CC BY
107
УДК 35.11(075.8): 66.081.6(075)
Терпугов Д.Г., Акинин Н.И., Монахов А.А.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УЛАВЛИВАНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ЩЕЛОЧНЫМИ РАСТВОРАМИ В ТРУБЧАТОЙ КОЛОННЕ
Терпугов Даниил Григорьевич аспирант кафедры техносферной безопасности, E-mail: [email protected]
Акинин Николай Иванович д.т.н., профессор, заведующий кафедрой техносферной безопасности
Монахов Антон Андреевич студент кафедры техносферной безопасности
РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, корп. 1
Каким образом можно уловить СО2, SO2 и другие газовые выбросы? В промышленном масштабе очистку газовых выбросов на тепловых электростанциях, предприятиях черной и цветной металлургии, цементных заводах и предприятиях химической промышленности применяют многозвенную систему с фильтрами и циклонами, которые улавливают твердые частицы, а также с применением различных абсорбционных и адсорбционных методов. В данной работе рассматривается возможность использования трубчатой абсорбционной колонный для улавливания углекислого газа.
Ключевые слова: парниковые газы, углекислый газ, абсорбция, мембранная технология.
RESEARCHE OF CARBON DIOXIDE TRAPPING IN TUBE ABCORPTION DEVICE
Terpugov D.G, Akinin N.I, Monakhov A.A. D.Mendeleev University of Chemical Technology of Russia
How it is possible to trap CO2, SO2 and other gases? Commercially gas purification at thermoelectric power stations, ferrous and non-ferrous metallurgy plants, cement and chemical plants is being made with filters and cyclones, which trap solid parts, and using different absorptive and adsorptive methods. Tube absorption device and its possibilities for carbon dioxide trapping are shown in this work.
Keywords: greenhouse gases, carbon dioxide, absorption, membrane technology.
и умягчать воду, что повысит КПД тепловых станций.
На первом этапе работ предпочтение было отдано абсорберу с шаровой насадкой.
Это связано с недостатками тарельчатых аппаратов и в первую очередь - сложность работы с загрязненными жидкостями.
Некоторые недостатки приведены ниже:
1)Тарелки со сливными устройствами. Ситчатые и решетчатые чувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают отверстия. Колпачковые имеют высокую стоимость, сложность устройства, высокое гидравлическое сопротивление, трудность очистки. Клапанные и балластные тарелки имеют повышенное гидравлическое сопротивление.
2)Колонны с тарелками без сливных устройств называют «провальными». К ним относят дырчатые (ситчатые), трубчатые и волокнистые. Они имеют такие же недостатки, как и ситчатые с переливными устройствами.
Все перечисленные тарелки не позволяют использовать загрязненные жидкости, которые образуют осадок, подобный СаСО3. Также все вышеперечисленные устройства кроме колпачковых и клапанных (и балластных) обладают существенным недостатком - возможностью «провала» жидкости при нарушении (остановке) технологического режима подачи газа в колонну.
В связи с этими недостатками рассмотренных колонных аппаратов для проведения исследований
В промышленном масштабе очистку газовых выбросов на тепловых электростанциях, предприятиях черной и цветной металлургии, цементных заводах и предприятиях химической промышленности проводят с помощью фильтров и циклонов, которые удаляют твердые частицы, а также с помощью различных абсорбционных и адсорбционных методов. [1]
СО2 может улавливаться только в скрубберах с использованием водного раствора Са(ОН)2 (гидроокиси кальция)[2]. Однако, данный метод не может применяться для наших целей, т.к. получение Са(ОН)2 и улавливание СО2 происходит в соответствии со следующими реакциями:
СаСО 3 ————СаО + СО2 Т известняк газ
СаО + Н2О ^ Са(ОН)2 Са(ОН)2 + СО2 ^ СаСОэ^ + Н2О известняк
Таким образом, чтобы получить Са(ОН)2 и улавливать СО2 с образованием СаСО3 требуется разложить природное сырье - известняк (мел, ракушечник, мрамор и др.) с выделением в атмосферу СО2, что делает бессмысленным данный метод улавливания. Поэтому для получения Са(ОН)2 нами разработана технология прямого осмоса, которая позволяет не только получать Са(ОН)2 , но
на первом этапе была выбрана насадочная колонна с шаровой насадкой.
Колонна с шаровой насадкой имеет следующие достоинства:
1)маленькое гидравлическое сопротивление и их применяют в процессах, которые проводят под вакуумом - процессы десорбции и ректификации
2)проводить очистку поверхности контакта фаз от осадка за счет трения шаров между собой или гидравлического удара при повышении расхода газа.
3)после «провала» жидкости колонна быстро запускается (практически «мгновенно»)
Отметим, что насадочные колонны работают в пленочном режиме. Более эффективные режимы работы - подвисание и эмульгирование из-за возможности «захлебывания» колонны не используются. В связи с этим было принято решение об изготовлении лабораторной установки другого типа - имеющей возможность работы в более эффективных режимах.
