Анализ абсорбционной колонны МЕА очистки синтез газа как обьекта управления

Автор: Енчев В.В. Федюн Р.В.
Источник: XXIV Международная научно-техническая конференция "Автоматизация технологических обьектов и процессов. Поиск молодых", - Донецк, 2024 г.

ФГБОУ ВО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, Кафедра автоматики и телекоммуникаций

Моноэтаноламиновая очистка - это процесс очистки газовых потоков от кислых газов, таких как диоксид углерода (CO2), сернистый ангидрид (SO2) или сероводород (H2S). Для этого используется раствор моноэтаноламина, который взаимодействует с кислыми газами и абсорбирует их из газового потока.

Абсорбция - это технический процесс, предполагающий разделение и очистку газов, выделение паров из парогазовых смесей. Основан на различной растворимости газов и паров в жидкостях.

Выделяют физическую и химическую абсорбцию. При физической абсорбции процесс поглощения не сопровождается химической реакцией. Абсорбировавшиеся вещества могут быть вновь извлечены из абсорбента посредством его нагревания, разбавления неабсорбирущей жидкостью или иными подходящими способами.

Процесс моноэталоминовой очистки широко применяется в различных отраслях промышленности, таких как нефтегазовая, химическая и энергетическая промышленность. Моноэтаноламиновая очистка позволяет значительно снизить содержание кислых газов в выбросах, что способствует сокращению вредного воздействия на окружающую среду.

Синтез-газ является смесью водорода и оксида углерода, которая производится в реакторе с помощью парового реформирования природного газа или других углеводородных топлив. Однако синтез-газ содержит также некоторые загрязняющие вещества, такие как диоксид углерода, которые необходимо удалить перед тем, как газ будет использоваться для синтеза аммиака.

В моноэтаноламиновой очистке синтез-газ поступает в контакт с раствором моноэтаноламина (MEA), которая является щелочным соединением. MEA реагирует с диоксидом углерода, образуя карбонаты, которые выпадают в осадок.

Очищенный газ проходит через отделительную колонну, где он разделяется на две фракции: синтез-газ и раствор MEA с карбонатами. Раствор MEA возвращается в процесс очистки, а чистый синтез-газ используется для производства аммиака. Процесс моноэтаноламиновой очистки является эффективным способом удаления диоксида углерода из синтез-газа.

Важно отметить, что в настоящее время актуальным является создание безотходных технологических циклов в химическом производстве. Это включает разработку способов и технологий рациональной утилизации отходов с получением регенерированного моноэтаноламина и поверхностно-активных веществ на его основе.

В последние годы для очистки природных и нефтезаводских газов от больших количеств CO2 широко применяется метод абсорбции раствором моноэтаноламина. Одноступенчатая промывка газа раствором моноэтаноламина применяется для грубой очистки от CO2, при этом степень очистки находится в пределах 0,04-0,05% CO2. Дальнейшая тонкая очистка производят щелочным раствором.

Можно проводить двухступенчатую промывку газа моноэтаноламином, снижая содержание CO2 в газе до 0,02-0,015%, при этом необходимо также щелочное очистка для гарантии от проскока CO2.

Очистка газа от CO2 производится при давлении от 15 до 25 кг/см2. Процесс десорбции раствора моноэтаноламина происходит при давлении 2,5 кг/см2. Обычно применяют 15%-ный водный раствор моноэтаноламина (2,5 молей МЭА на 1 л раствора).

В данной работе рассматривается процесс моноэтаноламиновой очистки синтез-газа (рис.1), целью которого является производство аммиака из синтез-газа.

Процесс очистки осуществляется следующим образом. Природный газ под давлением 15-25 ата поступает в абсорбер (поз.1 на рис. 1), проходит снизу вверх через насадку из колец Рашига, орошаемую 15% раствором моноэтаноламина.

Очищенный газ проходит через сепаратор (поз.2 на рис. 1), в которому происходит улавливание капель раствора МЭА, и далее направляется в ожижительную установку. Из сепаратора раствор стекает в сборку абсорбера (поз.3 на рис. 1). Раствор из сборника абсорбера поступает непрерывно на регенерацию в десорбер предварительно подогреваясь в теплообменнике до 115° С.

Регенерированный раствор из сборника десорбера направляется в теплообменник, где охлаждается от 135 до 50°С, и далее в холодильник, где охлаждается до 30°С, откуда поступает в сборник. Насос подает раствор из сборки в верхнюю часть абсорбционной колонны (поз.1 на рис. 1). Очистка газа от СО2 производится при давлении от 15 до 25 кг/см2. Обычно применяют 15%-ный водный раствор моноэтаноламина (2,5 молей МЭА на 1 л раствора).

