Дипломная работа: Разработка предложений по очистке природного газа и переработки кислых газов с получением товарной продукции (серы) (на примере Карачаганакского месторождения)

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе  находим, используя уравнение (3.25) и (3.26).

Все уравнения определения критериев  и остаются те же, что и для первой ступени колонны.

Коэффициент диффузии в растворах определяем по уравнению (3.27).

Подставив значения, получим:

Переведем  в выбранную размерность:

По уравнению (3.14) определим значения коэффициентов массопередачи в газовой фазе КуII:

3.3.7 Поверхность массопередачи и высота первой и второй ступени абсорбера

Общая высота колонны

Поверхность массопередачи в абсорбере по уравнению (3.1) равна:

Высоту насадки, необходимую для создания этой поверхности массопередачи, рассчитаем по формуле:

                                                                     (3.31)

Подставив численные значения, получим:

Во избежание нагрузок на нижние слои насадки, ее укладывают в колонне ярусами по 0,5 м каждая. Каждый ярус устанавливают на самостоятельные поддерживающие опоры, конструкции которых даны в справочнике /24/. Расстояние между ярусами обычно составляет 0,3÷0,5м /20, 24/.

Подставив значения, получим высоту насадочной части:

Расстояние между днищем абсорбера и насадкой Zн определяются необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Расстояние от верах насадки до люка первой ступени абсорбера Zв зависит от размеров распределительного устройства для орошения насадки и от высоты сепарационного пространства (в котором часто устанавливают каплеотбойные устройства для предотвращения брызгоуноса из колонны). Согласно /25/, примем эти расстояния равными соответственно 1,0 и 1,5 м. Тогда общая высота первой ступени абсорбера:

НI = Нн + Zв + Zн = 10,74 + 1,0 + 1,5 = 13,3 м

Поверхность массопередачи второй ступени абсорбера находим по уравнению (3.1)

Высоту насадки для этой поверхности массопередачи определяем по формуле (3.27).

Подставив, получим высоту насадки

Во избежание значительных нагрузок на нижние слои, ее укладывают в колонне ярусами по 20-25 решеток в каждом. Каждый ярус устанавливают на самостоятельные поддерживающие опоры, конструкции которых даны в справочнике /24/. Расстояние между ярусами хордовой насадки составляет обычно 0,3÷0,4 мм /20/.

Принимая число решеток в каждом ярусе 20, а расстояние между ярусами 0,4 м, определим высоту насадочной части второй ступени колонны

Принимая расстояние между днищем абсорбера и насадкой Zн = 1,0 и от верха насадки до крышки второй ступени абсорбера Zв = 0,8 м рассчитаем общую высоту второй ступени абсорбционной колонны

НII = 7,64 + 0,8 + 1 = 9,44 м = 9,5 м

Общая высота двухступенчатой абсорбционной насадочной колонны составит:

НIк = НI + НII = 13,3 + 9,5 = 22,8 м

3.3.8 Гидравлическое сопротивление первой и второй ступени абсорбера.

Общее гидравлическое сопротивление аппарата

Гидравлическое сопротивление ∆Р обуславливает энергетические затраты на транспортировку газового потока через абсорбер. Величину ∆Р рассчитывают по формуле /5/:

∆Р = ∆Рс · 10вv                                                                                (3.32)

где ∆Рс – гидравлическое сопротивление сухой (но орошаемой жидкостью) насадки, Па; v плотность орошения, м3/(м2·с); в- коэффициент, значения которого для различных насадок приведены /5/: в = 194.

Гидравлическое сопротивление сухой насадки ∆Рс определяют по уравнению:

                                                                                      (3.33)

где λ – коэффициент сопротивления. Для колец Рашига в навал /19/

                                                                                          (3.34)

 - скорость газа в свободном сечении насадки (в м/с)

Представив, получим:

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки  равно:

Гидравлическое сопротивление абсорбера второй ступени определяем, используя уравнение (3.28) и (3.29).

Коэффициент сопротивления для хордовых насадок находим по уравнению /19, 20/.

                                                                             (3.35)

Подставив значения, получим:

Гидравлическое сопротивление сухой насадки:

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки:

Общее сопротивление системы абсорбера определяют с учетом гидравлического сопротивления газопроводов, соединяющих аппараты и оборудование.

