творы щелочей. Этот метод основан на том, что растворимость СО2 в воде на два порядка выше, чем других газов, входящих в состав смеси, что позволяет селективно извлечь СО2 из газовой смеси. Так, при температуре 25°С и при атмосферном давлении растворимость СО2 в воде составляет 0,759 м3/м3 воды, растворимость водорода и азота – 0,017 и 0,014 м3/м3 воды. При повышении давления растворимость СО2 в воде существенно возрастает. Поэтому процесс абсорбции проводили при давлениях 1,5–3,0 МПа при обычной температуре, а десорбцию СО2 осуществляли при снижении давления до атмосферного в градирнях. Однако равновесное давление СО2 над его водными растворами весьма велико, поэтому достичь глубокой очистки газа только водой невозможно. Остаточное содержание СО2 в газах после абсорбции составляло 0,5– 1,5%. Поэтому окончательная очистка газов от СО2 осуществлялась путем поглощения водными растворами щелочей по реакции

2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O.

Данная реакция необратима, и регенерировать щелочь невозможно, что существенно удорожает процесс очистки. В современных схемах синтеза аммиака этот метод очистки не применяется.

При разработке крупнотоннажных агрегатов синтеза аммиака для очистки конвертированного газа от СО2 предпочтение было отдано хемосорбционным методам. В качестве поглотителей наибольшее применение получили водные растворы аминоспиртов и карбонатов щелочных металлов.

Очистка газов от диоксида углерода водными растворами аминоспиртов

В промышленных условиях из всех аминоспиртов в качестве поглотителей наибольшее применение получили этаноламины: моноэтаноламин NH2CH2CH2OH (МЭА), диэтаноламин NH(CH2CH2OH)2 (ДЭА), триэтаноламин N(CH2CH2OH)3 (ТЭА). Этаноламины представляют собой органические основания, получаемые при взаимодействии этиленоксида с аммиаком. Они смешиваются с водой в любых соотношениях, поэтому для очистки от СО2 используются водные растворы этаноламинов.

Свойства этаноламинов представлены в табл. 11.

Регенерированный поглотительный раствор охлаждают до 35– 50°С, сжимают до давления ~3 МПа и возвращают в цикл. Получаемый диоксид углерода выбрасывают в атмосферу или используют в качестве исходного сырья для синтеза карбамида.

Очистка газов от диоксида углерода водными растворами карбонатов щелочных металлов

Наряду с моноэтаноламиновой очисткой в промышленности широкое применение получила очистка конвертированного газа от СО2 водными растворами карбоната калия по реакции

К2СО3 + СО2 + Н2О ↔ 2КНСО3 + Q.

Использование соды для этих целей нецелесообразно, так как растворимость карбонатов натрия в воде намного ниже, чем карбонатов калия.

Реакция взаимодействия диоксида углерода с карбонатом калия является обратимой, экзотермической, протекающей с уменьшением объема. Поэтому процесс абсорбции необходимо вести при пониженных температурах и при повышенных давлениях, а процесс регенерации – при низких давлениях и при повышенных температурах.

Однако при низких температурах растворимость карбонатов калия в воде невелика и скорость абсорбции также незначительна. Поэтому для интенсификации процесса абсорбцию ведут горячими растворами поташа при температурах 65–100°С и давлении ~3МПа, а регенерацию абсорбента – при снижении давления до атмосферного и нагревании раствора до 100–120°С. В качестве поглотительного раствора используют раствор поташа с концентрацией 25–30%, активированный диэтаноламином. Концентрация активатора в поглотительном растворе должна быть не менее 2%. Для предотвращения коррозии оборудования в состав поглотительного раствора вводят 0,5% V2O5, являющегося ингибитором коррозии. Процессы абсорбции и регенерации осуществляют в насадочных или тарельчатых колоннах. Остаточная концентрация СО2 в очищенном газе составляет 0,05–0,10%.

Сравнение моноэтаноламиновой и карбонатной очистки показывает, что предпочтение следует отдать первому методу, так как растворы этаноламина обеспечивают более высокую степень

Верхняя секция абсорбера орошается глубокорегенерированным раствором, здесь он насыщается диоксидом углерода (от 10– 20 до 65 г/л), смешивается с груборегенерированным раствором, идущим из регенератора.

Насыщенный раствор с содержанием СО2 80–100 г/л и температурой не более 60°С в количестве 1100–1150 м3/ч выходит из нижней секции абсорбера и делится на три потока.

Первый поток – холодный байпас (около 10% до 100 м3/ч) направляется непосредственно на верх регенератора 6. Второй поток (475–540 м3/ч, ~45%) проходит трубное пространство теплообменника 4, где нагревается до 95–100°С за счет тепла груборегенерированного раствора, дросселируется и поступает в регенератор. Третий поток (475–540 м3/ч, ~45%) проходит трубное пространство теплообменника 8, нагревается до 110–115°С за счет тепла глубокорегенерированного раствора, дросселируется и поступает в трубное пространство испарителя 9, где за счет тепла груборегенерированного раствора происходят нагрев и частичная десорбция СО2 и паров воды. После испарителей насыщенный раствор поступает в регенератор.

Регенератор разделен на две секции. В верхней секции происходит регенерация (десорбция) насыщенного раствора до содержания СО2 не более 50 г/л за счет тепла парогазовой смеси, поступающей из нижней секции регенератора. Затем раствор делится на два потока. Первый поток – груборегенерированный раствор (500– 600 м3/ч) с температурой 115–120°С поступает в межтрубное пространство испарителя 9, где охлаждается до 110–115°С насыщенным раствором, и, пройдя теплообменники и воздушный холодильник 2, поступает на орошение нижней секции абсорбера. Другой поток груборегенерированного раствора поступает в нижнюю часть регенератора для более тонкой регенерации. Окончательная десорбция происходит при кипячении его в выносных кипятильниках 7 до остаточного содержания СО2 в растворе 10–12 г/л. Глубокорегенерированный раствор из куба регенератора с температурой 125–130°С поступает в теплообменники 8, охлаждается в воздушном холодильнике 2 и затем с температурой около 70°С поступает на орошение верхней части абсорбера.

Если тепла для регенерации раствора оказывается недостаточно, его количество может быть увеличено за счет использования дополнительных газовых и паровых кипятильников.