PL190745B1 - Sposób usuwania dwutlenku węgla z gazów zawierających wodór - Google Patents

Abstract

Sposób usuwania dwutlenku węgla z gazów zawierających wodór na drodze przeciwprądowej kolumnowej absorpcji w wodnym roztworze amoniaku do utworzenia amoniakalnego roztworu węglanu i wodorowęglanu amonu i kolumnowym termicznym rozkładzie tych soli połączonym z desorpcją dwutlenku węgla z tego roztworu, w którym zdesorbowany roztwór zawraca do kolumnowej absorpcji, znamienny tym, że amoniakalny roztwór węglanu i wodorowęglanu po kolumnowej absorpcji dzieli się na trzy części (5b), (5c), (5d) w proporcji (5c): (5d): (5b) = 1:2:7 i kieruje do kolumny termicznego rozkładu i desorpcji dwutlenku węgla, odpowiednio strumień (5c) na wysokość równą 0,79 wysokości wypełnienia kolumny, strumień (5d) na wysokość równą 0,51 wysokości wypełnienia kolumny i strumień (5b) na wysokość równą 0,24 wysokości wypełnienia kolumny termicznego rozkładu i desorpcji, doprowadzając jednocześnie na wysokość równą 0,05 wysokości wypełnienia tej kolumny gazy i opary po rozprężeniu roztworu po absorpcji oraz wodę buforowaną jedno- i dwuzasadowymi fosforanami, i prowadzi się desorpcję dwutlenku węgla w temperaturze 87,0 do 91,0°C pod ciśnieniem 20 kPa, po czym wydzielony dwutlenek węgla kieruje się do dalszego przerobu znanymi metodami, a wodny roztwór amoniaku po ochłodzeniu do temperatury 30-40°C kieruje do kolumny absorpcyjnej

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób usuwania dwutlenku węgla z gazów zawierających wodór, w szczególności z gazów otrzymanych na drodze katalitycznej konwersji tlenku węgla parą wodną w tzw. gazie poacetylenowym oddzielonym od produktów niepełnego spalania metanu do acetylenu.

W praktyce przemysłowej często stosowanym sposobem usuwania dwutlenku z gazów zawierających wodór jest absorpcja w alkanoaminach, w wodzie, w roztworach soli metali alkalicznych (nąjpowszechniej węglanów) lub w wodnych roztworach amoniaku.

Absorpcja dwutlenku węgla w wodzie amoniakalnej jest najbardziej znanym procesem usuwania dwutlenku węgla z gazów zawierających wodór przeznaczonych do syntezy amoniaku.

W rozwiązaniach przemysłowych absorpcję dwutlenku węgla w wodnych roztworach amoniaku stosuje się najczęściej po procesie absorpcji w gorących roztworach węglanu potasu, zaś końcowe usuwanie dwutlenku węgla prowadzi się w roztworach wodorotlenku metalu alkalicznego, najczęściej w roztworach wodorotlenku sodowego. Ten trójstopniowy układ usuwania dwutlenku węgla z gazów zawierających wodór umożliwia uzyskanie zawartości dwutlenku węgla w granicach 10 do 20 ppm; poziom ten jest wystarczającym do dalszego przygotowania mieszaniny wodór - azot lub do dalszego oczyszczania gazów zawierających wodór od węglowodorów etylenowych i metanu, jak w przypadku gazów zawierających wodór otrzymanych na drodze katalitycznej konwersji tlenku węgla parą wodną w tzw. gazie poacetylenowym oddzielonym od acetylenu w produktach niepełnego spalania metanu do acetylenu.

W tym trójstopniowym układzie usuwania dwutlenku węgla ważną rolę pełni węzeł absorpcji dwutlenku węgla w wodnych roztworach amoniaku, ponieważ od jego skuteczności uzależnione są normy zużycia amoniaku w tym węźle i normy zużycia wodorotlenku sodowego w następnym węźle, tj. w procesie absorpcji dwutlenku węgla w roztworze wodorotlenku sodowego.

