Очистка абсорбционных газов от метанола и формальдегида при производстве технического формалина

УДК 66.074.388

Л. Н. Москалев, С. И. Поникаров

ОЧИСТКА АБСОРБЦИОННЫХ ГАЗОВ ОТ МЕТАНОЛА И ФОРМАЛЬДЕГИДА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРМАЛИНА

Ключевые слова: контактная конденсация, абсорбция метанола и формальдегида, энергосбережение и ресурсосбережение.

В данной статье рассмотрен процесс очистки абсорбционных газов от метанола и формальдегида при производстве технического формалина. Приведены результаты компьютерного моделирования данного процесса. Представлено сравнение экспериментальных и расчетных данных количества выбросов метанола и формальдегида. Предложен метод минимизации метанольных и формальдегидных выбросов, который позволит снять экологическую нагрузку и повысить энергосбережение и ресурсосбережение.

Keywords: contact condensation, absorption of methanol and formaldehyde, energy saving and resource saving.

In this article the absorption process of purification from gases of methanol and formaldehyde in the production of technical formalin. The results of computer simulation of this process. Presents the comparison of experimental and calculated data of emissions of methanol and formaldehyde. A method of minimizing the methanol and formaldehyde emissions, which will relieve the environmental burden and improve energy efficiency and resource efficiency.

Введение

В настоящее время происходит мощное развитие (интенсификация, научно-технический прогресс) промышленных производств. Однако проблемы, связанные с охраной окружающей среды можно считать важнейшими проблемами мира. Решение этих проблем неразрывно связано с охраной здоровья людей. Охрана окружающей среды - это совокупность мероприятий, направленных на обеспечение благоприятных и надежных условий жизнедеятельности человека. Одним из таких мероприятий является -ограничение выбросов в атмосферу с целью снятия экологической нагрузки [1, 2, 3].

Объектом исследования, в данной статье, является процесс очистки абсорбционных газов от метанола и формальдегида при производстве технического формалина. Технический формалин - это водный раствор формальдегида и метанола (вода - 52%, формальдегид - 40%, метанол- 8%) [4].

Производство технического формалина осуществляется по стандартной технологической схеме каталитического окислительного дегидрирования метанола - синтез формальдегида на катализаторе "серебро на пемзе" [5], описание этого процесса также представлено в [5]. Основной частью данной технологической схемы производства технического формалина является процесс абсорбции (поглощение). При котором выделяются абсорбционные газы в

Таблица 1 - Экспериментальный материальный баланс

состав которых входят непрореагировавший метанол и растворенный в воде формальдегид. Эти выбросы утилизируют сжиганием на факеле.

Целью настоящей статьи является синтезирование математической модели абсорбции в универсальном моделирующем пакете (УМП) и предложить метод минимизации токсичных выбросов.

Практически невозможно проводить исследовательские работы на промышленных объектах, так как проведение экспериментов на действующих объектах имеют высокую цену. Поэтому все большее внимание уделяется методам компьютерного моделирования, которые позволяют снизить финансовые затраты. При этом, на основе виртуального прототипа, можно оптимизировать конструкции и технологические схемы. Одним из методов такого моделирования может выступать универсальный моделирующий пакет (УМП) СИешСЛБ 5.2 [6].

Эксперементальная часть

На действующих установках получения технического формалина производительностью 45 000 кг/ч суммарное содержание непрореагировавших метанола и формальдегида в абсорбционных газах составляет не менее 0.1%. Состав абсорбционных газов представлен в экспериментальном материальном балансе таблица 1.

Компонент Вода на абсорбцию Питание абсорбера Абсорбционные газы Метанольный формалин

% кг/ч % кг/ч % кг/ч % кг/ч

Н2 0.0 0.0 0.6 266.6 1.3 266.6 0.0 0.0

О2 0.0 0.0 0.1 26.3 0.1 26.3 0.0 0.0

N2 0.0 0.0 39.9 18037.5 89.3 18037.5 0.0 0.0

СО 0.0 0.0 0.2 111.1 0.5 111.1 0.0 0.0

СО2 0.0 0.0 3.8 1716.9 8.5 1716.9 0.0 0.0

СНзОН 0.0 0.0 6.8 3084.4 0.1 20.2 12.3 3064.2

Н2О 100.0 7561.2 28.1 12698.6 0.0 0.0 50.9 12698.6

CH2O 0.0 0.0 20.4 9207.9 0.1 20.2 36.8 9187.7

HCOOH 0.0 0.0 0.0 2.5 0.0 0.0 0.0 2.5

7 100.0 7561.2 100.0 45151.8 100.0 20198.8 100.0 24953.0

В настоящее время утилизация абсорбционных газов на предприятиях, как уже говорилось выше, происходит путем сжигания на факелах [7, 8]. Однако при сжигании, содержащийся метанол в абсорбционных газах, не успевает сгорать в свече факела, так как заключен в оболочку воды, в которой присутствует растворенный формальдегид. Таким образом метанол и формальдегид выбрасываются в окружающую факел среду. Кроме экологической нагрузки, происходит потеря ценных ресурсов. Метанол является токсичным веществом [9], которое наносит урон не только окружающей среде, но и возможно острое отравление персонала, поэтому появляется необходимость в утилизации или в уменьшении его количества, либо в дальнейшей переработке.

