CC BY
9ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА РАЗДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ АГРЕССИВНЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ
ENERGY EFFICIENCY METHODS AND FACILITIES FOR AGGRESSIVE GAS MIXTURE SEPARATION AND PURIFICATION
Статья поступила в редакцию 11.02.11. Ред. рег. № 930 The article has entered in publishing office 11.02.11. Ed. reg. No. 930
УДК 620.9.001.12
ОЧИСТКА ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВ ОТ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В АППАРАТАХ С ПРЯМОТОЧНО-ВИХРЕВЫМИ КОНТАКТНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ
И.Р. Калимуллин, А.В. Дмитриев, А.Н. Николаев
Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН ул. Лобачевского 2/31, г. Казань, Республика Татарстан, Россия, 420111 Тел. (8555) 419003, (8555) 41-48-47, (843) 236-33-59 E-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 20.02.11 Заключение совета экспертов: 24.02.11 Принято к публикации: 27.02.11
В статье предложено использование аппаратов с прямоточно-вихревыми контактными устройствами и абсорбентов на основе метилдиэтаноламина для очистки водородсодержащих газов от диоксида углерода. Представлена методика расчета эффективности очистки газов от СО2 в предложенном контактном устройстве.
Ключевые слова: водородсодержащие газы, двуокись углерода, прямоточно-вихревые контактные устройства, метилдиэта-ноламин.
PURIFICATION OF HYDRIC GASES FROM THE CARBON DIOXIDE IN THE APPARATUS WITH DIRECT-VORTEX CONTACT DEVICES
I.R. Kalimullin, A.V. Dmitriev, A.N. Nikolaev
Russian Academy of Sciences Research Center for Power Engineering Problem 2/31 Lobachevsky str., Kazan, 420111, Russia Тel. (8555) 419003, (8555) 41-48-47, (843) 236-33-59 E-mail: [email protected]
Referred: 20.02.11 Expertise: 24.02.11 Accepted: 27.02.11
The article offers an application of direct-vortex devices and absorbents based on methyldiethanolamine for the purification of hydric gases from the carbon dioxide. Calculation of efficiency of gas purification from the CO2 is proposed.
Keywords: hydric gases, the carbon dioxide, direct-vortex contact devices, methyldiethanolamine.
Ильдар Рамичевич Калимуллин
Сведения об авторе: младший научный сотрудник Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН.
Область научных интересов: исследование процессов производства водорода, динамика газа и жидкости в аппаратах вихревого типа, проблемы очистки крупных объемов газов.
Публикации: 14, из них 1 монография, 4 статьи, 6 патентов.
Андрей Владимирович Дмитриев
Сведения об авторе: канд. техн. наук, научный сотрудник Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН.
Область научных интересов: проблемы очистка газовых выбросов ТЭС, работающих на твердом и жидком топливе, исследование процессов производства водорода, динамика газа и жидкости в аппаратах вихревого типа.
Публикации: 54, из них 2 монографии, 16 статей в журналах, рецензируемых ВАК, 7 патентов.
Андрей Николаевич Николаев
Сведения об авторе: д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
На сегодняшний день водород находит достаточно широкое применение в различных областях народного хозяйства: в химической промышленности -в процессах синтеза аммиака, альдегидов, спиртов; в нефтехимической промышленности - в процессах гидроочистки, гидрокрекинга и каталитического ри-форминга, а также нефтехимического синтеза; в пищевой и фармацевтической промышленности [1]. Согласно «Стратегии развития химического и нефтехимического комплекса России до 2015 года» производство отдельных видов промышленной продукции в этих областях должно увеличиться на 280% по сравнению с 2006 годом [2], что неизбежно приведет к увеличению производства и потребления водорода. Кроме того, увеличение производства и потребления водорода будет вызвано все более широким внедрением водородных технологий в энергетику и транспорт [3].
Существенным недостатком существующих методов получения водорода является то, что он производится не в чистом виде, а в виде смеси с другими газами, что требует применения дополнительного оборудования для его очистки [1, 4]. В подавляющем большинстве существующих в России и за рубежом установок улавливания СО2 применяется хемосорбция его из газов этаноламинами (в большинстве случаев моноэтаноламином). В качестве абсорберов, как правило, применяется традиционное оборудование бар-ботажного тарельчатого и насадочного типов. Однако такое абсорбционное оборудование допускает устойчивую работу при скоростях газа, не превышающих 1,5-2 м/с [5]. При очистке больших объемов газов это приводит к необходимости увеличения габаритных размеров оборудования или использования большого количества параллельно работающих аппаратов.
