 części kolumny desorpcyjnej, poprzez zawór rozprężny, do górnej części kolumny desorpcyjnej, pracującej pod ciśnieniem 105 kPa. Roztwór spływa po wypełnieniu kolumny w przeciwprądzie do dwutlenku węgla zdesorbowanego z roztworu i do pary wodnej doprowadzanej z wyparki. W dolnej części kolumny desorpcyjnej zregenerowany roztwór jest utrzymywany w temperaturze wrzenia, dzięki wymuszonej pompą cyrkulacji przez wyparkę. Faza gazowa opuszczająca górną część kolumny desorpcyjnej jest poddawana schłodzeniu do temperatury 20°C i po oddzieleniu wykropionego kondensatu pary wodnej mierzy się strumień objętości zdesorbowanego dwutlenku węgla, który wynosi 1,34 Nm³ · h^-1. Fazę gazową opuszczającą kolumnę absorpcyjną także schładza się do temperatury 20°C i oddziela od niej kondensat pary wodnej. Strumień objętości gazu po absorpcji dwutlenku węgla w kolumnie absorpcyjnej wynosi 5,10Nm³ih\ Stężenie węglanu i wodorowęglanu potasowego w próbkach roztworu badanego, pobranych z dolnej i górnej części kolumny absorpcyjnej, wynosi odpowiednio 1,004 mol •dm-i i 3,095 mol·dm1 dla dolnej części oraz 1,384 mol · dm1 i 2,335 mol · dm^ dla górnej części kolumny, co odpowiada 27,2% wagowych węglanów w przeliczeniu na węglan potasowy K2C03. Ze zmierzonych parametrów pracy instalacji doświadczalnej sporządza się bilans masowy dwutlenku węgla w fazie gazowej i ciekłej, określając strumień dwutlenku węgla przenoszony przez roztwór badany. Strumień ten wynosi 1,36 Nm3 · h 1 Obliczone na podstawie zmierzonych i wyznaczonych wielkości parametry charakteryzujące wymianę masy dwutlenku węgla wynoszą: pojemność absorpcyjna ocenianego roztworu 0,380 mol · dm³, stężenie dwutlenku węgla w roztworze zregenerowanym 1,17 mol CO2 · dm-3, stopień nasycenia dwutlenkiem węgla roztworu zregenerowanego 0,457 mol CO2/mol K2CO 3, współczynnik wymiany masy dwutlenku węgla 75 mol CO2 · m-³ · kPa-1 · h\

Następnie do instalacji doświadczalnej doprowadza się w miejsce roztworu badanego roztwór wzorcowy o składzie 27,2% wagowych węglanów w przeliczeniu na węglan potasowy K2CO3,1,2% wagowych dwuetanoloaminy, 0,8% wagowych soli wanadu w przeliczeniu na metawanadan potasowy KVO3 oraz 0,02% wagowych dodatku zmniejszającego pienienie się roztworu. Zachowując identyczne warunki jak przy pomiarach parametrów dla roztworu ocenianego, mierzy się i wyznacza parametry charakteryzujące wymianę masy dwutlenku węgla dla roztworu wzorcowego. Parametry te wynoszą: pojemość absorpcyjna 0,382 mol CO2 · dm-³, stężenie dwutlenku węgla w roztworze zregenerowanym 1,30 mol CO2 · dm^-3, stopień nasycenia dwutlenkiem węgla roztworu zregenerowanego 0,509 mol CO^^mol K2CO3, współczynnik wymiany masy 76 mol CO2 · m³ · kPa~1 · h“1. Różne wartości stężeń dwutlenku węgla i stopni nasycenia roztworów zregenerowanych dla roztworu ocenianego i wzorcowego świadczą o tym, że stężenie węglanu i wodorowęglanu potasowego w roztworze ocenianym jest niewłaściwie oznaczone i jest różne od stężenia w roztworze wzorcowym.

