|
|
|
ДонНТУ>
Портал магистров ДонНТУ> |
Главная страница |
Библиотека |
Ссылки |
Отчет о поиске |
Индивидуальное задание
|
|
Рисунок 1 – Схема конечного охлаждения газа с экстрагированием нафталина из смолы водой 1 – холодильник; 2 – промыватель; 3 – сборник; 4 – насос для смолы; 5 – отстойник; 6 – насос для воды; 7 – градирня с принудительным дутьем |
| Конечное охлаждение коксового газа предназначено для снижения его температуры после сульфатного отделения от 55 – 57 °С до 25 – 30 °С, благоприятной для абсорбции бензольных углеводородов, и очистки его от нафталина и смолистых веществ. По классической технологии для конечного охлаждения коксового газа применяются насадочные или полочные аппараты, в которых газ и охлаждающая вода движутся противотоком, а теплообмен происходит при непосредственном контакте между ними. Нагретая до 35 – 37°С вода охлаждается воздухом в специальной градирне до 23 – 25 °С и вновь подается насосом в газовый холодильник (открытый водный цикл). При охлаждении газа в холодильниках происходит конденсация паров нафталина, который выделяется в виде мелких кристаллов и уносится вместе с охлаждающей водой. Перед подачей этой воды в градирню нафталин отделяют в отстойниках или экстрагируют каменноугольной смолой в полочном аппарате, размещенном в нижней части холодильника (рис. 1). |
| Мотивация темы: недостатком классической технологии конечного охлаждения коксового газа является то, что при контакте с газом вода насыщается цианистым водородом, сероводородом, нафталином, бензольными углеводородами и другими вредными компонентами, большая часть которых при охлаждении воды в градирне выделяются в атмосферу. Практика работы коксохимических предприятий показывает, что градирни для охлаждения оборотной воды конечных газовых холодильников являются наиболее крупными источниками вредных выбросов в цехах улавливания химических продуктов коксования, поэтому усовершенствование данной технологии позволит решить эту проблему. |
| Целью исследования является разработка эффективной технологии конечного охлаждения коксового газа, что требует решения следующих задач: |
| - разработки схемы и конструкции холодильников конечного охлаждения коксового газа, исключающих вредные выбросы в атмосферу; |
| - расчета процесса охлаждения газа в аппаратах различного типа (холодильники Гипрококса с горизонтальными трубами, горизонтальные кожухотрубчатые холодильники, вертикальные кожухотрубчатые холодильники); |
| - сравнительного анализа различных типов конечных газовых холодильников и выбора оптимальной конструкции. |
| Научная новизна: произведен вывод и теоретическое обоснование конструкции холодильника, обеспечивающей максимальную интенсивность теплообмена. |
| Практическая ценность: снижение вредных выбросов в атмосферу и капитальных затрат. |
| Обзор существующей ситуации по данной теме: |
| Анализ этой проблемы показывает, что возможны два пути ее решения: |
| - закрытие цикла оборотной воды конечного газового холодильника (КГХ), то есть охлаждение ее не в градирне, а в кожухотрубчатых, пластинчатых или спиральных теплообменниках технической водой; |
| - охлаждение коксового газа технической водой в холодильниках, исключающих непосредственный контакт фаз, то есть через разделяющие их стенки. |
| Закрытый цикл конечного охлаждения коксового газа приведен на рис. 2. По данной схеме, оборотная вода после отстойников охлаждается в кожухотрубчатых теплообменниках. Избыточная вода (газовый конденсат) подается в колонну 6, где острым паром из нее отдувают кислые газы и другие летучие компоненты. Образовавшаяся парогазовая смесь из верхней части колонны направляется в газопровод прямого коксового газа перед первичными холодильниками, а очищенная вода выводится снизу колонны через пеколовушку 7 в сборник 8, из которого подается насосом через теплообменник 9 на биохимическую очистку. |
| Установки закрытого цикла воды конечного охлаждения коксового газа были использованы на Новолипецком металлургическом комбинате, Авдеевском коксохимическом заводе, Алтайском коксохимическом заводе, Запорожском коксохимическом заводе. |
| Закрытие цикла приводит к накоплению в оборотной воде цианидов, роданидов и других солей, вызывающих коррозию оборудования. Решением этой проблемы могут быть такие методы: |
| 1. Децианизация воды цикла конечных газовых холодильников с использованием формальдегида по методу „Формэкс - циан”. |
| 2. Вакуумная децианизация оборотной воды цикла конечных газовых холодильников. |
| 3. Отдувка циана из воды цикла конечных газовых холодильников инертным носителем. |