Общее сопротивление насадок первой и второй ступеней абсорбционной колонны находят суммой гидравлического сопротивления орошаемых насадок двух ступеней.

Анализ результатов расчета насадочного абсорбера /20/ показывает, что основное диффузионное сопротивление массопереносу в этом процессе сосредоточено в жидкой фазе, поэтому можно интенсифицировать процесс абсорбции, увеличив скорость жидкости. Для этого нужно либо увеличить расход абсорбента, либо уменьшить диаметр абсорбера. Увеличение расхода абсорбента приведет к соответствующему увеличению нагрузки на систему с существенным повышением капитальных и энергетических затрат. Уменьшение диаметра абсорбера приведет к увеличению рабочей скорости газа, что вызовет соответствующее сопротивление абсорберов.

Приведенный расчет выполнен без учета влияния на основные размеры абсорбера некоторых явлений (таких, как неравномерность распределения жидкости при орошении, обратное перемешивание и др.), которые в ряде случаев могут привнести в расчет существенные ошибки. Эти явления по-разному проявляются в аппаратах с насадками разных типов. Оценить влияние каждого из них можно, пользуясь рекомендациями, приведенными в литературе /5, 23/.

В таблице 10 приведены результаты расчета двухступенчатого абсорбера.

Таблица 10

Параметры абсорбера

3.4 Конструкции колонных аппаратов

Колонные аппараты предназначены для проведения процессов массообмена (ректификация, дистилляция, абсорбция, десорбция) в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Колонные аппараты изготавливают диаметром 400-4000 мм; для работы под давление до 16 кгс/см2 (1,6 МПа) – в царговом исполнении корпуса, для работы под давление до 40 кгс/см2 (4,0 МПа), под атмосферным давлением или под вакуумом (с остаточным давлением не ниже 10 мм рт.ст.) – в цельносварном исполнении корпуса.

В зависимости от диаметра колонные аппараты изготовляют с распределительными тарелками различных типов.

Колонные аппараты диаметром 400-4000 мм оснащают стандартными контактными и распределительными тарелками, опорными решетками (для насадочных аппаратов), опорами, люками, поворотными устройствами, днищами и фланцами.

Колонные аппараты диаметром 400-800 мм с насыпной насадкой изготовляют в царговом исполнении. Для равномерного распределения жидкости по поверхности насадки аппараты оснащены распределительными тарелками типа ТСН-III и перераспределительными типа ТСН-II. Каждый ярус насадки опирается на опорную решетку.

Колонные аппараты диаметром 1000-2800 мм с насыпной насадкой изготовляют с цельносварным корпусом и съемной крышкой. Для равномерного распределения жидкости по поверхности насадки аппараты оснащены распределительными тарелками типа ТСН-III и перераспределительными типа ТСН-II. Характеристики тарелок приведены в приложениях.

Распределительную тарелку типа ТСН-III устанавливают в верхней части аппарата, перераспределительную тарелку типа ТСН-II – под опорной решеткой для насадки (кроме нижней опорной решетки). Каждый ярус насадки опирается на опорную решетку. Для каждого яруса насадки на корпусе аппарата имеется два люка диаметром 500 мм и менее каждый.

Минимальные толщины стенок корпуса колонного аппарата зависят от диаметра аппарата:

Диаметр аппарата, мм Толщина стенки, мм

1000-180010

2000-260012

2800-320014

3400-380018

400024

3.4.1 Техническая характеристика

1. Аппарат предназначен для двухступенчатого поглощения кислых газов метанолом

2. Емкость номинальная:

I ступень 70,58 м3

II ступень 36,1 м3

3. Производительность 15,85 м3/с

4. Давление в колонне 2 МПа

5. Температура среды в колонне минус 45о-65оС

6. Среда в аппарате токсичная, коррозионная

7. Тип колонны - насадочная

8. Высота насадки

I ступень неупорядоченная, 9,6 м

II ступень упорядоченная, 6,7м

3.4.2 Технические требования

1. При изготовлении и поставке должны выполняться следующие требования:

а) ГОСТ 12.2.003-91 "Оборудование производственное. Общие требования безопасности";

б) ОСТ 26.231-79 "Сосуды и аппараты стальные сварные. Технические требования".

2. Материал деталей колонны, соприкасающихся со средой, в колонне должна устанавливаться из антикоррозионной стали марки Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, остальных – сталь Ст. 3 ГОСТ 14637-89.

3. Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически в горизонтальном положении давлением до 3,0 МПа, в вертикальном положении наливом.

4. Сварные соединения должны соответствовать требованиям ОСТ 263-87 "Сварка в химическом машиностроении".

5. Сварные швы в объеме 100% контролировать рентгенопросвечиванием.

6. Действительное расположение штуцеров, люков, цапф, шпырей согласно расчетов и рекомендации ОСТ 26.231-79 "Сосуды и аппараты стальные сварные. Технические требования".

4. ПРОИЗВОДСТВО СЕРЫ ИЗ КИСЛЫХ ГАЗОВ

4.1 Сера. Область применения

В настоящее время основным потребителем серы является сернокислотная промышленность. Доля элементарной серы, используемой в качестве сырья для производства серной кислоты неуклонно растет. Элементарная сера практически вытеснила другие виды сырья и в том числе пирит, что объясняется более низкими эксплуатационными и транспортными затратами /26, 27/.

Около половины вырабатываемой серной кислоты расходуется на производство фосфорных, азотных и, в меньшей степени, калийных удобрений. Кроме того, серная кислота используется в производстве синтетических и искусственных волокон, моющих средств, пластических масс, взрывчатых веществ, ее применяют также для очистки нефти, сахара, растительных масел, жиров, для получения других кислот и различных химикатов. Большое количество серной кислоты расходуется на травление черных металлов в электрохимической промышленности /26/.

Сера и ее соединения традиционно находят применение и в других отраслях промышленности: в целлюлозно-бумажной промышленности для получения целлюлозы, в химической – для получения искусственных волокон, сероуглерода, хлорида серы, красителей и других продуктов; в радиоэлектронике, в резиновой – в качестве вулканизирующего агента. Издавна серу применяли в борьбе с вредителями хлопчатника, картофеля, винограда. Значительное количество серы используется в производстве спичек, а также ряда пиротехнических средств.

Структура потребления серы в разных странах различна. Вместе с тем можно выявить общую тенденцию снижения доли серы, потребляемой в промышленности. Это объясняется заменой технологии получения некоторых продуктов процессами, не требующими применения серы. Так, в последние годы упаковочные материалы на основе целлюлозы были практически вытеснены синтетическими полимерными материалами, для производства которых не требуется сера. Появление источников абгазного (попутного) хлористого водорода обусловило замену сернокислотного способа получения диоксида титана хлоридным. По этой же причине для травления черных металлов используется соляная кислота.

В последнее время сера находит все более широкое применение в новых отраслях народного хозяйства. Ряд зарубежных компаний проводят исследования, направленные на создание новых конструкционных и строительных серосодержащих материалов. Большинство этих исследований связано с разработкой технологии напольных и дорожных покрытий. Так, в США в 1981 г. была создана компания, занимающаяся производством и реализацией серного бетона, который используется в качестве напольного покрытия на предприятиях, производящих и применяющих минеральные кислоты, и где обычный бетон на основе портландцемента быстро корродирует. В таких условиях серный бетон, содержащий до 15% серы, отличается коррозионной и механической стойкостью. Высокая стоимость бетона (около 600 долл. за 1 м3) компенсируется его долговечностью. Разработана технология серного бетона и изделий из него, в частности кирпича и кровельной черепицы. Строительный серосодержащий раствор используется для ремонтных, а также для декоративных работ, так как в затвердевшем виде он напоминает гранит.

Кроме указанных материалов, в строительстве применяют покрытия, полученные на основе серы, пластификаторов и минеральных волокон, а также керамические плитки, пропитанные серой. Эти изделия отличаются повышенной устойчивостью к действию разрушающих сред.

Высокая механическая прочность и температурная устойчивость материалов на основе серы открывает широкие возможности для их использования в качестве дорожных покрытий. Технология получения таких материалов разрабатывается как в нашей стране, так и за рубежом – во Франции, США, Канаде. В США дорожные покрытия на основе серы были апробированы в промышленных масштабах. Применение этого покрытия показало, что новый материал по своим качествам лучше чисто асфальтовых покрытий, так как способен выдерживать высокую температуру и большие нагрузки. Можно предполагать, что в будущем такие дорожные покрытия будут успешно конкурировать с асфальтовыми.