Для изменения расходов основных и вспомогательных компонентов, влияющих на эффективность абсорбции, в технологической схеме предусмотрены регулирующие клапаны (поз.4 на рис.1) с электроприводом М.

Рабочая линия процесса абсорбции определяется входной и выходной концентрацией абсорбируемого компонента, а положение равновесной линии зависит от температуры и давления в абсорбере. Из этого следует, что концентрация извлекаемого компонента в технологических газах и насыщенной смеси в абсорбере, зависит от его начальной концентрации в исходной газовой смеси, расхода абсорбента, величины давления и температуры в абсорбере.

Изменение расхода исходного синтез-газа и начальной концентрации углекислого газа в нём представляют собой выходные величины предыдущих технологических аппаратов, а, следовательно, представляют собой основные возмущения рассматриваемого процесса моноэтаноламиновой очистки синтез-газа.

Основной особенностью рассматриваемого процесса моноэтаноламиновой очистки синтез-газа является отсутствие технической возможности непосредственного контроля основного параметра – концентрации углекислого газа в очищенном синтез-газе или в насыщенном абсорбенте – насыщенном растворе моноэтаноламине. Выполнить это не представляется возможным из-за отсутствия соответствующего датчика. Существующие датчики концентрации углекислого газа предназначены для его её контроля в воздухе жилых и производственных помещений, а не для промышленного применения целью измерения и контроля концентрации углекислого газа в очищенном синтез-газе или в насыщенном абсорбенте.

Другой особенностью процесса может быть необходимость поддержания определенных условий работы, таких как температура и давление, для оптимальной эффективности абсорбции CO2. Также важно обеспечить постоянное обновление раствора MEA с целью поддержания его высокой эффективности.

С целью предупреждения попадания исходного синтез-газа из абсорбера в линию отвода насыщенного МЭА на десорбцию, в нижней части абсорбера, необходимо оставлять и поддерживать определенное количество жидкости – насыщенного углекислым газом абсорбента – насыщенного МЭА, уровень которого необходимо поддерживать неизменным исходя из условия сохранения материального баланса абсорбера очистки синтез-газа.

Кроме того, процесс моноэтаноламиновой очистки требует использования специальных устройств для сбора и обработки выбросов, так как раствор MEA может содержать загрязняющие вещества, которые необходимо удалить перед выбросом в атмосферу.

Выполненный анализ особенностей функционирования процесса абсорбции моноэтаноламином (рис.1), а также его технических характеристик и параметров, позволили получить схему материальных потоков (рис.2) и схему информационных переменных (рис.3) данного объекта управления.

С учетом выполненного выше анализа, основными управляемыми переменными абсорбера очистки синтеза газа, являются (рис.3):

- давление в верхней части абсорбера Рв;

- уровень насыщенного абсорбента в абсорбере hж.

Для регулирования перечисленных выше управляемых переменных, используются следующие управляющие воздействия (рис.3):

- расход очищенного газа Fог – позволяет воздействовать на давление в верхней части абсорбера;

- расход насыщенного абсорбента Fна – позволяет воздействовать на уровень насыщенного абсорбента в нижней части абсорбера;

Основные возмущающие воздействия, влияющие на управляемые переменные описанные выше, являются (рис.3):

- расход исходного газовой смеси на входе Fис;

- концентрация извлекаемого абсорбента Cис.

Таким образом, в работе произведен анализ абсорбционной колонны процессом МЕА очистки газа как объекта автоматизации и управления. На основании выполненного анализа осуществлена формализация объекта управления – рассматриваемой абсорбера, определены управляемые переменные, управляющие и возмущающие воздействия.

Выполненный анализ состояния автоматического управления абсорбционной колонной позволил выявить, что существующие системы автоматизации не полностью выполняют все функции по управлению, контролю и защите данного объекта. В связи с этим, разработка системы автоматического управления абсорбционной колонной в процессе очистки методом массообменной адсорбции (МЕА) является актуальной задачей.

Литература

1. Герш С.Я. Глубокое охлаждение. Ч.2: Конструкции машин и аппаратов, тепловые расчеты, описание установок глубокого охлаждения. 1960 – 496 с.
2. Мельников Е.Я. (ред.) Справочник азотчика. Том 1. 1967 – 492 с.
3. Кузнецов О. А., Шашкова Е. Ю. Автоматизированные системы управления технологическими процессами в химической промышленности, 2011
4. Айнштейн, В. Г. Процессы и аппараты химической технологии. Общий курс: в 2 кн. / В. Г. Айнштейн, М. К. Захаров, Г. А. Носов [и др.] ; Под ред. В. Г. Айнштейна. – 5-е изд. (эл.). – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. — 1758 с.