Усовершенствование технологии процесса улавливания сырого бензола

Введение

В процессе высокотемпературного коксования угольных шихт в коксовой камере наряду с коксом образуются летучие химические продукты. Основными летучими продуктами высокотемпературного коксования являются: коксовый газ, пирогенетическая влага, нафталин, аммиак, сероводород (и другие сернистые соединения), цианистые соединения, бензольные углеводороды (сырой бензол), каменноугольная смола и др.

При обработке прямого коксового  газа в аппаратуре цеха улавливания  из него выделяются основные химические продукты и образуется очищенный коксовый газ (обратный).

Одним из основных отделений цеха улавливания является бензольное. В  этом отделении происходит улавливание  бензольных углеводородов из коксового  газа поглотительным маслом в абсорберах с последующим выделением сырого бензола из поглотительного масла в дистилляционной колонне.

Поглотительное каменноугольное  масло - это продукт переработки каменноугольной смолы, обладает достаточной поглотительной способностью, при подогреве легко выделяет поглощенные бензольные углеводороды. Его температура кипения значительно выше температуры отгонки из него сырого бензола. Удельный вес больше единицы, благодаря чему масло легко отделить от воды. Вязкость масла сравнительно невелика, благодаря чему достигается равномерное и свободное стекание его по насадке абсорбера.

Сырой бензол – это  смесь углеводородов, основными  из которых является бензол, толуол, ксилол и сольвент-нафта.

В виде примесей в незначительном количестве в нем содержится непредельные соединения ( циклопентадиен, кумарон, инден), сернистые соединения (сероуглерод, тоифен), ненасыщенные углеводороды, фенолы и пиридиновые основания.

Состав сырого бензола зависит  от состава шихты и технологических условий коксования.

Целью данного  дипломного проекта является проектирование более полного улавливания бензольных углеводородов из коксового газа.

 

1. Литературный обзор.

1.1.Способы  улавливания бензольных углеводородов

Одним из самых распространенных способов улавливания бензольных углеводородов  в коксохимической промышленности является абсорбция [33]. Абсорбцией называется процесс поглощения газа или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

Аппараты, в которых  осуществляется абсорбционные процессы, называются абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью  и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на следующие группы [34]:

1. Поверхностные и пленочные.
2. Насадочные.
3. Барботажные (тарельчатые).
4. Распыливающие.
1. Поверхностные и плёночные абсорберы.

В абсорберах этого типа поверхностью соприкосновения фаз является зеркало  неподвижной или медленно движущейся жидкости, или же поверхность текущей жидкой плёнки.

Поверхностные абсорберы  – это абсорберы, которые используются для поглощения хорошо растворимых газов. Имеют ограниченное применение вследствие их малой эффективности и громоздкости.

Плёночные абсорберы  – более эффективны и компактны, чем поверхностные абсорберы. В плёночных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность текущей плёнки жидкости.

Различают следующие  разновидности аппаратов данного  типа:

а) трубчатые абсорберы;

б) абсорберы с плоскопараллельной или листовой насадкой;

в) абсорберы с восходящим движением плёнки жидкости.

Трубчатый абсорбер (рис 1) - сходен по устройству с вертикальным кожухотрубчатыми теплообменниками. Абсорбент поступает на верхнюю трубную решётку, распределяется по трубам и стекает по их внутренней поверхности в виде тонкой плёнки. В аппаратах с большим числом труб для более равномерной подачи и распределения жидкости по трубам используют специальные распределительные устройства. Газ движется по трубам снизу вверх навстречу стекающей жидкой плёнке. Для отвода тепла абсорбции по межтрубному пространству пропускают воду или другой охлаждающий агент.

Абсорбер с плоскопараллельной насадкой (рис. 2.) – представляет собой колонну с листовой насадкой в виде вертикальных листов из различного материала (металл, пластмассы и др.) или тугонатянутых полотнищ из ткани. В верхней части абсорбера находятся распределительные устройства для равномерного смачивания насадки с обеих сторон.