W praktyce przemysłowej węzeł absorpcji dwutlenku węgla w wodnych roztworach amoniaku składa się przeważnie z kilku procesów i operacji technologicznych; poza właściwą absorpcją dwutlenku węgla z gazów zawierających wodór prowadzi się rozkład węglanu amonowego utworzonego w procesie absorpcji dwutlenku węgla oraz absorpcję amoniaku, który powstaje w wyniku rozkładu wodorowęglanu i węglanu amonowego do amoniaku, wydzielanie dwutlenku węgla, odpędzanie gazowego amoniaku i dwutlenku węgla parą wodną, zaś gaz zawierający wodór kierowany jest do węzła końcowego usuwania dwutlenku węgla w roztworze wodorotlenku metalu alkalicznego, najczęściej w roztworze wodorotlenku sodowego, po odmyciu zawartego w nim amoniaku wodą.

W publikacji A. L. Kohla i F. C. Riesenfelda pt: „Oczyszczanie gazu” Wydawnictwa Naukowotechniczne, Warszawa,1965 r. opisano proces usuwania dwutlenku węgla z gazu koksowniczego, z którego usunięto wcześniej większość siarkowodoru, benzenu oraz wyższych nienasyconych węglowodorów polegający na absorpcji w wodnym roztworze amoniaku. Absorpcję dwutlenku węgla z gazu prowadzi się w kolumnie absorpcyjnej w przeciwprądzie wodnym roztworem amoniaku o stężeniu 2 do 5% wagowych. Z gazu, który w trakcie absorpcji dwutlenku węgla zostaje nasycony gazowym amoniakiem, absorbuje się większość amoniaku w kolumnie odmywającej, po czym gaz kierowany jest do końcowego usuwania dwutlenku węgla roztworem wodorotlenku sodowego. W kolumnie odmywającej amoniak wodą zostaje również częściowo zaabsorbowany dwutlenek węgla. Roztwór wodorowęglanu i węglanu amonowego uzyskany w kolumnie absorpcyjnej kierowany jest z kolumny absorpcyjnej przez wymiennik ciepła do kolumny termicznego rozkładu i desorpcji, tzw. kolumny regeneracyjnej, w której następuje termiczny rozkład węglanów i desorpcja oraz odpędzenie zaabsorbowanego dwutlenku węgla. Zregenerowany wodny roztwór amoniaku kierowany jest częściowo do kolumny regeneracyjnej i częściowo do kolumny odpędzającej amoniak za pomocą żywej pary. Odpędzone amoniak i para wodna z kolumny odpędzającej kierowane są do kolumny regeneracyjnej, a woda pozbawiona w znacznej mierze amoniaku wyprowadzana jest z obiegu.

Opisany proces usuwania dwutlenku węgla posiada szereg wad, z których najbardziej istotną jest niepełny rozkład węglanów, pomimo dostarczania odpowiedniej ilości ciepła zawartego w bezprzeponowo doprowadzanym strumieniu pary wodnej. Obserwuje się bowiem na pewnej wysokości kolumny regeneracyjnej ponowne tworzenie się z amoniaku i dwutlenku węgla, węglanów amonu.

Według wynalazku sposób usuwania dwutlenku węgla z gazów zawierających wodór na drodze przeciwprądowej kolumnowej absorpcji w wodnym roztworze amoniaku do utworzenia amoniakalnego roztworu węglanów i wodorowęglanów amonu i kolumnowym termicznym rozkładzie tych soli połączonym z desorpcją dwutlenku węgla z tego roztworu, w którym zdesorbowany roztwór zawraca się do