| 4. Обработка воды сернокислым железом (II). |
| Рассмотрим первый способ: цианистый водород, поглощенный из газа оборотной водою цикла конечного охлаждения газа, связываетсяся формальдегидом (его водным раствором - формалином) с образованием нитрила гликолевой кислоты (гликонитрила), хорошо растворимого в воде и нелетучего соединения (tкип~183 °С) по реакции: |
| HCN + СН2О –> НОСН2СN. |
| Механизм взаимодействия в водном растворе цианистого водорода и формалина имеет вид: |
| HCN <-> Н+ + CN-, |
| Н2С(ОН)2 <-> Н2СО + Н2O, |
| Н2СО + CN- <-> OCH2CN-, |
| OCH2CN- + Н+ <-> HOCH2CN. |
| При мольном отношении формальдегида к цианид-иону М равном или менее единицы конечным продуктом реакции является гликонитрил, в том числе и в тех случаях, когда реакция осуществляется в растворах, уже содержащих значительное количество гликонитрила (до ~20 кг азота/м3), т. е. при 30 - 50 °С и в отсутствии катализаторов формальдегид с гликонитрилом не реагирует. При 30 - 50 °С и рН 6,5 - 12 степень связывания цианид-иона (от теоретически возможного) при исходном содержании ~300 г/м3 и времени реакции 15 - 20 мин составила от 97,3 до 99,6 %. В искусственном растворе, содержащем цианид-ион (300 - 400 г/м3) и другие вещества (335 фенола, 85 аммиака, 11 г/м3 сероводорода) при M<=1 и времени реакции 15 - 20 мин цианид-ион реагировал с формальдегидом почти полностью (степень связывания 99 %). |
| Фенолы, аммиак и сероводород при их обычных концентрациях в оборотной воде цикла конечного охлаждения газа не препятствуют основной реакции формальдегиду с цианид-ионом, причем время полного связывания цианид-иона значительно меньше, чем время реагирования этих веществ при избытке формалину. |
| По второму способу, очищение оборотной воды осуществляется в децианизаторе с остаточным давлением в системе 7 кПа, что способствует снижению температуры кипения воды до 38 °С ( это позволяет не подогревать воду, которая подается на децианизатор) и уменьшению теоретического расхода пара на дистилляцию. |
| Технологическая схема процесса представлена на рис. 3. Вода после конечного холодильника поступает на верх децианизатора 1 при 38 °С, а очищенная вода откачивается насосом снизу. Парогазовая смесь из верхней части децианизатора попадает в конденсатор 2, при чем подача осуществляется снизу, а выход газа – сверху конденсатора, что позволяет смывать водой сублимирующийся нафталин. Конденсат откачивают насосом и направляют на орошение децианизатора, а газы вакуумным пароэжекторным насосом 3 вместе с водяными парами направляют на вход пародисцилятного конденсатора сероочистки. |
| В генератор пара 4 поступает перегретая циркулирующая вода, которая охлаждается в нем в результате испарения и возвращается насосом в бензольное отделение для охлаждения поглотительного обезбензоленного масла. Пополнение цикла в парогенераторе осуществляется децианизированной водой, которая в количестве 5,5 м3/ч (1 % от воды, подаваемой на децианизацию) проходит фильтры с коксом 7 для удаления примесей смолы и нафталина, при чем фильтры работают поочередно. |
| Технология характеризуется следующими основными показателями (на газовый поток 100 тыс.м3/ч): расход оборотной воды на децианизатор 550 м3/ч, пара (600 кПа) на пароэжектор 600 кг/ч, электроэнергии (ориентировочно)на децианизатор 2,4 млн. кВт/год. |
| В третьем сособе используется отдувка цианистого водорода из оборотной воды обратным коксовым газом в специальном скруббере. Но при этом происходит загрязнение обратного коксового газа, повышается его температура и влажность, резко усиливается коррозия обратных газопроводов, а при использовании газа в качестве топлива атмосфера загрязняется оксидами азота. Кроме этого инертного носителя также можно выделить разработки ВУХИНА по использованию для этой цели доменного газа. |
| Использование четвертого способа основано на связывании цианид-иона при помощи сернокислого железа (II), с образованием солей: ферро-ферроцианида, ферри-ферроцианида, ферро-феррицианида и цианида железа (II). Нерастворимые соли выделяют при помощи флотации с добавкой катионных поверхностно-активных веществ. |
| К недостаткам закрытого цикла также можно отнести: |
| - быстрое снижение эффективности работы водяных холодильников из-за отложения в них нафталина и смолистых веществ, что требует частой пропарки их или промывки горячим каменноугольным маслом; |
| - ухудшение качества поглотительного масла в бензольном отделении из-за повышенной концентрации цианистого водорода в газе; |
| - увеличение расхода соды и количества балластных солей в цехе сероочистки. |