Абсорбер с восходящим движением плёнки (рис. 3.) - состоит из труб, закреплённых в трубных решётках. Газ из камеры проходит через патрубки, расположенные соосно с трубами. Абсорбент поступает в трубы через щели. Движущийся, с достаточно большёй скоростью, газ увлекает жидкую плёнку в направлении своего движения (снизу вверх), т.е. аппарат работает в режиме восходящего прямотока. В аппаратах с восходящим движением плёнки вследствие больших скоростей газового потока (до 30-40 м/с) достигаются высокие значения коэффициентов массопередачи, но, вместе с тем, гидравлическое сопротивление этих аппаратов относительно велико.

 

2. Насадочные абсорберы.

Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонны, заполненные насадкой – твёрдыми телами различной формы.

В насадочной колонне (рис. 4.) насадка 2 укладывается на опорные решётки 3, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Жидкость с помощью распылителей 1 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерное распределение жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом – большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у её стенок. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к её стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2-3 м, и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости 4.

В насадочной колонне  жидкость течёт по элементу насадки главным образом в виде тонкой плёнки, поэтому поверхностью контакта фаз является, в основном, смоченная поверхность насадки. Насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность плёночных.

3. Барботажные (тарельчатые) абсорберы.

Представляют собой, как правило, вертикальную колонну, внутри которой на определённом расстоянии друг от друга размещены горизонтальные перегородки – тарелки. С помощью тарелок осуществляется направленное движение фаз и многократное взаимодействие жидкости и газа.

По способу слива жидкости с  тарелок барботажные абсорберы  можно подразделить на колонны:

а) с тарелками со сливными устройствами;

б) с тарелками без  сливных устройств.

Тарельчатые колонны со сливными устройствами (рис. 5) - в этих колоннах перелив жидкости с тарелки на тарелку осуществляется при помощи специальных устройств – сливных трубок, карманов и т.п. Нижние концы трубок погружены в стакан на нижерасположенных тарелках и образуют гидравлические затворы, исключающие возможность прохождения газа через сливное устройство.

Колонны с тарелками без сливных  устройств (рис. 6) - в тарелке без сливных устройств газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия или щели. На тарелке одновременно с взаимодействием жидкости и газа путём барботажа происходит сток части жидкости на нижерасположенную тарелку – «проваливание» жидкости. Поэтому тарелки такого типа обычно называют провальными. К ним относятся дырчатые, решётчатые, трубчатые и волнистые тарелки.

2. Пути усовершенствования работы бензольных

абсорберов.

Современный уровень  промышленности, а также индустриальные методы строительства предъявляют  следующие основные требования к  аппаратам для улавливания бензольных углеводородов из коксового газа:

а) Высокая эффективность, позволяющая  значительно уменьшить как размеры аппаратов, так и их количество.

б) Большая единичная  мощность.

в) Высокая заводская  и монтажная готовность.

г) Низкая материалоёмкость и стоимость.

д) Низкое гидравлическое сопротивление.

е) Незабиваемость структур массообменных контактных устройств инкрустирующими загрязнениями среды, что в конечном счёте определяет надёжность и долговечность аппаратов.

Применявшиеся ранее  скрубберы с деревянными хордовыми  насадками не удовлетворяли почти  ни одному из перечисленных требований. В настоящее время на основании исследований УХИНа Гипрококсом разработаны новые конструкцииаппаратов с регулярной листовой насадкой. В аппаратах диаметром 3000 и 3600 мм номинальной производительностью соответственно 60 и 100 м³/ч коксового газа применена эффективная Z – образная насадка конструкции УкрНИИхиммаша [1], изготовляемая из листового алюминиевого сплава. Для распределения и перераспределения газовых и жидкостных потоков в насадке применены простые и надёжные устройства. Начальное орошение насадки осуществляется форсунками конструкции ДХТИ [2]. Насадка характеризуется незначительными гидравлическим сопротивлением и не склонна к забиванию загрязнениями среды.

