Повышение эффективности и диверсификация совместной утилизации аммиака и диоксида углерода

УДК 66.011

С. А. Лаптев

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ДИВЕРСИФИКАЦИЯ СОВМЕСТНОЙ УТИЛИЗАЦИИ

АММИАКА И ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

Ключевые слова: аммиак, диоксид углерода, утилизация, интенсификация, вихревой реактор.

Интенсификация тепломассообменных и хемосорбционных процессов позволяет рационально модифицировать действующие технологические схемы получения и утилизации веществ. Использование поля центробежных сил способствует существенному уменьшению размеров используемых аппаратов и разработке принципиально новых их конструкций. Создание технологических схем с новыми эффективными аппаратами способствует уменьшению затрат на изготовление, эксплуатацию, ремонт, а также приводит к сокращению ре-сурсо- и энергопотребления производств. В статье предложена новая технологическая схема совместной утилизации аммиака и диоксида углерода на предприятиях химической промышленности, позволившая снизить затратность процесса утилизации и обеспечить получение нового многофункционального продукта -кристаллического бикарбоната аммония.

Keywords: ammonia, dioxide carbon, disposal process, intensification, vortex reactor.

Intensification of heat and mass transfer and chemosorption processes allows to change the current technological schemes of material recovery and obtaining substances. Using of the centrifugal force field allows to reduce the size of the unit and develop new designs of ones. Creation of technological schemes with new efficient units can reduce the manufacturing, maintenance and repair costs and resource and energy consumption of chemical production. The new co-disposal of ammonia and carbon dioxide technological scheme is proposed in paper. This scheme allows to reduce the disposal process cost and to provide a new multi-purpose product - crystalline ammonium bicarbonate.

Введение

Разработка и внедрение в производство интенсивного оборудования для химических технологий позволяет по новому пересмотреть традиционные способы получения веществ, раскрыть потенциальные возможности в экономии материальных и энергетических ресурсов.

Наибольший интерес представляет интенсификация процессов утилизации вредных газовых выбросов с получением полезной продукции. Связывание между собой таких компонентов из газообразных выбросов, как диоксид углерода и аммиак с получением углеаммонийных солей можно считать наиболее оптимальным вариантом утилизации этих газов и эффективным способом защиты окружающей среды.

Углеаммонийные соли как смесь различных карбонатов аммония, основными из которых являются карбонат аммония (ЫН4)2СО3 и бикарбонат аммония МН4ИООз, находят широкое применение. Они используются в технологии органического синтеза, в производстве химических реактивов, при выделке кож, в пищевой промышленности, в сельском хозяйстве в качестве удобрения и консерванта кормов.

Углеаммиакаты - растворы карбоната, аммония или карбоната аммония и мочевины в аммиачной воде; относятся к группе аммиакатов. Используются в качестве азотных жидких удобрений под сельскохозяйственные культуры на различных почвах.

Технологии утилизации аммиака на азотно-туковых заводах и используемые аппараты

На азотно-туковых предприятиях в большинстве случаев выбросы, содержащие аммиак, поглощают водой с получением аммиачной воды [1]. Основными источниками газовых выбросов,

поступающих на абсорбционную очистку водой, являются газы постоянной продувки синтеза аммиака (продувочные газы), а также танковые газы. Дальнейшее использование аммиачной воды, в основном в качестве жидкого удобрения, затрудняет её реализацию из-за сезонности использования (в весенне-летний период) и проблем хранения аммиачной воды, требующего наличия у производителя вместительных резервуаров. К недостаткам использования аммиачной воды в качестве жидкого удобрения относится и низкое содержание азота (в 2-2,5 раза ниже, чем у углеаммиакатов и твердых азотных удобрений) на 1 кг продукции.

Производство углеаммонийных солей на азотно-туковых заводах можно осуществить благодаря наличию бросовой углекислоты, образующейся при очистке азото-водородной смеси в ходе подготовки её к синтезу аммиака. После водной очистки синтез-газа под давлением 3 МПа и последующей десорбции из конечных экспанзеров отводится экс-панзерный газ при давлении 0,12 МПа с содержанием 98 % СО2 [2].

В известных схемах получения углеаммо-нийных солей используются многостадийные процессы вследствие большого количества теплоты, которое необходимо отводить из аппарата абсорбции аммиака водой (насадочный абсорбер) и аппарата насыщения аммиачной воды двуокисью углерода (сатуратор). Эти массообменные аппараты обладают низкой интенсивностью, имеют большие габариты. Сатураторы, в которых образуются кристаллы углеаммонийных солей, работают с частыми остановками из-за зарастания теплообменных поверхностей кристаллами бикарбоната аммония и прекращения теплоотвода из зоны реакции.