Возможным способом решения проблемы является использование аппаратов вихревого типа, средне-расходная скорость газа в которых может достигать 10-30 м/с, таких как многоступенчатые массообмен-ные аппараты с прямоточно-вихревыми контактными устройствами (ПВКУ).
Прямоточно-вихревое контактное устройство представляет собой (рис. 1) цилиндрический патрубок 1, оснащенный завихрителем потока газа 2, а также узлом подачи жидкости 3 и узлом сепарации 4. Поток газа, поступающий в контактные устройства, приобретает с помощью завихрителя вращательно-поступательное движение. Жидкость подается в центральную зону контактных устройств и дробится на капли закрученным потоком газа.
Под действием центробежной силы капли жидкости перемещаются к периферии контактных устройств и оседают на стенке, образуя слой, который на выходе отделяется от потока газа с помощью се-парационного устройства. Для поддержания крутки газового и жидкостного потоков, дополнительной турбулизации пленки жидкости и предотвращения проскока газа внутри контактного патрубка установлено направляющее устройство 5 в форме геликоида.
А
Рис. 1. Конструкция прямоточно-вихревого контактного устройства [6]: 1 - контактный патрубок; 2 - завихритель;
3 - узел ввода жидкости; 4 - узел сепарации;
5 - направляющее устройство Fig. 1. Construction of direct-vortex contact device [6]: 1 - contact socket; 2 - fluid feed socket; 3 - vortex;
4 - fluid separator; 5 - director
Ступени прямоточно-вихревых аппаратов формируются из контактных устройств одинакового размера, количество которых определяется производительностью аппарата. Такой подход к конструктивному оформлению исключает необходимость решения вопроса масштабного перехода и позволяет создавать аппараты любой заданной производительности без снижения эффективности.
Малая растворимость диоксида углерода в воде приводит к необходимости использования более дорогих поглотителей, таких как растворы аминов. В качестве основного хемосорбента для поглощения СО2 из водородсодержащих газов использовался раствор моноэтаноламина (МЭА), обладающий высокой поглотительной способностью, особенно при низких парциальных давлениях СО2. Недостатком абсорбентов на основе первичных аминов является их высокая коррозионная способность, высокая скорость побочных реакций и деградации [7]. Одним из распространенных методов решения этих задач в мировой практике является замена МЭА на метилдиэта-ноламин (МДЭА).
Растворы МДЭА легче регенерируются, скорость коррозии и деградации раствора меньше, чем у МЭА. Отличие механизма реакции диоксида углерода с третичным амином в том, что он не реагирует непосредственно с поглощаемым компонентом. Вместо этого третичные амины действуют в качестве основания, которое катализирует гидратацию CO2. Однако при этом возникают проблемы, связанные со снижением скорости абсорбции. Этот недостаток компенсируют добавкой различных активаторов, чаще всего вторичных и первичных аминов. Это в
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 1 (93) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
Энергоэффективные способы и устройства разделения и очистки агрессивных газовых смесей
свою очередь вновь приводит к появлению старых проблем, связанных с деградацией раствора. Многочисленные поиски активаторов - это поиск «золотой середины», то есть абсорбента, в максимальной степени удовлетворяющего противоречивым требованиям. В настоящее время в промышленности развитых стран применяются абсорбенты на основе смесей МДЭА и МЭА, содержащие эти компоненты в пропорциях 27/03 и 23/07 по массе [8, 9].
Анализируя вышесказанное, можно предположить, что применение для очистки водородсодержа-щих газов от диоксида углерода многоступенчатых аппаратов с прямоточно-вихревыми контактными устройствами в сочетании с абсорбентами на основе МДЭА является наиболее реальным путем создания высокопроизводительных газоочистных систем. Однако возможности промышленной реализации этих технических решений ограничиваются отсутствием научно обоснованных инженерных методик расчета вихревых аппаратов и недостатком информации о кинетических закономерностях взаимодействия МДЭА и СО2 в русскоязычной литературе.