| Второй путь решения проблемы загрязнения атмосферы в отделении конечного охлаждения коксового газа, то есть охлаждение газа в холодильниках поверхностного типа, представляется более простым и эффективным. В 70-е годы прошлого столетия для этой цели на заводе в Ньюпорте (Англия) был установлен газовый холодильник с горизонтальными трубами. Для обеспечения непрерывной устойчивой работы межтрубное пространство холодильников орошается поглотительным маслом или смолой, чтобы вывести из них нафталин. Эксплуатация таких холодильников сопровождалась выделением водного конденсата, содержащего вредные компоненты, которые отдуваются из воды воздухом в отдельном аппарате и сжигаются в котлах установок контактного получения серной кислоты. При этом основная часть цианистого водорода конвертируется до элементного азота. |
| Имеется также более поздний опыт применения газовых холодильников с горизонтальными трубами на Мариупольском КХЗ. Для удаления отложений нафталина на трубах межтрубное пространство таких холодильников орошается поглотительным маслом или смолой. Недостатками таких аппаратов являются громоздкость, большое количество трубных решёток и водораспределительных крышек, сложность обслуживания. |
| Фирмой «Альфа Лаваль» разработан и изготовлен по заказу АКХЗ спиральный теплообменник для конечного охлаждения коксового газа по типу аппаратов, используемых на некоторых коксохимических заводах в качестве дефлегматоров и конденсаторов в бензольных отделениях. В этом аппарате вода движется по спиральному каналу высотой около 2 м и шириной 15 мм от периферии к центру аппарата, а газ движется в перекрестном направлении сверху вниз между стенками спирального водяного канала. В настоящее время производится наладка режима работы холодильника и оценка его эффективности. Из-за опасности забивания твердыми отложениями водяных спиралей, недоступных для чистки, требуется тщательная очистка охлаждающей воды от взвешенных примесей. |
| Нами разработан конечный газовый холодильник, состоящий из стандартных кожухотрубчатых теплообменников, расположенных горизонтально один над другим и соединённых последовательно по газовому и водяному потокам. Он имеет более простую конструкцию и обеспечивает высокую интенсивность теплообмена. Для удаления отложений нафталина предусмотрено орошение межтрубного пространства водосмоляной эмульсией. В соответствии с расчетами для охлаждения 120000 м3/час газа от 55 до 30 °С требуется поверхность теплообмена 2300 м2, что соответствует 9 теплообменникам Ø 1200 мм с длиной труб 4 м и Ø 25*2 мм, разделённых на 3 параллельные секции по 3 теплообменника, соединённых последовательно, в каждой. По другому варианту предусмотрено использовать стандартные конденсаторы-холодильники с трубами Ø 38*2 мм и длиной 4 м. Для охлаждения заданного объема газа требуется поверхность теплообмена 2800 м2, соответствующая 2 параллельным секциям по 2 теплообменника в каждой. |
| Планируется проведение расчетов холодильников Гипрококса с горизонтальными трубами, вертикальных кожухотрубчатых холодильников и выбор оптимального аппарата. А также исследование процесса охлаждения коксового газа на ЭВМ, а именно, влияние длины, диаметра трубок на теплообмен между газом и водой. |
| Выводы: |
| 1. Классическая схема конечного охлаждения коксового газа с открытым водным циклом связана со значительными выбросами вредных веществ в атмосферу и в настоящее время является неприемлемой. |
| 2. Схемы охлаждения газа с закрытым водным циклом не обеспечивают стабильное охлаждение газа из-за забивания водяных холодильников смолистыми веществами и усиления коррозии оборудования. |
| 3. Применение кожухотрубчатых теплообменников для охлаждения газа позволяет упростить схему и исключить вредные выбросы в атмоферу. |
| Использованная литература: |
| 1. Гребенюк А. Ф., Коробчанский В. И., Власов Г. А., Кауфман С. И. Улавливание химических продуктов коксования. Учебное пособие. – ч2. – Донецк «Восточный издательский дом»,2002. – 228 с. (С. 143 – 145 ) |
| 2. Пинчугов В. Н., Куркин В. В, и др. Закрытый цикл конечного охлаждения коксового газа// Кокс и химия. 1989. №5. С. 24 – 28 |
| 3. Кагасов В. М., Дербышева Е. К., Копытова Л. А. и др. Исследование и разработка технологии формальдегидной цианоочистки оборотной воды цикла конечного охлаждения коксового газа // Кокс и химия. 1989. №9. С. 23 – 24 |
| 4. Резуненко Ю. И., Подорожанский М. М, Лавров О. И., Розенгурт И. М., Коржан Л. А. Усовершенствование закрытого цикла конечного охлаждения коксового газа // Кокс и химия. 1990. №5. С. 44 – 47 |