Вернуться в библиотеку

О теоретических основах и методике расчетов этаноламиновых методов очистки газов

Тезисы VII Международной конференции студентов и аспирантов «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» - Донецк 2008

Комиссарова О.В., канд. тех. наук А.Ф. Гребенюк
(Донецкий национальный технический университет. Украина)

Природный, коксовый и другие технологические газы содержат сернистые и другие вредные примеси, исключающие их использование в качестве топлива или химического сырья без предварительной очистки. Используемый в быту и в технологических процессах газ должен содержать минимальное количество кислых компонентов. Углекислый газ и сернистые соединения вызывают коррозию труб и оборудования. Сернистые соединения и их продукты сгорания загрязняют окружающую среду и оказывают вредное действие на организм человека. С другой стороны, такие соединения, как сероводород, меркаптаны и другие примеси, выделенные из газов являются ценным сырьем для других подотраслей народного хозяйства (производства серной кислоты, серы и др.).

Для очистки природного газа от сероводорода, диоксида углерода и других примесей преимущественное применение получили абсорбционные методы, в которых в качестве абсорбентов служат водные растворы этаноламинов. В настоящее время повышенный интерес к этим методам проявляют также специалисты по технологии сероочистки коксового газа. На некоторых коксохимических заводах ведется проектирование и начато строительство цехов моноэтаноламиновой сероочистки.

Проектирование новых и реконструкция действующих установок для очистки газов от вредных примесей требует разработки теоретически обоснованных методов расчетов технологических процессов, лежащих в основе проекта. Между тем, теоретические основы расчетов этаноламиновых методов очистки газов разработаны недостаточно, поэтому их проектирование производится с помощью упрощенных зависимостей и диаграмм, основанных на практических данных о работе промышленных установок.

Одна из немногих попыток разработки теоретически обоснованной методики расчета процесса очистки природного газа от сероводорода и диоксида углерода водным раствором моноэтаноламина представлена в справочном пособии А.А. Кузнецова и Е.Н. Судакова (Расчеты основных процессов и аппаратов переработки углеводородных газов: Справочное пособие. - М.: Химия, 1983. – 223 с.). Однако анализ изложенных в этой работе трактовок выражений констант равновесия химических реакций, протекающих в растворе, подходов к определению равновесных степеней превращения компонентов газа и раствора, к составлению материального и теплового балансов процесса абсорбции свидетельствует о теоретической несостоятельности предложенной методики расчетов. Можно назвать следующие ошибки.

Константа равновесия K_N, выраженная через мольные доли компонентов раствора, преобразуется в указанной работе в константу K_p по правилу, справедливому только для газовых реакций:

K_p = K_N•p^{Δ ν},

где p – давление в аппарате;
      Δ ν – разность чисел молей продуктов и исходных реагентов.

Поэтому такое выражение неприемлемо для расчета реакций, протекающих в растворе. Для определения степени превращения по каждой реакции состав исходной смеси принимается равным стехиометрическому, тогда как следует брать фактический состав исходной реакционной смеси. Кроме того, степень превращения по каждой реакции определяется независимо одна от другой, когда задача должна решаться путем совместного рассмотрения четырех уравнений. Более того, такое решение справедливо только для замкнутой системы, а также при прямоточном движении фаз в открытой системе. При противоточном движении газа и жидкости в абсорберах исходная смесь в каждом сечении имеет различный состав, и поэтому такое решение лишено всякого смысла.

В результате неправильного расчета, основанного на вышеуказанных формулах, определено, что в насыщенном растворе доля химически связанного диоксида углерода составляет 0,5%, а доля сероводорода - 3%. Остальная масса этих кислых компонентов находится в растворе в свободном состоянии. Возникает вопрос: зачем тогда применять этаноламин, если он не связывает поглощенные кислые газы.

Методика составления теплового баланса абсорбера неоправданно усложнена и содержит ряд серьезных ошибок. Например, энтальпия газообразных смесей определяется по эмпирическим формулам для каждого компонента по отношению к 0°К, а для растворов - по отношению к 0°С в соответствии с общепринятой практикой термодинамических расчетов. Такой подход к составлению теплового баланса является недопустимым с теоретической точки зрения, так как при переходе значительного количества компонентов из одной фазы в другую он приведет к серьезным ошибкам в расчетах.

С нашей точки зрения для составления материального баланса процесса, оценки движущей силы массопереноса и определения размеров абсорбера, равновесие в системе газ - сероводород – диоксид углерода – раствор этаноламина должно быть представлено в виде зависимостей между концентрацией этих компонентов в растворе и равновесным давлением их в газовой фазе.

Для удобства расчетов состав раствора должен определяться общей концентрацией сероводорода или диоксида углерода в нем. Пренебрегая концентрацией свободного сероводорода или диоксида углерода в растворе из-за низкой физической растворимости их в воде, общая концентрация сероводорода в растворе может быть представлена как сумма концентраций сероводорода H₂S, связанного в виде (RNH₃)₂S и RNH₃HS, а общая концентрация диоксида углерода как сумма концентраций CO₂, связанного в виде (RNH₃)₂CO₃ и RNH₃HCO₃.

При этом уравнения равновесия в рассматриваемой системе могут быть представлены в виде:

P^*_H2S = f₁(C_H2S) и P^*_СО2 = f₂(C_СО2).

Конкретный вид этих зависимостей может быть определен путем совместного решения уравнений равновесия химических реакций, протекающих в растворе, и уравнений рабочих линий процесса абсорбции по разработанной нами методике.

© ДонНТУ Комиссарова О.В. 2008