Возможность использования серосодержащих материалов еще в одном направлении связано с довольно низкой теплопроводностью серы. Так, блоки из пеносеры, обладающие хорошо развитой ячеистой прочностью и небольшой плотностью (480-960 кг/м3), могут с успехом использовать как теплоизоляционный материал.

Перспективным считается также производство алюминия путем электролиза Al2S3 в расплаве NaCl /26/. Этот процесс требует значительно меньших энергетических затрат по сравнению с процессом электролиза Al2О3.

В меньших масштабах сера может применяться для самых различных целей. Например, в литературе описано применение серы в качестве аккумулятора тепла, выделяющегося при окислении SO2 в SO3. Количество серы, применяемой в нетрадиционных областях, пока еще невелико, но предполагается его увеличение, что обуславливается развитием научно-технического прогресса.

Расширение новых сфер применения серы может значительно увеличить предполагаемое ее потребление особенно в случаях, если конъюнктура мирового рынка серы будет благоприятной.

4.2 Механизм превращения сероводорода в элементарную серу

Получение элементарной (товарной) серы из кислых газов основано на окислении сероводорода. Наиболее общепринятым считается двухстадийное окисление сероводорода в серу. В первой стадии кислый газ смешивается с воздухом, при этом часть сероводорода окисляется в SO2 по реакции

Н2S + 1,5О2 ⇄ Н2О + SO2 + Q                                                      (4.1)

Во второй стадии SO2 окисляются до элементарной серы.

2Н2S + SО2 ⇄ 2Н2О + 3/n Sn + Q                                                 (4.2)

где n – число атомов в молекуле, n = 2-8

Q – теплота реакции.

Одновременно в процессе протекает также реакций прямого окисления Н2S в серу.

Н2S + 0,5О2 → Н2О + S + Q                                                          (4.3)

Описанные в технической литературе данные реакции именуются реакциями Клауса, по имени ученого, предложившего их механизм /16/.

Основная часть тепла, получаемая по реакции Клауса на промышленных установках, рекуперируются, за счет чего производится водяной пар. Наряду с реакциями (4.1) – (4.3) при взаимодействии Н2S с кислородом и природным газом, протекают также следующие реакции:

СО2 + Н2S → COS + Н2О                                                              (4.4)

СН4 + 2S2 → CS2 + 2Н2                                                                 (4.5)

СО2 + Н2S ⇄ CO + Н2О + СОS                                                      (4.6)

СО + Н2О ⇄ Н2О + СО2                                                                 (4.7)

Установки получения серы, основанные на реализации реакции (4.1) – (4.3), в технической литературе принято называть установками Клауса. В общем случае установка Клауса включает в себя термическую и каталитическую ступени.

В термической ступени сероводород сгорает в присутствии воздуха. При этом преимущественно образуются элементная сера и диоксид серы. Температура горения прежде всего зависит от концентрации Н2S в кислом газе и составляет 900-1200оС. Эта температура зависит также от соотношения "воздух: кислый газ", которое, как правило, поддерживается на уровне 1,7-1,9. Степень конверсии Н2S в элементную серу в термической ступени должна быть как выше, то есть ближе к термодинамическому уровню.

При пониженных значениях степени конверсии на термической ступени, при сохранении общего значения этого параметра в целом по установке увеличивается нагрузка на каталитические ступени.

Одним из основных факторов, оказывающих влияние на эффективность работы термической ступени, является продолжительность пребывания в ней газа τs. Зависимость между τs и степенью конверсии Н2S в S для реактора-генератора подробно изучена П.А.Теснер и др. /16, 29/.

Степень конверсии Н2S в серу зависит также от температуры в реакторе: чем выше температура, тем выше степень конверсии Н2S. Это хорошо видно из графической зависимости, представленной на рисунке 12, полученной на установке Калуса Мубаренского ГПЗ /16/. Практическая степень превращения Н2S в серу в реакторе составляет не более 60-65%.

Дальнейшая конверсия Н2S в серу происходит в каталитических ступенях установки Клауса – в конверторах.

Основным параметром, влияющим на степень конверсии Н2S, является соотношение расходов воздуха и кислого газа на выходе из реакционной печи, оно должно обеспечивать объемное соотношение Н2S : SO2 на входе газа в конвертор, равное 2 : 1. Любое отклонение от данного соотношения влечет за собой снижение выхода элементарной серы.

1 – теоретическая; 2 по данным обследования.