/
3-я зона
\
2-я зона
\
ного устройства с циклонными завихрителями можно выделить три гидродинамически однородные характерные зоны (рис. 2). В 1-й зоне происходит перекрестное взаимодействие газового и жидкостного потока при постоянстве расхода газовой и жидкостной фаз. Во 2-й зоне - прямоточное взаимодействие фаз при постоянном соотношении массовых расходов жидкости и газа Ьт/От. В 3-й зоне - прямоточное взаимодействие фаз при условии постепенного истечения жидкости через отверстия сепаратора.
Уравнение материального баланса для /-й зоны имеет вид
Gvy = Gv (у, + dy) + dM
fl;
(1)
где Оу - объемный расход газа, м /с; у/ - концентрация извлекаемого компонента в газе, кмоль/м3; у,* = = тх/ - равновесная концентрация компонента в газе; т - константа фазового равновесия, х/ - концентрация физически растворенного компонента в поглотителе, кмоль/м3; dMfi = Ку/(у/ - - количество компонента, перешедшего через границу раздела фаз, кмоль; Ку/ - коэффициент массопередачи, м/с; F - площадь раздела фаз, м2. Учитывая, что толщина пленки жидкости намного меньше, чем радиус за-вихрителя, принимаем dFi = 2пR¿dz. Тогда из (1) можно получить уравнение вида
Gvdy = -Kyi ■ 2nRi (у, - mx,) dz .
(2)
Принимаем, что на высоте гидродинамически однородной зоны Kyi = const. Преобразуем (2) и проинтегрируем с граничными условиями у|г = y0 и
у|г=h = y>:
У i
J dyj (у - mx ) = - Ny,
(3)
\ 1-я зона
Рис. 2. Расчетная схема прямоточно-вихревого контактного устройства Fig. 2. Design scheme of the direct-vortex contact device
Исследования работы ПВКУ показали, что скорость потоков, интенсивность их перемешивания, вид и величина межфазной поверхности существенно меняются по высоте контактного устройства. В этих условиях расчеты по усредненным гидродинамическим и кинетическим параметрам не дают положительных результатов. В связи с этим контактные устройства разделяют на несколько гидродинамически однородных зон. При работе прямоточно-вихревого контакт-
где Ыу/ = FKyi/Оv - число единиц переноса в гидродинамически однородной зоне.
Решая выражения вида (3), можно получить значения концентрации извлекаемого компонента в каждой зоне ПВКУ. При условии избытка хемосорбен-та концентрацию физически растворенного СО2 можно считать равной нулю, тогда выражение (3) запишется в виде
J dy/y = - Nyi
(4)
Главную сложность при решении уравнений вида (3) и (4) представляет определение коэффициента массопередачи Ку и коэффициента массоотдачи по жидкости вь для каждой гидродинамически однородной зоны. Большинство существующих методов расчета этих параметров основаны на аппроксимации экспериментальных данных, имеют узкие границы применимости, поэтому расчетные значения эффективности массообмена в ПВКУ получаются заниженными по сравнению с экспериментальными.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
h
3
h
2
R
2
Я-1
R
h
y
Авторы предлагают рассчитывать в по известной гидродинамической аналогии Кольборна:
Sh
Re-Se " W
PW2
Se-2",
(5)
где Ж - скорость газового потока относительно пленки жидкости; тЕ = ту + та - суммарные касательные напряжения на границе раздела газа и жидкости, складывающиеся из ту= - касательно-
го напряжения пленки жидкости от наличия движущегося газового потока [10]: - скорость несущего газового потока; Ц - поверхностная скорость пленки жидкости; и та = Еарь¥^та(¥со^а - Ц) - напряжения от срыва и возвращения в пленку капель жидкости [11]: Еа - доля жидкости в каплях; V - скорость капель у поверхности пленки; а - угол между траекторией капель и пленкой. Такой подход позволяет учесть влияние интенсификации массообмена выпадающими каплями жидкости. Значение скорости закрученного газового потока, необходимое для расчета критерия Рейнольдса, можно определить по методике, описанной в [12].
Для расчета константы фазового равновесия, необходимой для определения коэффициента массопе-редачи Ку, применимы кинетические закономерности взаимодействия диоксида углерода и раствора МДЭА, приведенные в [13, 14, 15].