PL 190 745 B1 kolumnowej absorpcji polega na tym, że amoniakalny roztwór węglanu i wodorowęglanu po kolumnowej absorpcji dzieli się na trzy części 5b, 5c, 5d w proporcji 5c:5d:5b = 1:2:7 i kieruje do kolumny termicznego rozkładu i desorpcji dwutlenku węgla, odpowiednio strumień 5c na wysokość równą 0,79 wysokości wypełnienia kolumny, strumień 5d na wysokość równą 0,51 wysokości wypełnienia kolumny i strumień 5b na wysokość równą 0,24 wysokości wypełnienia kolumny termicznego rozkładu i desorpcji, doprowadzając jednocześnie na wysokość równą 0,05 wysokości wypełnienia tej kolumny gazy i opary po rozprężeniu roztworu po absorpcji oraz wodę buforowaną jedno- i dwuzasadowymi fosforanami i prowadzi się desorpcję dwutlenku węgla w temperaturze 87,0 do 91,0°C pod ciśnieniem 20 kPa, po czym wydzielony dwutlenek węgla kieruje się do dalszego przerobu znanymi metodami, a wodny roztwór amoniaku po ochłodzeniu do temperatury 30-40°C zawraca się do kolumny absorpcyjnej.

W sposobie według wynalazku następuje zupełny rozkład węglanów amonu i nie obserwuje się ponownego tworzenia się węglanów w kolumnie termicznego rozkładu węglanów i desorpcji dwutlenku węgla (w tzw. kolumnie regeneracyjnej).

Zaletą wynalazku jest wysoka efektywność usuwania dwutlenku węgla z gazów zawierających wodór oraz odzysk czystego dwutlenku węgla o czystości powyżej 99,5% wagowego.

Przykładowe rozwiązanie sposobu według wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematyczny układ instalacji usuwania dwutlenku węgla z gazów zawierających wodór na drodze przeciwprądowej absorpcji w wodnym roztworze amoniaku i termicznego rozkładu węglanów i wodorowęglanów amonu połączonego z desorpcją dwutlenku węgla z tego roztworu. Zamieszczony poniżej przykład ilustruje przebieg procesu i uzyskane wyniki.

P r z y k ł a d. Numeracja strumieni i oznaczenia aparatów według fig. 1.

Do kolumny absorpcyjnej K1 skierowano strumień 1 tzw. gazu poacetylenowego o składzie 80% obj. H2, 3,1% obj. CO2 i 16,9% obj. gazów inertnych. Natężenie przepływu tego strumienia wynosiło 24000 Nm³/h. Również do kolumny K1 podawano pompą P1 strumień 2 z natężeniem przepływu 40 m3/h cieczy absorpcyjnej, którą stanowi 5,2% wodny roztwór węglanu amonu i amoniaku. Wysokość wypełnienia w kolumnie K1 wynosiła 18 m. Kolumna K1 pracowała pod ciśnieniem 1,4 MPa, a temperatura szczytu kolumny wynosiła 38°C. Po operacji absorpcji dwutlenku węgla w kolumnie K1 wyprowadzono z niej strumień 3 gazu poacetylenowego zawierającego poniżej 0,002% obj. dwutlenku węgla oraz strumień 5 nawęglonego roztworu poabsorpcyjnego. Nasycony amoniakiem strumień 3 kierowano do kolumny odmywającej K2 w celu odmycia amoniaku z gazu.

