способ выделения диоксида углерода из газов

Формула изобретения

1. Способ выделения диоксида углерода из газов путем абсорбции-десорбции диоксида углерода водным раствором амина с проведением десорбции диоксида углерода под давлением, превышающем давление абсорбции, отличающийся тем, что процесс абсорбции-десорбции проводят в 2 ступени с подачей диоксида углерода после десорбции из раствора первичного амина на первой ступени на абсорбцию во второй ступени, причем десорбцию на второй ступени проводят под давлением, превышающим давление десорбции на первой ступени.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в каждой ступени используют как один и тот же, так и разные абсорбенты.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что на второй ступени используют вторичные или третичные амины, термохимически устойчивые и имеющие низкую упругость паров.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу выделения диоксида углерода из технологических или энергетических газов, например из дымовых газов.

Известен способ выделения жидкого диоксида углерода из технологических и энергетических газов путем абсорбции СО ₂ водным раствором моноэтаноламина (МЭА) с последующей регенерацией абсорбента и дальнейшего компремирования углекислоты [Т.Ф.Пименова. Производство и применение сухого льда, жидкого и газообразного диоксида углерода. М.; Легкая и пищевая промышленность, 1982 г.].

Известный процесс выделения диоксида углерода из дымовых газов включает, как правило, следующие стадии:

- охлаждение дымовых газов в водяном скруббере;

- извлечение диоксида углерода из дымовых газов путем его абсорбции водным раствором МЭА при температуре 40-50°С;

- регенерацию циркулирующего раствора МЭА при температуре 110÷130°С и давлении 0.17÷0.2 МПа с десорбцией диоксида углерода из раствора абсорбента;

- сжижение диоксида углерода путем сжатия в механическом компрессоре с дальнейшим охлаждением.

В промышленных установках ожижения диоксида углерода, полученного из дымовых газов, используют сжатие газообразного диоксида углерода до давления 7.1 МПа в 4-х-ступенчатом поршневом компрессоре с дальнейшим охлаждением продукта до температуры 15-20°С либо сжатие в 2-х-ступенчатом компрессоре до давления 1.5 МПа с охлаждением до температуры порядка минус 30°С.

Оба эти процесса характеризуются общим недостатком, связанным с высокими затратами электроэнергии на компремирование диоксида углерода перед ожижением. Так удельный расход электроэнергии на действующих установках получения жидкой углекислоты составляет до 280-400 кВтч/т СО ₂ [Т.Ф.Пименова. Производство и применение сухого льда, жидкого и газообразного диоксида углерода. М.; Легкая и пищевая пром-сть, 1982 г.; В.М.Черкасский, Т.М.Романова, Р.А.Кауль. Насосы, компрессоры, вентиляторы. М.; «Энергия», 1968 г.]. Технической задачей предлагаемого способа является устранение недостатков известного способа получения жидкого диоксида углерода, в частности снижение энергозатрат на сжатие газообразного диоксида углерода. Техническая задача может быть решена в результате замены механического сжатия на абсорбционно-десорбционное сжатие. Для решения этой задачи может быть использован процесс сжатия газообразного диоксида углерода, десорбированного при регенерации, проведенной под давлением. Дополнительным преимуществом предлагаемого способа является использование дешевого низкопотенциального тепла.

Ранее [И.Л.Лейтес, В.И.Мурзин и др. Авторское свидетельство №512785, Бюл. №17, 05.05.76.] был предложен способ очистки газов от диоксида углерода путем абсорбции водным раствором аминов с последующей регенерацией абсорбента при давлении 0.5-9.5 МПа. Однако в этом способе используют одноступенчатую схему абсорбции-десорбции диоксида углерода водным раствором одного абсорбента - МЭА, который при высоких температурах регенерации под давлением (129-160°С) подвергается повышенной деградации. Известно [Н.В.Язвикова, И.Л.Лейтес, А.С.Сухотина. Хим. пром., 1977 г., №3, стр.185-188], что при повышении температуры на каждые 10° скорость деградации МЭА увеличивается в 1.6-1.8 раза, что приводит к увеличению химических потерь абсорбента. Кроме того, упругость паров МЭА при указанных температурах велика, что значительно увеличивает физические потери МЭА за счет уноса из регенератора. Таким образом, резко возрастает расходный коэффициент МЭА в процессе выделения диоксида углерода.

Поэтому техническая задача предлагаемого способа направлена не только на снижение энергозатрат при выделении жидкого диоксида углерода, но и на уменьшение потерь абсорбента при регенерации под давлением. Техническая задача решается в результате замены процесса механического сжатия на двухступенчатый абсорбционно-десорбционный процесс, причем десорбцию диоксида углерода на второй ступени проводят под давлением, превышающим давление абсорбции.