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,5
1
1,5
L m /G m
Рис. 3. Зависимость технологической эффективности процесса хемосорбционной очистки в прямоточно-вихревом контактном устройстве от соотношения удельных массовых нагрузок LmIGm, кг/кг, при давлениях процесса P, МПа: 1 - 0,1; 2 - 1; 3 -2; 4 - 3 Fig. 3. Dependency of technological efficiency chemisorptions purification in the direct-vortex contact device from the relative load LmIGm, kg/kg, at the gas pressure rate P, MPa equal to: 1 - 0,1; 2 - 1; 3 -2; 4 - 3
Произведя расчет состава газа на выходе из контактного устройства, можно рассчитать технологическую эффективность хемосорбционного процесса в ПВКУ. Расчет эффективности поглощения проводили на системе воздух-диоксид углерода при скорости газа 15 м/с и температуре процесса 50 °С. Расчеты показали, что, несмотря на высокую скорость газа, степень поглощения достигает 55%. Относительно невысокая степень очистки газа в одном
ПВКУ будет компенсирована организацией многоступенчатого процесса.
Анализируя графики, представленные на рис. 3 можно утверждать, что многоступенчатые массооб-менные аппараты с прямоточно-вихревыми контактными устройствами в сочетании с абсорбентами на основе метилдиэтаноламина являются наиболее применимыми аппаратами для очистки больших объемов водородсодержащих газов, так как смогут обеспечить хорошее качество очистки при больших нагрузках, когда применение традиционного массо-обменного оборудования невозможно.
Список литературы
1. Калимуллин И.Р., Дмитриев А.В., Николаев Н.А. Производство и применение водорода. Казань: ЗАО Новое знание. 2008.
2. Артемов А.А., Брыкин А.В., Щеляков М.Н., Шу-маев В.А. Анализ стратегии развития нефтехимии до 2015 года / // Росс. хим. ж. 2008. Т. LII. № 4. С. 4-14.
3. Кузык Б.Н., Яковец В.Ю. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике. М.: Институт экономических стратегий, 2007.
4. Higman, С. Maarten van der Burght. Gasification. Elsevier Science, 2003.
5. Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Щелкунов А.И., Владимиров В.А. Процессы и аппараты нефтегазопере-работки и нефтехимии. М.: ООО Недра-Бизнес-центр, 2000.
6. Пат. № 87923 РФ МПК7 B 01 D 3/00. Прямоточ-но-вихревое устройство для контакта газа и жидкости / Калимуллин И.Р., Деев Е.Б., Николаев А.Н., Дмитриев А.В. // Бюлл. № 30.
7. Жаворонков Н.М. [и др.] Справочник азотчика. М.: Химия, 1987.
8. Edali M.; Abodheir A.; Idem R. Kinetics of Carbon Dioxide Absorption into Mixed Aqueous Solutions of MDEA and MEA using Laminar Jet Apparatus and Numerically Solved Absorption-Rate/Kinetic Model. Excerpt from the Proceedings of the COMSOL Conference, Boston, 2007.
9. Kohl A.; Nielsen R. Gas Purification, 5thed.; Gulf Publishing Company: Houston, TX, 1997.
10. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1970.
11. Систер В.Г., Мартынов Ю.В. Принципы повышения эффективности тепломассообменных процессов. Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 1998.
12. Николаев А.Н. Дмитриев А.В., Латыпов Д.Н. Очистка газовых выбросов ТЭС, работающих на твердом и жидком топливе. Казань: Новое знание, 2004.
13. Hagewiesche D.P.; Ashour S.S.; Al-Ghawas H.A.; Sandall O.C. Absorption of Carbon dioxide into aqueous blends of Monoethanolamone and N- Methyldiethanola-mine. Chem. Eng. Sci. 1995, 50(7), 1071-1079.
14. Rinker E.B.; Ashour S.S.; Al-Ghawas H.A.; Sandall, O.C. Absorption of CO2 into aqueous blends of DEA and MDEA. Ind. Eng. Chem. Res. 2000. - 39, 43 - 46
15. Versteeg G.F., van Dijck L.A., van Swaaij P.M., 1996. On the kinetics between CO2 and alkanolamines both in aqueous and non-aqueous solutions, An overview. Chem. Eng. Commun. 144, 113-158.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 1 (93) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
0