В работе [3] исследовалась возможность получения углеаммонийных солей с использованием горизонтального ротационного абсорбера. Большим

числом оборотов вала создавали высокотурбулентный режим, что позволяло увеличить производительность реакционного объема при поглощении аммиака в 40-41 раз по сравнению с насадочными абсорберами. При скорости вращения вала больше определенного значения достигалось полное извлечение аммиака из газа. Полное поглощение углекислого газа аммиачной водой не достигалось, а имело максимальный предел равный 98,5 %. В тоже время в сатураторах средняя степень абсорбции углекислого газа не превышает 20 % и процесс в них протекает в 25-30 раз медленнее, чем в механических абсорберах [4]. В статье [3] также приведены результаты совместного поглощения в одном ротационном абсорбере углекислого газа и аммиака растворами карбоната и бикарбоната аммония с концентрациями в растворе от 20 до 420 г/л. Показано, что степень поглощения аммиака имеет практически такие же значения, как и при абсорбции водой. Несмотря на такие преимущества, в ротационном абсорбере, из-за наличия гравитационных сил и малых скоростей обтекания теплообменной поверхности, в верхней части может происходить зарастание её кристаллами. Возможен также капельный унос из абсорбера и утечка газовой фазы через уплотнения по месту соединения вращающегося вала с корпусом.

Использование в закрученных и вихревых потоках поля центробежной силы привело в настоящее время к разработке целого ряда интенсивных аппаратов и устройств [5], [6].

На основе результатов исследования закономерностей гидродинамики и массообмена в вихревой камере [7], [8], [9] была разработана технологическая схема получения бикарбоната аммония [10], [11]. Созданная [12] пилотная установка позволила проверить работоспособность данного технического решения и получить продукцию заданного качества. К недостатку этой технологической схемы можно отнести наличие абсорбера с большим числом ступеней контакта для первичного улавливания аммиака из продувочных газов и постоянную подачу дополнительного низкотемпературного хладагента во встроенные теплообменники абсорбера, вихревого реактора, и в выносные холодильники, что увеличивает затратность системы.

С другой стороны, эффект Ранка-Хилша, который формируется в вихревой трубе, можно использовать для генерации холода. Избыточное давление технологического газа при помощи вихревой трубы эффективно (в отличии от дросселирования) используется для понижения температуры газового потока.

В описании изобретения [13] было предложено использовать вихревую трубу для охлаждения продувочных газов и подачи газа в абсорбер улавливания МЫН3 водой, с температурой газа ниже температуры абсорбента.

Описание предлагаемой технологической схемы утилизации аммиака и диоксида углерода

В предлагаемой технологической схеме получения углеаммонийных солей, рис. 1, продувоч-

ные газы синтеза аммиака (поток 81), содержащие (3 -г 20) % ЫИ3 , и инерты под давлением 20 г 32 МПа с температурой +20 -г +35 оС поступают в вихревую трубу 2, где расширяются до давления 0,12 МПа и разделяются на два потока: холодный (с температурой -25 оС) и горячий (с температурой 90 - 100 оС). Горячий поток охлаждается в

дувочный газ синтеза аммиака; «2 - танковый газ; «3 - экспанзерный газ; 1, 3, 11 - холодильник; 2,4 - вихревая труба; 5- вихревой газожидкостный реактор; 6 - газодувка; 7 - абсорбер; 8 - буферная ёмкость; 9, 10 - насос; 12 - гидроциклон; 13 - центрифуга; 14 - транспортер

водяном холодильнике 1 до +30 оС и далее смешивается с холодным потоком. Смесителем этих потоков является распределительный отсек вихревого газожидкостного реактора 5. По аналогии с продувочными газами, танковый газ (поток 82) с содержанием 60 % ЫИ3 под давлением 2,5 МПа с температурой +20 - +35 С поступает в другую вихревую трубу 4, где расширяется до давления 0,12 МПа и разделяется на два потока: холодный и горячий. Горячий поток танкового газа охлаждается в выносном холодильнике 3 до температуры 30оС. Смешение холодного и охлажденного горячего потоков танкового газа осуществляется в том же распределительном отсеке вихревого газожидкостного реактора 5, куда поступают потоки продувочного газа. Экспанзерный газ (поток 83) с содержанием 90-98 % С02 и давлением 0,12 МПа сразу подается в распределительный газовый отсек вихревого газожидкостного

реактора. Все пять газовых потоков, перемешиваются между собой до средней температуры -5 -г- +5 оС.