Кроме того, в предлагаемом способе на второй ступени в качестве абсорбента помимо МЭА используют вторичный или третичный амины, термохимически более устойчивые и менее летучие, чем МЭА, например диизопропаноламин (ДИПА) или метилдиэтаноламин (МДЭА). Давление СО₂ над растворами вторичных и третичных аминов значительно выше, чем над растворами МЭА при одинаковых температурах [Очистка технологических газов. Под редакцией Семеновой Т.А. и Лейтеса И.Л., М. «Химия», 1977 г., стр.227], поэтому регенерацию этих растворов можно провести при менее высоких температурах при одинаковом давлении.

Кроме того, упругость паров над чистым растворителем у вторичных и третичных аминов на порядок ниже, чем у МЭА [А.Л.Коуль, Ф.С.Ризенфельд. Очистка газа. М. «Недра», 1968 г., стр.23]. Термохимическая устойчивость ДИПА и МДЭА в 2 раза выше, чем МЭА в водных растворах, содержащих диоксид углерода [И.Л.Лейтес, А.К.Аветисов, Н.В.Язвикова и др. Химическая промышленность сегодня 2003 г., №1, стр.35].

В предлагаемом процессе, как и в известном, дымовой газ проходит стадию охлаждения в водяном скруббере до температуры 40°С, затем направляется на установку абсорбционно-десорбционного выделения углекислоты, где из него извлекается диоксид углерода. На чертеже приведена принципиальная схема установки, которая состоит из двух ступеней: на первой ступени осуществляется выделение газообразного диоксида углерода из дымовых газов, на второй - сжатие диоксида углерода от 0.23 до 0.9÷1.5 МПа.

Установка включает два абсорбера 1 и 3, первой и второй ступеней, соответственно; два регенератора (с выносными кипятильниками и холодильниками-дефлегматорами) 2 и 4, первой и второй ступеней, соответственно; два теплообменника-рекуператора 7 и 10; два холодильника циркулирующих растворов 8 и 11; два центробежных насоса 6 и 9; угольный фильтр 5.

Ниже приводится описание технологического процесса.

Охлажденный в водяном скруббере газ с температурой около 40÷42°С и давлением 0.11 МПа поступает в абсорбер 1 первой ступени, орошаемый 10÷15%-ным раствором МЭА. На выходе из абсорбера 1 содержание СО₂ в газе снижается с 10.3 до 1.25% (об.). Насыщенный раствор МЭА, содержащий 0.43÷0.45 моль СО₂/моль МЭА и нагретый за счет теплоты абсорбции до температуры 48÷52°С, подается центробежным насосом 6 в кожухотрубчатый теплообменник - рекуператор 7, где нагревается до 110°С и затем поступает в регенератор 2. Регенерация проводится в аппарате с выносным кипятильником под давлением 0.26 МПа. Регенерированный раствор, содержащий 0.15÷0.20 моля CO₂/моль МЭА, при температуре 126°С проходит межтрубное пространство теплообменника-рекуператора 7, отдавая тепло насыщенному раствору МЭА, далее охлаждается оборотной водой в холодильнике 8 до температуры 40÷43°С и подается на орошение абсорбера 1. Парогазовая смесь, выходящая из регенератора 2, при температуре 104÷107°С поступает в выносной холодильник-дефлегматор, охлаждаемый водой. Здесь газ охлаждается до температуры 40°С, и из него конденсируются водяные пары. Конденсат в виде флегмы подается на орошение верхних тарелок регенератора. Газ на выходе из регенератора 2 содержит около 97% (об.) диоксида углерода (остальное - вода) с давлением 0.23 МПа и температурой 40°С.

Далее этот газ направляется на вторую ступень технологической схемы, где происходит сжатие диоксида углерода до 0.97÷1.5 МПа. На второй ступени в качестве абсорбента могут быть использованы как моноэтаноламин, так и вторичный или третичный амин.

Пример 1.

В данном примере на второй ступени в качестве абсорбента используется моноэтаноламин. В этом случае газ не подается на угольный фильтр 5, а поступает непосредственно в абсорбер II ступени.

Диоксид углерода из регенератора 2 первой ступени поступает в абсорбер 3 второй ступени установки, где поглощается 25÷30%-ным раствором МЭА в абсорбере 3. Затем насыщенный раствор с концентрацией 0.62÷0.64 моля CO₂/моль амина, температурой 50÷55°С и давлением 0.23 МПа сжимается центробежным насосом 9 до давления 0.97÷1.0 МПа и подается в теплообменник-рекуператор 10, где раствор нагревается до температуры 127÷130°С. Нагретый раствор направляется в регенератор 4, где из него выделяется диоксид углерода с давлением 0.97÷1.0 МПа. Регенерированный раствор с концентрацией 0.50÷0.52 моля/моль амина поступает в теплообменник-рекуператор 10, где отдает тепло насыщенному раствору, далее проходит холодильник 11, охлаждаемый оборотной водой, и с температурой 48÷50°С подается на орошение абсорбера 3.

