Ректификационная колонна для разделения парогазовой смеси водяного пара, аммиака и сероводорода
RECTIFICATION COLUMN FOR SEPARATION OF STEAM-GAS MIXTURE OF WATER VAPOUR, AMMONIA AND HYDROGEN SULPHIDE

Изобретение относится к устройствам для разделения продуктов очистки сернисто-аммонийных сточных вод, может найти применение в химической промышленности и позволяет обеспечить требуемую степень чистоты разделения парогазовой смеси водяного пара, аммиака и сероводорода в аммиак.
Из патента №2162444 (RU МПК C02F 1/04, опубл. 27.01.2001 Бюл. №3) известна ректификационная колонна (скруббер колонного типа) для охлаждения смеси воды и аммиака с остаточным содержанием сероводорода, включающая цилиндрический корпус с патрубками подвода смеси аммиака с остаточным сероводородом и водяным паром, подвода и отвода циркулирующего потока жидкости, отвода водного раствора гидросульфида аммония, возвращаемого в абсорбционно-отпарную колонну, и аммиака сверху скруббера. Колонна оборудована насадочным контактным устройством.
Общими признаками данной колонны и патентуемого изобретения являются корпус с патрубками подвода и отвода парогазовой и жидкой фаз, циркуляционная охлаждаемая система орошения и насадочное контактное устройство.
Известная колонна, предназначенная для охлаждения смеси аммиака с остаточным сероводородом и водяным паром, не обеспечивает удаление остаточного сероводорода, что сопряжено с забивкой трубопроводов вывода аммиака солями гидросульфида аммония и необходимостью проведения дальнейшей доочистки аммиаксодержащего газа от сероводорода перед его использованием или утилизацией.
Из патента №2307795 (RU МПК C02F 1/04, B01D 3/14, опубл. 10.10.2007 Бюл. №28) известна ректификационная колонна (двухсекционный скруббер колонного типа) для разделения газовой смеси аммиака с остаточным сероводородом и водой. Колонна включает цилиндрический корпус с патрубками подвода газовой смеси, подвода и отвода циркулирующего потока жидкости, отвода очищенного аммиака сверху скруббера и конденсата в качестве кубового продукта. Верхняя секция скруббера оборудована контактным устройством (массообменной секцией) с циркуляционным орошением, при этом его нижняя секция может быть оборудована насадкой или трубчатым теплообменником.
Общими признаками данного аналога и патентуемой колонны являются корпус с патрубками подвода и отвода парогазовой и жидкой фаз, циркуляционная охлаждаемая система орошения в ее верхней части и два насадочных контактных устройства.
Технический результат от реализации известной колонны заключается в очистке и отделении аммиака от жидкой фазы.
Недостатки известной колонны заключаются в том, что осуществление процесса очистки аммиака сопряжено с необходимостью ограничения по температуре верха ректификационной колонны (не менее 100-110°С), с высокой вероятностью выпадения твердых отложений гидросульфида и сульфида аммония, а отсутствие нижнего циркуляционного орошения не позволяет создать условия для эффективного поглощения сероводорода.
Из патента №2666450 (RU МПК С01С 1/00, B01D 53/14, опубл. 07.09.2018 Бюл. №25) известна двухсекционная ректификационная колонна (абсорбер колонного типа) для очистки газообразного аммиака, содержащего сероводород, углекислый газ, меркаптаны, и для получения аммиачной воды. Колонна выполнена из двух контактных насадочных устройств, разделенных оборудованной газоходом глухой коллекторной тарелкой, снабженных двумя циркуляционными охлаждаемыми системами орошения в ее верхней и нижней частях. Колонна включает распределитель аммиачной воды для орошения нижнего контактного устройства, распределитель воды на верхнее насадочное контактное устройство, распределитель аммиачной воды для орошения верхнего контактного устройства, газоход, вход для аммиаксодержащего газа, вход для подачи аммиачной воды на нижнее контактное устройство, вход для подачи воды на верхнее контактное устройство, вход для подачи аммиачной воды на верхнее контактное устройство, выход для аммиачной воды с глухой коллекторной тарелки, вход для инертного газа, выход загрязненного потока, выход для сброса газов.
Общими признаками данного аналога и патентуемой колонны являются корпус с патрубками подвода и отвода газовой и жидкой фаз, две циркуляционные охлаждаемые системы орошения в ее верхней и нижней частях, два насадочных контактных устройства, распределители жидкости для орошения верхнего и нижнего контактных устройств и оборудованная газоходом глухая коллекторная тарелка, разделяющая контактные устройства.
