ФИЗИКО – ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЧИСТКИ ГАЗА ОТ СО₂ РАСТВОРОМ МОНОЭТАНОЛАМИНА.

Очистка конвертированного газа от двуокиси углерода раствором моноэтаноламина основана на следующих основных уравнениях: на первой стадии при 0,5 моль СО₂ / моль МЭА образуется главным образом карбамат моноэтаноламмония:

2NH₂CH₂CH₂OH + H₂O + CO₂ = (CH₂CH₂OHNH₃)₂CO₃.

Карбамат подвергается гидролизу по сравнительно медленной реакции, при этом образуется бикарбонат и молекула свободного моноэтаноламина, вновь вступающая в реакцию:

CH₂CH₂OHNH₃COOCH₂OH₂OHNH₃ + CO₂ + H₂O =

= 2NH₃CH₂CH₂OHHCO₃.

В итоге суммарная реакция при достижении 0,5 моль CO₂ /моль МЭА имеет вид:

CO₂ + CH₂CH₂OHNH₂ + H₂O = CH₂CH₂OHNH₃HCO₃.

Указанные реакции являются обратимыми. При низких и умеренных температурах и повышенном парциальном давлении CO₂ в абсорбере реакции идут слева направо, то есть с поглощением CO₂. При снижении давления и повышении температуры в регенераторах – рекуператорах реакции идут в обратном направлении с выделением CO₂ и высвобождением свободного моноэтаноламина для абсорбции.

Принятые параметры процесса и высокоинтенсивная конструкция абсорбера позволяет обеспечить высокую степень карбонизации раствора МЭА, близкую равновесному содержанию CO₂ в растворе при заданном парциальном давлении CO₂ и температуре внизу абсорбера.

Необходимым условием этого является ведение процесса абсорбции при минимуме орошения раствором. Повышение степени карбонизации раствора МЭА позволяет сократить расход тепла на регенерацию и уменьшить циркуляцию раствора в системе.

Отношение числа молей двуокиси углерода, поглощаемой водным раствором моноэтаноламина, к числу молей общего моноэтаноламина в растворе называется степенью карбонизации (Х = моль СО₂ /моль МЭА).

Приводимая в справочниках растворимость СО₂ в водных растворах этаноламинов представляет собой равновесную степень карбонизации и определяет предел насыщения водного раствора МЭА двуокисью углерода при данных концентрации, температуре и давлении.

Поглотительную способность раствора данной концентрации можно представить как разность между конечной Х₂ и начальной Х₁ степенями карбонизации, так как раствор, направляемый после регенерации снова на абсорбцию, всегда содержит некоторое количество двуокиси углерода (Х₂ – Х₁ кмоль СО₂ / кмоль МЭА). Конечная степень карбонизации раствора Х₂ определяется условиями абсорбции. Помимо давления, температуры и концентрации она в значительной степени зависит от продолжительности контакта между газом и раствором.

При повышении давления равновесная растворимость СО₂ в водном растворе МЭА возрастает также за счёт увеличения растворимости в воде. Однако растворимость СО₂ с увеличением давления возрастёт слабо вследствие уменьшения скорости химических реакций с повышением степени карбонизации раствора (при Х > 0,5). Практически в производственных условиях степень карбонизации насыщенного раствора Х₂ при атмосферном давлении составляет 0,4 – 0,5 кмоль СО₂ / кмоль МЭА, при повышенном давлении, за счёт возрастания движущей силы процесса, степень карбонизации может достигать 0,55–0,65 кмоль СО₂/кмоль МЭА.

Начальная степень карбонизации Х₁, при которой раствор МЭА поступает в абсорбер после регенератора, определяется требуемой степенью очистки конвертированного газа от СО₂ и расходом тепла на регенерацию раствора.

Для грубой очистки конвертированного газа и особенно при проведении очистки под давлением степень карбонизации Х₁ принимается в пределах 0,15 – 0,20 кмоль СО₂ / кмоль МЭА. Лишь при осуществлении тонкой очистки конвертированного газа величину Х₁ уменьшают до 0,1 кмоль СО₂ / кмоль МЭА и ниже.

Расход тепла на нагревание раствора можно уменьшить путём рекуперации тепла регенерируемого раствора. Практически для этой цели между абсорбером и регенератором включают противоточный теплообменник, в котором насыщенный раствор нагревается за счёт теплообмена с более горячим регенерированным раствором.

Расход тепла на отдув кислых газов обусловлен удалением смеси кислых газов и водяного пара при регенерации водного раствора. Чем выше температура парогазовой смеси, покидающей регенератор, тем больше в ней содержится водяных паров и тем больше необходимо подвести тепла для кипячения раствора в регенераторе.

Растворимость СО₂ в водных растворах МЭА для давлений 2,92Ч 10⁵ – 39,2Ч 10⁵ Па может быть определена по формуле:

a (СО₂) = a – b Ч t;

где a (СО₂) – количество молей СО₂, растворяющихся в 1 кг растворителя;

a и b – коэффициенты, учитывающие влияние давления СО₂ и его концентрацию;

t – температура, ° С.

Увеличение растворимости СО₂ при повышении давления процесса абсорбции, по сравнению со стехиометрическим соотношением, вызвано ростом его физической растворимости в растворителе.

Абсорбция СО₂ раствором МЭА осложняется химической реакцией в жидкой фазе, которая, ускоряя поглощение СО₂, влияет на коэффициент массопередачи и на движущую силу процесса.

В равных условиях значение коэффициентов массопередачи для растворов МЭА в 2 – 2,5 раза больше, чем для ДЭА и в 20 – 25 раз больше чем для ТЭА той же концентрации. Скорость абсорбции СО₂ растворами смесей этаноламинов равна сумме скоростей поглощения СО₂ индивидуальными этаноламинами.

В начало страницы