Полученный газообразный диоксид углерода под давлением 1.0 МПа поступает на установку ожижения, где его охлаждают до заданной температуры (минус 50°С).

Достигнутый технический результат определяется снижением удельного расхода энергии. Удельный расход электроэнергии в предлагаемом процессе, рассчитанный по той же методике [1, 2] с учетом энергозатрат на охлаждение сжатого диоксида углерода, не превышает 155 кВтч/т CO₂, что в 1.8÷2.5 раза ниже, чем в известных способах с использованием механических компрессоров. Расходный коэффициент абсорбента в данном примере составляет 0.002÷0.003 кг/нм³ CO₂.

Пример 2.

Газ из регенератора I ступени, полученный способом, описанным выше в примере 1, поступает на угольный фильтр 5 для очистки от паров МЭА, после чего он направляется на вторую ступень технологической схемы, где происходит сжатие диоксида углерода до 1.0 МПа. На второй ступени в качестве абсорбента используют диизопропаноламин (ДИПА), вторичный амин.

Диоксид углерода, поступающий в абсорбер 3 второй ступени установки, поглощается 42÷44%-ным раствором ДИПА. Затем насыщенный раствор с концентрацией 0.58÷0.6 моля CO₂/моль амина, температурой 52÷54°С и давлением 0.23 МПа сжимается центробежным насосом 9 до давления 1.0 МПа и подается в теплообменник-рекуператор 10, где раствор нагревается до температуры 100÷102°С. Нагретый раствор направляется в регенератор 4, где из него выделяется диоксид углерода с давлением 1.0 МПа. Регенерированный раствор с концентрацией 0.52÷0.54 моля/моль амина поступает в теплообменник-рекуператор 10, где отдает тепло насыщенному раствору, далее проходит холодильник 11, охлаждаемый оборотной водой, и с температурой 50÷52°С подается на орошение абсорбера 3.

Полученный газообразный диоксид углерода поступает на установку ожижения, как в примере 1.

Удельный расход электроэнергии в данном примере также не превышает 155 кВтч/т CO₂. Однако в данном случае благодаря использованию на второй ступени цикла абсорбции-десорбции в качестве абсорбента вторичного амина - диизопропаноламина (термически и химически более устойчивого и менее летучего) суммарный расходный коэффициент абсорбентов на обеих ступенях процесса извлечения диоксида углерода в 1.5÷2.0 раза ниже, чем в примере 1 и составляет 0.001 кг амина/нм³ CO₂.

Пример 3.

Газ из регенератора I ступени, полученный способом, описанным выше в примерах 1 и 2, поступает на угольный фильтр 5 для очистки от паров МЭА, после чего он направляется на вторую ступень технологической схемы, где происходит сжатие диоксида углерода до 1.0 МПа.

На второй ступени в качестве абсорбента применяют водный раствор третичного амина - метилдиэтаноламина (МДЭА).

Диоксид углерода, поступающий во вторую ступень установки, поглощается 38÷40%-ным раствором МДЭА в абсорбере 3. Затем насыщенный раствор с концентрацией 0.68÷0.70 моля CO₂/моль амина, температурой 50÷52°С и давлением 0.23 МПа сжимается центробежным насосом 9 до давления 0.95÷1.4 МПа и подается в теплообменник-рекуператор 10, где раствор нагревается до температуры 100÷110°С. Нагретый раствор направляется в регенератор 4, где из него выделяется диоксид углерода с давлением 0.95÷1.5 МПа. Регенерированный раствор с концентрацией 0.48÷0.50 моля/моль амина поступает в теплообменник-рекуператор 10, где отдает тепло насыщенному раствору, далее охлаждается оборотной водой в холодильнике 11 и с температурой 46÷50°С подается на орошение абсорбера 3.

Полученный газообразный диоксид углерода поступает на установку ожижения. В данном случае диоксид углерода охлаждают до температуры минус 30°С, так как в результате абсорбционно-десорбционного сжатия давление его составляет до 1.5 МПа, благодаря чему расход энергии в данном примере ниже, чем в примерах 1 и 2 и не превышает 140 кВтч/т CO₂ . Суммарный расходный коэффициент абсорбентов на обеих ступенях процесса в данном примере не превышает 0.0008÷0.001 кг/нм ³ CO₂.

Таким образом, поставленная техническая задача - снижение энергозатрат и потерь абсорбента при выделении жидкого диоксида углерода - решена путем замены процесса механического сжатия на абсорбционно-десорбционное сжатие с использованием двухступенчатой абсорбционно-десорбционной схемы, причем десорбцию диоксида углерода на второй ступени проводят под давлением, превышающим давление абсорбции. Преимуществами предлагаемого способа являются использование дешевого низкопотенциального тепла взамен дорогостоящей электроэнергии, а также низкие расходные коэффициенты абсорбентов.