Технический результат, на достижение которого направлено известное изобретение, заключается в получении аммиачной воды высокой степени чистоты требуемой концентрации, в том числе и по ГОСТ, из «грязного» газообразного аммиака, содержащего посторонние примеси (сероводород, углекислый газ, меркаптаны) в одном аппарате-абсорбере колонного типа.
Эффективность отделения аммиака от воды и остатков сероводорода не определена и не представлен состав сбросных газов.
Конструкция колонны, оборудованной двумя насадочными секциями, не обеспечивает высокую интенсивность процесса массопередачи и эффективную очистку газообразного аммиака, а также сокращение брызгоуноса и предотвращение провала жидкости. Кроме того, использование дополнительного распределителя воды для орошения верхнего контактного устройства, применение инертных газов и устройств для их подвода сопряжено с повышением материалоемкости и затрат материальных средств на изготовление и эксплуатацию колонны.
Наиболее близкой (прототип) по технической сущности и достигаемому результату является ректификационная колонна (трехсекционный абсорбер колонного типа) для разделения парогазовой смеси, содержащей водяной пар, аммиак и остаточные серосодержащие соединения, известная из патента №2602096 (RU МПК C02F 1/00, опубл. 10.11.2016 Бюл. №31). Колонна включает корпус с патрубками подвода и отвода парогазовой и жидкой фаз, циркуляционные охлаждаемые системы орошения, расположенные в его верхней и нижней частях, и три насадочные контактные устройства.
Колонна предназначена для охлаждения и конденсации паров воды, абсорбции аммиака и растворения сероводорода и меркаптанов в образовавшейся аммиачной воде. Процесс ведут таким образом, чтобы наиболее полно поглотить сероводород и меркаптаны и получить продуктовый аммиак высокой степени чистоты.
Вместе с тем, конструкция данной колонны не позволяет обеспечить высокую интенсивность процесса массопередачи и достаточно эффективное отделение аммиака от воды и остатков сероводорода, исключить брызгоунос и провал жидкости.
Техническая задача заявляемого изобретения состоит в расширении ассортимента ректификационных колонн для обеспечения глубокой степени чистоты разделения парогазовой смеси водяного пара, аммиака и сероводорода в аммиак.
Реализация заявляемого изобретения позволяет получить следующий технический результат:
- повышение эффективности разделения парогазовой смеси водяного пара, аммиака и сероводорода (сокращение количества остаточного сероводорода и воды в очищенном аммиаке);
- предотвращение образования в аппаратах и трубопроводах солей гидросульфида аммония;
- оптимизация парожидкостной нагрузки;
- исключение явлений брызгоуноса и провала жидкости.
Устранение указанных недостатков и технический результат от реализации патентуемой ректификационной колонны для разделения парогазовой смеси водяного пара, аммиака и сероводорода, включающей корпус с патрубками подвода и отвода парогазовой и жидкой фаз, две циркуляционные охлаждаемые системы орошения, расположенные в его верхней и нижней частях, три контактные устройства, распределители нижнего и верхнего циркуляционного орошения и оборудованную газоходом глухую коллекторную тарелку, достигаются тем, что колонна оборудована двумя насадочными контактными устройствами, расположенными в нижней и в верхней части корпуса, и тарельчатым контактным устройством, расположенным в средней части корпуса. Оборудованная газоходом глухая коллекторная тарелка отделяет верхнее насадочное контактное устройство от тарельчатого контактного устройства. Нижнее насадочное контактное устройство снабжено контактными элементами - насадкой по типу mellagrid 90х, среднее тарельчатое контактное устройство снабжено четырьмя контактными клапанными однопроходными тарелками, верхнее насадочное контактное устройство снабжено контактными элементами - насадкой в виде колец Палля размером 50×50. Колонна оборудована устройствами ввода и распределителями нижнего и верхнего циркуляционного орошения, которые содержат опускные трубы, полотно распределительной тарелки с оросительными отверстиями, отбойные диски, газоходы. Зазоры между полотном распределительных тарелок и опускными трубами составляет 55 мм, а между опускными трубами и отбойными дисками - 30 мм, диаметр оросительных отверстий составляет 10 мм, а их общая площадь в полотне распределительных тарелок составляет меньше 1%. В нижней части колонны и в кармане глухой коллекторной тарелки под верхним насадочным контактным устройством выполнены гасители вихрей.
Сопоставительный анализ прототипа и заявляемой ректификационной колонны для разделения парогазовой смеси водяного пара, аммиака и сероводорода показывает, что обе колонны включают корпус с патрубками подвода и отвода парогазовой и жидкой фаз, две циркуляционные охлаждаемые системы орошения, расположенные в его верхней и нижней частях, три контактные устройства, распределители нижнего и верхнего циркуляционного орошения и оборудованную газоходом глухую коллекторную тарелку.