Dodatkowa analiza wykazuje, że stężenie to wynosi 22,8% wagowych w przeliczeniu, na węglan potasowy K2CO3. Roztwór oceniany uzupełniono węglanem potasowym do stężenia 27,2% wagowych w przeliczeniu na węglan potasowy K2CO3 i ponownie dokonano jego oceny w instalacji doświadczalnej. Zmierzona pojemność absorpcyjna wyniosła 0,379 mol CO2 · dm-³, stężenie dwutlenku węgla w roztworze zregenerowanym 1,30 mol CO2 · dm^-3, stopień nasycenia dwutlenkiem węgla roztworu zregenerowanego 0,508 mol C 02/mol K2CO3, współczynnik wymiany masy dwutlenku węgla 75 mol CO2 · m³ · kPa1 · h1 Otrzymane wyniki, porównane z parametrami dla roztworu wzorcowego wykazują, że oceniany roztwór po uzupełnieniu składu nadaje się do dalszej eksploatacji, gdyż ma żądane własności absorpcyjne.

Przykład I I. W sposób identyczny jak opisano w przykładzie pierwszym wyznacza się parametry charakteryzujące proces wymiany masy dwutlenku węgla dla roztworu ocenianego o składzie: 27% wagowych węglanów w przeliczeniu na węglan potasowy K2CO3 3,3% wagowych dwuetanoloaminy, 0,8% wagowych soli wanadu w przeliczeniu na metawanadan potasowy KVO3 oraz 0,02% wagowych dodatku zmniejszającego pienienie się roztworu, oraz dla roztworu wzorcowego o takim samym składzie. Parametry dla roztworu ocenianego wynoszą: pojemność absorpcyjna 0,380 mol C02· dm³, stężenie dwutlenku węgla w roztworze zregenerowanym 1,30 mol CO2 · dm³, stopień nasycenia dwutlenkiem węgla roztworu zregenerowanego 0,51 mol CO^/mol K2CO3, współczynnik wymiany masy dwutlenku węgla wynosi 77 mol CO2 · m³ · kPa1 · h\ Parametry dla roztworu wzorcowego wynoszą: pojemność absorpcyjna 0,470 mol CO2 · dm³,

164 838 stężenie dwutlenku węgla w roztworze zregenerowanym 1,30 mol CO2· dm~³, stopień nasycenia dwutlenkiem węgla roztworu zregenerowanego 0,512 mol CO^/mol K2CO3, współczynnik wymiany masy dwutlenku węgla 118^: mol CO2 · m“3 · kP^_1 · h^-1.

Z porównania powyższych parametrów wynika, że stężenie dwuetanoloaminy w roztworze ocenianym jest niewłaściwie oznaczone lub zanieczyszczenia obecne w roztworze powodują częściową utratą własności katalitycznych dwuetanoloaminy w procesie absorpcji dwutlenku węgla.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 10 000 zł

Claims

Zastrzeżenie patentowe

Sposób oceny absorpcyjnych własności aktywowanych roztworów węglanu potasowego z instalacji przemysłowych, stosowanych zwłaszcza do usuwania dwutlenku węgła z mieszaniny gazów, znamienny tym, że w instalacji doświadczalnej realizującej proces absorpcji dwutlenku węgla z mieszaniny o zawartości 36% objętościowych roztworem absorbującym o temperaturze 96°C i pod ciśnieniem 500 kPa, przy czym mieszanina gazów jest doprowadzona w ilości 800 Nm ³m^_2h”¹ natomiast roztwór absorpcyjny w ilości 20 m m”²h^-1, a później przeprowadzającej proces desorpcji prowadzony pod ciśnieniem 105 kPa w temperaturze wrzenia roztworu, wyznacza się pojemność absorpcyjną, stężenie dwutlenku węgla w roztworze, stopień nasycenia roztworu dwutlenkiem węgla i współczynnik wymiany masy dla dwutlenku węgla dla roztworu wzorcowego i roztworu ocenianego, i w przypadku stwierdzenia odchyleń wartości uzyskanych dla roztworu ocenianego w stosunku do roztworu wzorcowego, roztwór oceniany uzupełnia się o brakujące ilości składnika aktywnego a następnie ponownie wyznacza się pojemność absorpcyjną, stężenie dwutlenku węgla w roztworze, stopień nasycenia roztworu dwutlenkiem węgla i współczynnik wymiany masy dla dwutlenku węgla i potwierdza prawidłowość oznaczeń chemicznych.