Поверхностные аппараты используются для поглощения хорошо растворимых газов (например,
поглощение HCl водой). В них газ проходит над поверхностью медленно движущейся жидкости. Так как поверхность соприкосновения мала, то нередко устанавливают несколько последовательно установленных аппаратов, в которых фазы движутся противотоком.
Предложенный абсорбер в виде трубы или элементов труб с подачей газа в жидкость через отверстия пористого элемента позволяет по сравнению с насадочной колонной провести инверсию фаз - жидкость становится сплошной фазой, а газ - дисперсной. Образуется газожидкостная дисперсная система и аналогично насадочной колонне возникает режим эмульгирования, который по эффективности существенно превосходит пленочный режим в насадочной колонне. Еще раз отметим, что в пленочном режиме наоборот - газ является сплошной средой, а жидкость - дисперсной. [3]
Была изготовлена лабораторная установка с трубчатым абсорбционным элементом (рис. 1), работающая в режиме эмульгирования.
байпас жидкости
I ^ жидкость
ы—
сброс
-м-
газ (воздух)
Рисунок 1. Схема лабораторной установки. 1 - Насос, 2 - Компрессор, 3 - Смеситель воздуха и раствора Са(ОН)2, 4 -Трубчатая колонна, 5 и 5а - емкости исходного и конечного раствора, 6- Ротаметр жидкости, 7 - ротаметр газа, 8а - 8г -
вентили для отбора проб, 9 - анализатор газа по СО2
Результаты проведенных на данной установке экспериментов (рис.2) показывают, что реакции в процессе абсорбции идут в трех областях:
1) При рН выше 11 происходит мгновенная реакция
Са(ОН)2 + СО2 ^ СаСОз^ + Н2О.
2) При рН ниже 9,5 происходит снижение скорости реакции в связи со значительным снижением концентрации растворенных ионов Са2+ и частичному переходу к физической абсорбции СО2 водой. Данное предположение подтверждается незначительным ростом рН раствора с течением времени.
3) Переходная область рН 9,5 - 11. В данном промежутке концентрация растворенного в воде Са(ОН)2 снижается с 0,075 г/л (при рН = 11) до =0,0023 г/л)
Использование в ходе экспериментов газоанализатора для определения концентрации углекислого газа в воздухе лаборатории проводились измерения перед началом
эксперимента и после его завершения) и в установке в процессе абсорбции (рис. 3) позволяют сделать вывод о том, что начиная с определенного момента, раствор начинает терять способность к поглощению СО2. Сопоставление двух представленных графиков показывает, что критической точкой является уровень рН = 11.
Сравнение экспериментальных данных полученных при схожих начальных условиях (равной начальной концентрации растворенного в воде Са(ОН)2 и расходе раствора)позволяют сделать вывод об эффективности трубчатого абсорбера (рис.
рН, ед. 14
6 ■ 4 — 7 О
О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
t, мин.
< рн раствора
Рисунок 2. Зависимость уровня рН от времени (в минутах)
С02, ррт
900
О 20 40 60 S0 100 120 140 160 180 20Q 220 240 2 60 280 300 —♦—Количество С02 в установке мин'
-»-Количество С02 в воздухе Рисунок 3. Зависимость концентрации С02 (молекул на миллион) от времени (в минутах)
о
О 10 2 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
мин
—#— в трубчатом абсорбере -Ш-в колонне с шаро&ой насадкой
Рисунок 4. Сравнение эффективности колонны с шаровой насадкой и трубчатого абсорбера
Таким образом, конструкция трубчатого абсорбера с модифицированной подачей газа позволяет:
1)проводить процесс абсорбции в режиме эмульгирования, что значительно интенсифицирует улавливание газа по сравнению с насадочной колонной.
2)работать при повышенных давлениях газа, что также увеличивает интенсивность процесса.
3)проводить теплосъем теплоты протекающего процесса.
4)упростить конструкцию аппарата в сравнении с насадочной колонной.
5)отказаться от использования насадки, что снижает стоимость данного устройства по сравнению с другими видами абсорберов.
6)выполнять абсорбер в виде горизонтальных труб, что упрощает их монтаж и снижает стоимость по сравнению с вертикальными колонными аппаратами.
7)проводить процесс улавливания и одновременно осуществлять транспортировку осадка СаСО3.
8)регулировать процесс абсорбции, изменяя давление и температуру жидкости и газа.
Список литературы
1. Зайцев В.А. Промышленная экология: учебное пособие/ В.А. Зайцев. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. - 382 с.
2. Родионов А.И., Клушин В.Н., Систер В.Г. Технологические процессы экологической безопасности / Основы энвайронменталистики /: Учебник для студентов технических и технологических специальностей. 4-е изд., перераб. И доп. - Калуга: Издательство Н.Ф. Бочкаревой, 2007. - 800с.
3. А.Г. Касаткин Основные процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов. - 10-е изд. - М.: ТИД "Альянс", 2004 - 753 с.