Отличительной особенностью заявляемой ректификационной колонны для разделения парогазовой смеси водяного пара, аммиака и сероводорода является то, что колонна оборудована двумя насадочными контактными устройствами, расположенными в нижней и в верхней части корпуса, и тарельчатым контактным устройством, расположенным в средней части корпуса. Оборудованная газоходом глухая коллекторная тарелка отделяет верхнее насадочное контактное устройство от тарельчатого контактного устройства. Нижнее насадочное контактное устройство снабжено контактными элементами - насадкой по типу mellagrid 90х, среднее тарельчатое контактное устройство снабжено четырьмя контактными клапанными однопроходными тарелками, верхнее насадочное контактное устройство снабжено контактными элементами - насадкой в виде колец Палля размером 50×50. Колонна оборудована устройствами ввода и распределителями нижнего и верхнего циркуляционного орошения, которые содержат опускные трубы, полотно распределительной тарелки с оросительными отверстиями, отбойные диски, газоходы. Зазоры между полотном распределительных тарелок и опускными трубами составляет 55 мм, а между опускными трубами и отбойными дисками - 30 мм, диаметр оросительных отверстий составляет 10 мм, а их общая площадь в полотне распределительных тарелок составляет меньше 1%. В нижней части колонны и в кармане глухой коллекторной тарелки под верхним насадочным контактным устройством выполнены гасители вихрей.
Патентуемое изобретение поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 показан эскиз колонны;
на фиг. 2 показано устройство ввода верхнего циркуляционного орошения;
на фиг. 3 показан распределитель верхнего циркуляционного орошения;
на фиг. 4 показано устройство ввода нижнего циркуляционного орошения;
на фиг. 5 показан распределитель нижнего циркуляционного орошения.
Патентуемая ректификационная колонна представляет собой сварной вертикальный цилиндрический аппарат переменного сечения (1400/1000), с внутренними устройствами, установленными на цилиндрическую опору, и состоит из корпуса 1, на котором выполнены патрубок 2 для подвода парогазовой смеси водяного пара, аммиака и сероводорода (аммиаксодержащий газ), патрубок 3 для вывода аммиаксодержащего газа (очищенный аммиак), патрубок 4 для подвода нижнего циркуляционного орошения (НЦО), патрубок 5 для вывода НЦО, патрубок 6 для подвода верхнего циркуляционного орошения (ВЦО), патрубок 7 для вывода ВЦО, патрубок 8 для подвода возвратных паров, патрубок 9 для подвода очищенной воды. В корпусе 1 выполнены гаситель вихрей 10, насадочное контактное устройство 11, которое снабжено контактными элементами - насадкой по типу mellagrid 90х, распределитель нижнего циркуляционного орошения (НЦО) 12 (опускные трубы показаны не все), устройство ввода нижнего циркуляционного орошения (НЦО) 13, тарельчатое контактное устройство 14, которое снабжено контактными клапанными однопроходными тарелками в количестве 4 х штук, гаситель вихрей 15, глухая коллекторная тарелка 16, насадочное контактное устройство 17, которое снабжено контактными элементами - насадкой в виде колец Палля размером 50×50, распределитель ВЦО 18, устройство ввода ВЦО 19, опускные трубы 20 распределителей НЦО 12 (опускные трубы показаны не все) и ВЦО 18.
На Фиг 2, 4 представлены устройства ввода ВЦО 19 и НЦО 13 соответственно, которые содержат опускные трубы 20, полотно распределительной тарелки 21, отбойный диск 22, газоходы 23.
На Фиг 3, 5 представлены распределители ВЦО 18 и НЦО 12 соответственно, которые содержат опускные трубы 20, полотно распределительной тарелки 21, газоходы 23, оросительные (распределительные) отверстия 24.
На прилагаемых чертежах одинаковые обозначения относятся к одинаковым или сходным частям на разных видах.
Патентуемая ректификационная колонна работает следующим образом. Выделенную из продуктов очистки сернисто-аммонийных сточных вод парогазовую смесь, содержащую водяной пар, аммиак и остаточный сероводород, через патрубок 2 подают в нижнюю часть колонны. Абсорбент (кубовая жидкость) нижнего циркуляционное орошение (НЦО) через патрубок 4 и устройство ввода нижнего циркуляционного орошения (НЦО) 13 подают на верхнюю часть 1-го по ходу паров (нижнее) насадочного контактного устройства 11 и равномерно распределяют по поперечному сечению колонны с помощью распределительного устройства 12. Отвод раствора (вывод) НЦО производят с низа колонны через патрубок 5. При этом часть кубовой жидкости после охлаждения в воздушном, а затем водяном холодильниках направляют в качестве НЦО, а ее другую часть на - утилизацию.