Рисунок 12. Зависимость конверсии Н2S в реакторе-печи от температуры

Рисунок 13. Зависимость степени конверсии Н2S от температуры в конверторе

На процесс превращения Н2S в элементарную серу заметное влияние оказывают и такие факторы, как длительность поддержания высокой температуры продуктов сгорания, температура газа на входе в каталитическую ступень, объемная скорость газа конверторе и т.д. В конверторах наблюдается обратная зависимость между выходом серы и средней температуры процесса. Характер этой зависимости представлен на рисунке 16, минимальное значение температуры устанавливают таким образом, чтобы исключить конденсацию паров серы на поверхности катализатора. Катализаторы используют на практике для интенсификации процесса конверсии. В качестве катализаторов широкое применение получили бокситы.

Природные бокситы в основном состоят из гидроксидов алюминия и оксидов железа. Они содержат также кремнезем (SiO2), оксиды титана (TiO2), кальция (СаО), магния (MgO), марганца (MnO), фосфора (Р2О5) и другие соединения.

Широкое использование бокситов в качестве катализаторов было обусловлено в первую очередь их дешевизной. Однако из-за таких недостатков, как непостоянство состава, недостаточно развитая поверхность и устойчивость против дезактивации на установках Клауса, со временем бокситы были заменены другими катализаторами, например, активированным оксидом алюминия. Этот катализатор имеет большое число макропор, что обеспечивает его повышенную реакционную способность. Катализаторы иногда содержат также ряд других соединений, специально добавляемых для повышения активности. Основные показатели катализаторов, применяемых зарубежными фирмами, приведены в таблице 13.

Таблица 13

Характеристика катализаторов зарубежных стран

Активность катализаторов снижается в результате изменения их структуры, отложения на их поверхностях различных примесей, сульфатирования оксида алюминия и т.д. Поэтому периодически (1 раз в 3-4 года) производится полная замена катализатора.

4.3 Технологическая схема переработки концентрированных кислых газов

Концентрированные кислые газы с установок регенерации метанола линии очистки природного газа по трубопроводам подаются на сепарацию, где выделяется капельная влага и тяжелые углеводороды. Далее газ поступает на окисление, где окисляется 1/3 газа при взаимодействии с кислородом воздуха. Воздух подается в соотношении, позволяющем сжечь только 1/3 часть газа, обеспечивая более полное использование кислорода. На стадии окисления происходит окисление сероводорода до двуокиси серы и элементной серы. Наравне с этим происходит взаимодействие уже образовавшихся двуокиси серы с сероводородом до образования элементной серы. Конверсия сероводорода до элементной серы на этой стадии составляет 60%. Далее испарившиеся пары серы поступают на конденсацию. Остальная, не прореагировавшая часть газа поступает на первую ступень взаимодействия на катализаторе. На этой стадии происходит дальнейшее взаимодействие Н2S и SO2 с образованием серы, а также гидролиз COS и CS2 образовавшихся на стадии окисления в присутствии углеводородов и диоксида углерода. Газы после взаимодействия на катализаторе направляются на вторую ступень конденсации. На первой ступени каталитического взаимодействия газов конверсия сероводорода повышается до 86%. После конденсации кислые газы подаются на вторую ступень реакции на катализаторе. Конверсия сероводорода в серу здесь составляет 98,7%. Далее газ, пройдя конденсацию, поступает на доочистку. Доочистка производится путем взаимодействия Н2S и SO2 на катализаторе ниже точки росы серы. Степень конверсии сероводорода в серу увеличивается до 99,4%. Далее остаточные хвостовые газы поступают на доокисление. Остаточные Н2S; CS2 и COS, содержащиеся в хвостовом газе, окисляются до SO2 и через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу. На рис. 14 приведена технологическая схема переработки концентрированных кислых газов.

Капельная сера со всех стадий конденсации в жидком состоянии сливается в приемную емкость и после дегазации насосом подается на грануляцию.

Выбрасываемые в атмосферу хвостовые газы в своем составе содержат 69% NO2; 0,6% SO2; 15,6 СO2 и 14,8% Н2О пар.

4.4 Получение серы из сероводорода кислых газов прямым Клаус-процессом

Клаус – процесс, основанный на подаче всего потока кислого газа в реакционную печь вместе со стехиометрическим количеством воздуха, необходимого для сжигания одной трети сероводорода в диоксид серы, превращении две трети сероводорода в реакционной печи и каталитических реакторах в серу, получил название модифицированного процесса Клауса с прямым потоком, или полнопроходной установки получения серы методом Клауса.