Для улавливания бензольных углеводородов из коксового газа достаточно двух абсорберов на поток  вместо трёх скрубберов с деревянной хордовой насадкой.

Известно, что насадочные аппараты, в особенности из листовых металлических материалов, по сравнению  с другими типами аппаратов (полыми и тарельчатыми) являются наиболее дорогостоящими и их применение может быть оправдано только более низким сопротивлением по сравнению с тарельчатыми.

Полые аппараты из-за большого числа ступеней контакта при улавливании  бензольных углеводородов не могут  быть использованы, т.к. при этом значительные эксплутационные затраты для многоразового перекачивания и распределения поглотителя.

Упомянутые недостатки, присущие насадочным бензольным абсорберам, частично могут быть устранены при  применении тарельчатых аппаратов. Однако их использование сдерживается из--за большого гидравлического сопротивления и забиваемости тарелок загрязнениями среды.

Наиболее эффективными контактными устройствами тарельчатого типа в условиях абсорбции, и в  особенности с большими жидкостными  нагрузками являются провальные тарелки [3]. Приведённые ранее проектно-конструкторские и исследовательские работы УХИНа и Гипрококса показали, что для улавливания бензольных углеводородов требуется установка только одного аппарата с тарелками провального типа [5].

Рассмотрим подробно эти исследования с учётом имеющихся дополнительных данных о применении таких тарелок в коксохимической промышленности, а также в свете современных конструкций и новых прогрессивных решений других исследователей.

В опытной колонне 150 мм для улавливания бензольных углеводородов (поглотитель – соляровое масло) были испытаны провальные тарелки с отверстиями диаметром 5 и 6 мм и толщиной решётки 5 мм. В зависимости от свободного сечения (от14 до30%) была показана возможность улавливания бензольных углеводородов на 14-32 тарелках. Причём сопротивление аппарата составляло при определённых режимах 2,3-3,5 кПа, что считается приемлемым для трёх обычных скрубберов с деревянными хордовыми насадками.

На основании полученных результатов УХИНом был разработан и испытан [6] опытно-промышленный аппарат  диаметром 800 мм. Содержание бензольных углеводородов в обратном газе после аппарата в зависимости от расхода газа и количества работающих тарелок (15 или 20) колебалось от 0,92 до 2,42 г/м³, что также можно считать вполне удовлетворительным. Гидравлическое сопротивление колонны было несколько выше нормального и находилось в диапазоне 2,9-4,0 кПа.

Таким образом, главным  недостатком, обнаруженным при опытно-промышленных испытаниях колонны, было повышенное сопротивление  и увеличение его по времени. Необходимо отметить, что эти недостатки были усугублены тем, что аппараты испытывались на предприятии, где напор газодувок был мал.

Рассматривая эти результаты в свете современных данных, можно  сделать следующие выводы:

а) Применение тарелок  с круглыми отверстиями малого диаметра, а также с полотнами большой толщены, являлось главной причиной значительного гидравлического сопротивления и увеличения его со временем вследствие забивания перфорации.

б) В опытно-промышленном аппарате отверстия диаметром 7 мм в полотнах тарелок толщиной 6 мм по существу представляли собой каналы, которые при прохождении потоков создавали повышенное сопротивление и легко забивались отложениями.

В настоящее время наибольшее применение в коксохимической промышленности в различных процессах абсорбции нашли тарелки не с круглыми, а со щелевыми отверстиями. Стандартные решётчатые тарелки со щелями 6×60 мм и толщиной полотен 2 мм имеют меньшее гидравлическое сопротивление, менее склонны к забиванию, весьма просты по конструкции и легки в изготовлении. Высокая эффективность и меньшая склонность к инкрустации этих тарелок, проверенная при длительной работе в промышленных условиях, показали их значительные преимущества по сравнению с другими типами контактных устройств (насадок, колпачковых тарелок).