Жидкость с насадочного контактного устройства 11 стекает вниз колонны, а очищаемый газ после конденсации водяных паров на данном элементе поступает в нижнюю часть тарельчатого контактного устройства 14. На верхнюю часть данного устройства через патрубок 9 подают очищенную воду для обеспечения поглощения остатков сероводорода и аммиака. Газообразный аммиак с тарельчатого контактного устройства 14 поступает в нижнюю часть верхнего насадочного контактного устройства 17, а образовавшийся в результате очистки раствор гидросульфида аммония в аммиачной воде стекает в низ колонны.
Практика показала, что на выходе из колонны возможно образование завихрений, которые препятствуют процессу ректификации и способствуют уносу газа в выпускное отверстие для жидкости, что ухудшает эффективность процесса разделения. Для исключения образования воронки жидкости с захватом газовой фазы при минимальных уровнях жидкости в кубе в нижней части колонны и в кармане сборной глухой тарелки 16 под верхним насадочным контактным устройством 17 предусмотрены гасители вихрей 10, 15.
Используя патрубок 6 для подвода верхнего циркуляционного орошения (ВЦО), устройство ввода ВЦО 19 и распределитель ВЦО 18, организовано верхнее циркуляционное орошение. За счет ВЦО достигают снижение температуры газообразного аммиака и предотвращают унос паров воды из колонны на верхнем насадочном контактном устройстве 17. При этом верхнее циркуляционное орошение обеспечивает температуру верха колонны в пределах 48-50°С. Жидкость с насадки контактного устройства 17 собирается глухой коллекторной тарелкой 16 и самотеком направляется в буферную емкость. После охлаждения и смешения с потоком чистой воды часть данной жидкости подают наверх колонны в качестве ВЦО. Отвод очищенного аммиака осуществляют сверху колонны через патрубок 3.
На Фиг. 6 показаны соотношения значений паровой и жидкостной нагрузки. Данные, представленные на Фиг. 6, убедительно показывают, что соотношения значений паровой и жидкостной нагрузки находятся в оптимальном положении.
Сопоставительные результаты очистки выделенного из технологических конденсатов аммиака от остаточного сероводорода представлены в таблице. Представленные в таблице данные показывают, что конструктивные особенности патентуемой ректификационной колонны обеспечивают получение продуктового аммиака высокой степени чистоты (содержание аммиака более 99 масс. %, содержание примеси сероводорода не более 0,002 масс. %), предотвращение образования отложений солей гидросульфида аммония в газовых трубопроводах и явлений брызгоуноса и провала жидкости.
При этом исключение явления брызгоуноса и провала жидкости обеспечивается за счет размещения тарельчатого контактного устройства 14 в средней части абсорбера. Максимально эффективное разделение аммиаксодержащего газа от остатков сероводородсодержащего газа, а также оптимальная парожидкостная нагрузка на тарелках обеспечивается за счет высокой эффективности тарельчатых устройств.
3
2
Высокая плотность жидкостного орошения (более 30 м/м⋅ч) обеспечивается за счет конструкции распределителей настильного типа.
Минимальный гидравлический градиент уровня жидкости на полотне распределительной тарелки и равномерное распределение жидкости по сечению колонны обеспечивается за счет подачи жидкости в распределители по трубчатым коллекторным устройствам ввода. При этом в распределительных устройствах расстояние между полотном распределительных тарелок 21 и опускными трубами 20 составляет 55 мм, а между опускными трубами 20 и отбойными дисками 22 составляет 30 мм. Указанные расстояния подобраны достаточными для обеспечения равномерного распределения жидкости по распределительной тарелке.
3
2
Качественное, равномерное распределение жидкости по сечению колонны обеспечивают также установленные между распределительными (оросительными) отверстиями 24 короба для прохода газа (газоходы 23) и их количество (5 в устройстве ввода ВЦО и 9 в устройстве ввода НЦО), а также определенным образом расположенные в полотне распределительных тарелок распределительные отверстия 24. Высокие расходы жидкости (более 30 м/м⋅ч) и предотвращение загрязнения оросительных отверстий обеспечиваются за счет достаточно большого (10 мм) диаметра распределительных (оросительных) отверстий. При этом общая площадь оросительных отверстий в полотне распределительных тарелок составляет меньше 1%.
Вместе с тем технический результат от реализации изобретения достигается не аддитивным вкладом каждого компонента, а за счет суммарного синергетического эффекта.