В УМП была синтезирована технологическая схема существующей установки абсорбции получения технического формалина рис. 1, характеристика оборудования аналогичная действующей установки. Модель представляет собой набор модулей, которые соединены между собой потоками. Расчет данной схемы производился по ниже представленным математическим моделям, которые учитывают тепло-и массообмен.

Предлагается использовать разработанный на кафедре МАХП КНИТУ ККВТ [10, 11], благодаря которому, основная часть, непрореагировавших веществ возвращаются в основной процесс. Синтезированная технологическая схема в УМП существующей установки получения метанольного формалина с контактным конденсатором представлена на рис. 1б.

Расчет модели поглощения метанола и формальдегида из абсорбционных газов с контактным конденсатором вихревого типа (ККВТ) и без него производились по одинаковой математической модели.

Принцип действия синтезированной технологической схемы (рис. 1а) аналогичен принципу действия стандартной технологической схемы.

УМП существующей установки получения технического формалина. а) стандартная технологическая схема (- о - о подача охлаждающей жидкости - поток 35), б) стандартная технологическая схема с контактным конденсатором вихревого типа (подача охлаждающей жидкости - поток 35). 1, 2, 3 - абсорбер (число теоретических тарелок минимальное); 4, 9, 13- насосы; 5, 8, 12, 17- делители (для разделения потоков), 6, 10, 15- холодильник; 7, 11, 16 -смесители (объединение потоков); 14 - испаритель. Потоки: 1 - питание абсорбера 3 (контактный газ); 22 - поток свежей воды (подпитка); 29, 31 - прямая вода (для охлаждения), 27 - жидкий аммиак (температура отрицательная), 34 - вода с малым содержанием веществ входящих в состав контактного газа; 6 - метанольный формалин; 22, 25 - абсорбционный газ

Результаты и обсуждения

Адекватность предлагаемой модели проверялась по покомпонентному сравнению производственных и расчетных материальными балансами (табл. 1, 2), а также сравнение экспериментальных и расчетных результатов по содержанию метанола в абсорбционных газах при различных условиях (рис. 2, 3, 4).

Таблица 2 - Расчет материального баланса

Компонент Вода на абсорбцию Питание абсорбера Абсорбционные газы Метанольный формалин

% кг/ч % кг/ч % кг/ч % кг/ч

Н2 0.0 0.0 0.6 266.6 1.3 266.6 0.0 0.0

О2 0.0 0.0 0.1 26.3 0.1 26.3 0.0 0.0

N2 0.0 0.0 39.9 18037.5 89.4 18037.2 0.0 0.1

СО 0.0 0.0 0.2 111.1 0.6 111.1 0.0 0.0

СО2 0.0 0.0 3.8 1716.9 8.4 1691.7 0.0 0.1

СНзОН 0.0 0.0 6.8 3084.4 0.1 20.3 11.3 2760.7

Н2О 100.0 7561.2 28.1 12698.6 0.0 0.6 54.1 13219.4

СН2О 0.0 0.0 20.4 9207.9 0.1 19.4 34.6 8460.6

НСООН 0.0 0.0 0.0 2.5 0.0 0.0 0.0 2.5

7 100.0 7561.2 100.0 45151.8 100.0 20173.2 100.0 24443.4

Экспериментальный и расчетный материальные балансы приведены в табл. 1, 2.

Все характеристики потоков и оборудования (рис.1), в частности питание, задавались аналогично производственным. При сравнивании материальных балансов (табл. 1, 2), суммарные потоки на выходе, видно, что отличие производственного и расчетного

балансов составляет: по абсорбционным газам 0.12%, по метанольному формалину 2.04%. Если рассматривать отличие покомпонентного состава, то: метанол 9 %, формальдегад 8%, вода 4%. Погрешности составляют до 15 %.

На рис. 2 представлена зависимость содержания метанола в абсорбционных газах от давления в аб-

сорбере (рис. 1а). Видно, что возрастание давления в абсорбере происходит по степенной зависимости. Также видно, что происходит уменьшение летучести метанола и соответственно увеличения упругости паров рис. 2.

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

Рис. 2 - Содержание метанола в абсорбционных газах в зависимости от давления в абсорбере. О -расход метанола, кг/ч; Р - избыточное давление в абсорбере, МПа

При нагнетании давления в абсорбере 0.35 МПа и более, содержание метанола в абсорбционных газах будет составлять 5.8 кг/ч и менее, что является приемлемым. Но для повышения давления в абсорбере - необходимо использовать дополнительный компрессор, который является дорогостоящим, энерго- и ресурсоемким.