Смесь газовых потоков через завихритель со скоростью около 20^25 м/с поступает в реакционную зону вихревой камеры реактора 5. При интенсивном взаимодействии с маточным раствором компоненты газового потока в присутствии воды вступают в экзотермическую реакцию с образованием в растворе ЫН4НСО3:

1) ЫН3 + СО2 + Н2О = ЫН4НСО3 + 15380 кал

или

2) ЫН3 + СО2 + Н2О + ЫН4НСО3 =

= 2 ЫН4НСО3 + 15380 кал

Повышение температуры маточного раствора способствует растворению дополнительного количества ЫН4НСО3 в жидкой фазе. При температуре 45 оС, жидкая фаза выводится из газожидкостного реактора, и при помощи насоса 10 насыщенный маточный раствор со скоростью не менее 2 м/с пропускается по трубам выносного водяного холодильника 11. Далее при температуре близкой к точке кристаллизации бикарбоната аммония жидкая фаза подается в гидроциклон 12 с дополнительным холодильником в виде рубашки на корпусе. Обогащенная кристаллами бикарбоната аммония суспензия направляется для фугования в центрифугу 13, а маточный раствор после гидроциклона и центрифуги возвращается обратно в реактор.

Для интенсивного взаимодействия газового потока и жидкости в вихревом реакторе используется циркуляционная газодувка 6, установленная в на выходе газового потока из реактора. Отвод и нагнетание в вихревой реактор газовой фазы газодувкой способствуют поддержанию необходимого соотношения газовой и жидкой фазы, а также позволяют непрореагировавшим компонентам вновь вступить в реакцию. Третье назначение газодувки - это постоянное удаление инертов (СН4 и Аг2) в абсорбционную колонну 7 для очистки от ЫН3 и СО2 водой. Абсорбционная колонна в новой технологической схеме имеет меньше ступеней контакта из-за меньших процентных содержаний ЫН3. Образующийся в абсорбере слабый раствор углеаммонийных солей накапливается в буферной ёмкости 8 и в нужной пропорции с маточным раствором, постоянно поступает в вихревой реактор. Отходящие из абсорбционной колонны инерты могут быть в дальнейшем утилизированы либо подаваться на сжигание в трубчатую печь паровой конверсии метана.

Заключение

Преимуществом предлагаемой технологической схемы является совмещение стадий сорбции аммиака и карбонизации маточного раствора, что позволяет значительно уменьшить количество требуемого оборудования при производстве бикарбоната аммония. Создаваемый в вихревых аппаратах интенсивный гидродинамический режим позволяет существенно уменьшить размеры оборудования. Одновременно исключается проблема сбора и хранения аммиачной воды, а получаемый кристаллический бикарбонат аммония легко транспортируем и не требует больших затрат при хранении. Таким образом, предлагаемая технологическая схема получения кристаллического бикарбоната аммония позволяет значительно снизить как капитальные, так и эксплуатационные затраты.

Литература

1. В.И. Атрощенко, А.М. Алексеев, А.П. Засорин, И.П. Кириллов, В.И. Конвисар, А.Р. Ястребенецкий Курс технологии связанного азота. Химия, Москва, 1968. 247 с.

2. Справочник азотчика / Под ред. Н.А.Симулина, Т.1, Химия, Москва, 1967. 492 с.

3. С.Н. Ганз, Г.И. Вилесов, С.И. Горбман, С.Б. Лейбович, ЖПХ, 32, 5, 969 - 975 (1959).

4. С.Н. Ганз, Г.И. Вилесов, Л.В. Лопатин, Изв.ВУЗов. Химия и хим. технология, 2, 6, 913 - 915 (1959).

5. А.Н. Николаев, О.В. Козулина, А.А. Овчинников, Р.Р. Фатыхов, Вестник Казан. технол. ун-та, 11, 82-89, (2010).

6. О.С. Макушева, А.В. Дмитриев, А.Н. Николаев, Вестник Казан. технол. ун-та, 10, 648-649,

7. С.А. Лаптев, А.А. Овчинников, Н.А. Николаев, Хим. пром., 9, 624-627, (1994).

8. С.А. Лаптев, А.А. Овчинников, Н.А. Николаев, В сб. Массообменные процессы и аппараты химической технологии, Казанский гос. технол. ун-т, Казань, 1994. С. 66-70.

9. Авт. свид. СССР 1816464, В 01 Б 3/30. Опубл. Б.И., 19, 10. (1993).

10. С.А. Лаптев, А.А. Овчинников, Н.А. Николаев, Хим. пром., 1, 40-42. (1997).

11. С.А. Лаптев, Автореф. дисс. канд. техн. наук, Казанский гос. технол. ун-т, Казань, 1995. 16 с.

12. С.А. Лаптев, Дисс. канд. техн. наук. Казанский гос. технол. ун-т, Казань, 1995. 207 с.

13. Авт. свид. СССР 763265, С 01 С 1/12. - Опубл., Бюл. 34, 107.

© С. А. Лаптев - доцент каф. системотехники КНИТУ, laptserg@yandex.ru. © S. A. Laptev - ass. professor of Department of Process systems engineereing, laptserg@yandex.ru.