Na szczyt kolumny K2 podawano również wodę z natężeniem przepływu 3,5 m3/h o temperaturze 37°C buforowaną jedno- i dwuzasadowymi fosforanami. Ciśnienie w kolumnie wynosiło 1,35 MPa. Z kolumny K2 odprowadzano strumień 4 oczyszczonego gazu poacetylenowego do dalszego przerobu na mieszaninę z azotem do syntezy amoniaku oraz strumień 6 roztworu do kolumny odpędowej K4 przez wymiennik ciepła W3 gdzie podgrzano go do temperatury 85°C. Strumień 5 roztworu poabsorpcyjnego z kolumny K1 podzielono na dwie części strumień 5a i strumień 5b w proporcji 3:7. Strumień 5a skierowano do kolumny termicznego rozkładu i desorpcji K3 po podzieleniu na dwie części 5c i 5d w proporcji 1:2. Strumień 5c stanowiący 0,1 części strumienia 5 podano na wysokość 0,51 wypełnienia kolumny K3. Strumień 5b przed podaniem do kolumny K3 podgrzano do temperatury 75°C w wymienniku ciepła W1. Podgrzany strumień 5b skierowano na wysokość 0,24 wypełnienia kolumny K3. Te wielkości strumieni 5c, 5d, 5b, roztworu poabsorpcyjnego odpowiadają proporcji 5c:5d; 5b = 1:2:7. Szczyt kolumny K3 zasilono strumieniem wody buforowanej jedno- i dwuzasadowymi fosforanami z natężeniem przepływu 1 m3/h. Temperatura strumienia wynosiła 37°C. Jednocześnie do kolumny K3 wprowadzono strumień gazów i oparów z kolumny odpędowej K4 na wysokość równą 0,05 wysokości wypełnienia kolumny. W dolnej części kolumny K3 utrzymywano temperaturę w granicach 87-91°C przez podgrzewanie para cyrkulującego roztworu w wymienniku ciepła W2. Ciśnienie w dolnej części kolumny K3 wynosiło 0,02 MPa. Z kolumny termicznego rozkładu i desorpcji K3 wyprowadzono strumień 13 stanowiący dwutlenek węgla o czystości powyżej 99,5% obj. oraz strumień 11 zregenerowanego roztworu absorpcyjnego, który pompą P2 skierowano do zbiornika Z1 po schłodzeniu go roztworem poabsorpcyjnym (strumień 5b) w wymienniku ciepła W1 i wodą w wymienniku ciepła W5. W zbiorniku Z1 uzupełniano zawartość amoniaku w roztworze poabsorpcyjnym przez dodanie wodnego roztworu amoniaku (strumień 7) i skierowano zregenerowaną ciecz absorpcyjną (strumień 2) do kolumny K1 pompą P1. W kolumnie K4 następuje desorpcja amoniaku z roztworu (strumień 6) w temperaturze do 105°C. Ciecz wyczerpana (strumień 14), którą stanowi woda zawierająca do 0,01%

PL 190 745 B1 wagowego amoniaku wyprowadzana jest na zewnątrz instalacji po schłodzeniu w wymienniku ciepła W3, a następnie w wymienniku ciepła W4.

Claims (1)

1. Sposób usuwania dwutlenku węgla z gazów zawierających wodór na drodze przeciwprądowej kolumnowej absorpcji w wodnym roztworze amoniaku do utworzenia amoniakalnego roztworu węglanu i wodorowęglanu amonu i kolumnowym termicznym rozkładzie tych soli połączonym z desorpcją dwutlenku węgla z tego roztworu, w którym zdesorbowany roztwór zawraca do kolumnowej absorpcji, znamienny tym, że amoniakalny roztwór węglanu i wodorowęglanu po kolumnowej absorpcji dzieli się na trzy części (5b), (5c), (5d) w proporcji (5c): (5d): (5b) = 1:2:7 i kieruje do kolumny termicznego rozkładu i desorpcji dwutlenku węgla, odpowiednio strumień (5c) na wysokość równą 0,79 wysokości wypełnienia kolumny, strumień (5d) na wysokość równą 0,51 wysokości wypełnienia kolumny i strumień (5b) na wysokość równą 0,24 wysokości wypełnienia kolumny termicznego rozkładu i desorpcji, doprowadzając jednocześnie na wysokość równą 0,05 wysokości wypełnienia tej kolumny gazy i opary po rozprężeniu roztworu po absorpcji oraz wodę buforowaną jedno- i dwuzasadowymi fosforanami, i prowadzi się desorpcję dwutlenku węgla w temperaturze 87,0 do 91,0°C pod ciśnieniem 20 kPa, po czym wydzielony dwutlenek węgla kieruje się do dalszego przerobu znanymi metodami, a wodny roztwór amoniaku po ochłodzeniu do temperatury 30-40°C kieruje do kolumny absorpcyjnej.