На рис. 3 представлена - зависимость содержания метанола в абсорбционных газах от расхода охлаждающей жидкости на распыливание в абсорбере: а) - синтезированная технологическая схема в УМП

существующей установки получения метанольного формалина рис. 1а; б) - синтезированная технологическая схема в УМП существующей установки получения метанольного формалина с участием ККВТ рис. 1 б.

Как видно из графиков (рис. 3а) расчет и эксперимент практически совпадают.

0 1500 3000 4500 6000 7500 9000 10500 12000 13500 15000

Рис. 3- Зависимость содержания метанола в абсорбционных газах от расхода охлаждающей жидкости на распыливание в абсорбере. - эксперимент, кривая - расчет. О - расход метанола, кг/ч; Ь - расход охлаждающей воды, кг/ч

Материальный баланс процесса абсорбции метанола из абсорбционных газов с участием ККВТ (рис. 1 б), рассчитанный на синтезированной модели в УМП представлен в табл. 3.

Таблица 3 - Расчет материального баланса с участием ККВТ

Р, МПа

Компонент Вода на абсорбцию Питание абсорбера Абсорбционные газы Метанольный формалин

% кг/ч % кг/ч % кг/ч % кг/ч

Н2 0.0 0.0 0.6 266.6 1.3 266.6 0.0 0.0

О2 0.0 0.0 0.1 26.3 0.1 26.3 0.0 0.0

N2 0.0 0.0 39.9 18037.5 89.5 18037.2 0.0 0.0

СО 0.0 0.0 0.2 111.1 0.6 111.1 0.0 0.0

СО2 0.0 0.0 3.8 1716.9 8.4 1693.4 0.0 0.0

СНзОН 0.0 0.0 6.8 3084.4 0.0 7.5 11.3 2808.1

Н2О 100.0 7561.2 28.1 12698.6 0.0 0.0 54.5 13567.9

СН2О 0.0 0.0 20.4 9207.9 0.0 0.0 34.2 8513.3

НСООН 0.0 0.0 0.0 2.5 0.0 0.0 0.0 2.5

7 100.0 7561.2 100.0 45151.8 100.0 20142.1 100.0 24891.7

Из табл. 3 видно, что содержание метанола уменьшилось почти в 3 раза при сравнивании с табл. 1, 2. Таким образом, предлагаемый аппарат можно считать дополнительной ступенью конденсации.

Заключение

В данной статье выявлено количество веществ в абсорбционных газах, которые увеличивают экологическую нагрузку. Предложен метод, позволяющий снять экологическую нагрузку. Кроме этого, данный способ позволяет повысить энерго- и ресурсосбережение. Показано, что погрешность, при сравнивании

расчета и эксперимента составляет 15 %, что является допустимой. Из всего выше сказанного, можно сделать вывод о том, что технологическая схема с использованием предлагаемого аппарата работает значительно эффективнее.

Литература

1. Алексеев В.В., Москалев Л.Н., Поникаров И.И. Исследование аэродинамического сопротивления винтовой зоны пылеулавливания вихревого Вестник технол. унта. 2015. Т.18. №8.

2. Москалев Л.Н., Москалев И.Н., Вилохин С.А., Алексеев В.В., Халиков М.Р. Численное решение математической модели движения капель в спутном вращающемся потоке газа. Вестник технол. ун-та.2015. Т.18. №2.

3. Тучкова О.А., Хайруллина Л.И., Чижова М.А. Воздействие объектов нефтехимического комплекса на окружающую среду. Часть 2. Источники и меры защиты Вестн. КТУ. 2015. Т.18. №2.

4. ГОСТ 625-89. Формалин технический. Технические условия

5. Платэ Н.А. Основы химии и технологии мономеров. М.: Наука: МАИК "Наука/Интерпериодика", 2002.

6. Ахмадеева Л.Ф., Москалев Л.Н., Осипов Э.В., Пони-каров И.И. Вестник Казан. технол. ун-та. 2012. Т.15. №11. С. 158.

7. Panchenko V.I., Magaril Y.F., Nazarov A.A., Shpaner Y.S. Gimranov R.G. Aerodynamic gas gates for flare units // Chem. Pet. Eng., 2009.

8. Magaril Ya.F., Nazarov A.A., Shpaner Ya.S., Gimranov R.G. Special torch heads // Chem. Pet. Eng., 2009.

9. ГН 2.2.5.686-98 Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Гигиенические нормативы.

10. Москалев Л.Н., Поникаров С.И., Поникаров И.И. Вестн. КТУ. 2011. №14. С. 235.

11. Патент №2502929. RU. Тепломассообменное устройство вихревого типа. F28B 3/00 Бюл. № 36. 27.12.2013.

© Л. Н. Москалев - заведующий лабораторией каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, lejnya@yandex.ru; С. И. Поникаров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ.

© L. N. Moskalev, Head of Laboratory machines and apparatuses of chemical manufactures KNRTU lejnya@yandex.ru; S. I. Ponikarov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of machines and devices of chemical production KNRTU.