Кислые газы, в соответствии с рисунком 15, пройдя сепаратор (1), где отделяется на сепарационных элементах капельная влага, насыщенная сероводородом и содержащая следы растворителя со стадии десорбции процесса извлечения Н2S из сырьевого газа, поступают на сжигание в горелку или несколько горелок реакционной печи – реактор-генератор (3) со встроенным котлом-утилизатором (4).

Реакционная камера представляет собой стальное, цилиндрическое сооружение, наружным диаметром около 4000-4500 мм, длиной 6,5-7,5 м. Она имеет два устройства: для сжигания кислого газа и для сжигания топливного газа. Горелка конструктивно выполнена как цилиндр, приваренный касательно к цилиндру реакционной печи, то есть в реакционную печь смесь воздуха и кислого газа и продукты сгорания вводятся тангенциально.

Работа термической ступени, как и всей установки производства серы методом Клауса, в значительной мере определяются конструкцией горелки и временем пребывания газов в реакционной печи, которое должно быть в пределах 0,5-2 с. При более быстром прохождении газа через реакционную печь снижается общий выход, получаемый на установке серы, и возникают трудности, связанные с эксплуатацией установки.

Спецификация: Сепаратор (1); воздуходувка (2); печь реакционная (1); котел-утилизатор (1); конденсатор-коагулятор (I, I) (2); печь подогрева (2); реактор каталитический (I, II) (2); конденсатор-экономайзер (1); коагулятор (1); печь дожига (1); установка доочистки (1); гидразатвор (4); резервуар жидкой серы (1); насос откачки (1); эжектор отсоса паров (1); трубопроводы и потоки Т1 – воздух; Т2 – газы кислые; Т4 – пар водяной; Т5 – вода питательная; Т6 – сера жидкая; I воздух; II – газ кислый; III вода кислая; IV – пар водяной; V вода питательная; VI – сера жидкая.

Рисунок 15. Аппаратурная схема переработки концентрированных кислых газов

Котел-утилизатор (4) состоит из конвективного трубного пучка и барабана котла, корпуса которых соединены друг с другом шестью трубами (114 мм) для перетока воды из барабана в корпус пучка и двенадцатью трубами (114 мм) для отвода пароводной смеси из корпуса пучка в барабан. В корпусе пучка для осмотра поверхности трубок и контроля за отложениями на нагревательной поверхности имеются: один люк диаметром 450 мм и 5 лючков диаметром 150 мм.

К горелкам реакционной печи воздуходувкой (2) подается атмосферный воздух в соотношении, позволяющем сжечь одну треть поступившего кислого газа до SO2. При этом стараются обеспечить полное использование кислорода в реакционной печи.

Температура в реакционной печи зависит от концентрации Н2S в кислом газе и от соотношения подаваемого воздуха к кислому газу и для полнопроходных установок составляет, как правило, 1200-1600 К.

Давление в реакционной печи устанавливается в зависимости от сопротивления трубопроводов, слоев катализатора, установки доочистки остаточных хвостовых газов и, как правило, принимается ниже 0,07 МПа с тем, чтобы на тракт газов не распространялись "Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением".

Другим фактором ограничения давления в реакционной печи является применение для слива жидкой серы в открытые емкости так называемых гидрозатворов, не позволяющих газам выходить в атмосферу при свободном сливе жидкой серы из аппаратов.

С другой стороны, давление в тракте газов должно быть максимальным, так как снижение давления требует увеличения размеров оборудования и диаметров трубопроводов. Давление в печи реакции зависит также от уровня давления в системах регенерации растворителей, предшествующего извлечению кислых газов. Как правило, давление в реакционной печи составляет 0,04-0,069 МПа и постепенно увеличивается в процессе эксплуатации установки в зависимости от содержания углеводородов, аммиака или цианидов в кислом газе.

Газы после котла-утилизатора (4), в котором генерируется пар высокого или среднего давления с температурой около 650 К, поступают в конденсатор-коагулятор (конденсатор-генератор) (5.1). В нем происходит конденсация серы за счет охлаждения реакционного газа до 450-460 К кипящей в межтрубном пространстве конденсатора, водой. Тепло конденсации парообразной серы используют для получения пара низкого давления (0,4-0,6 МПа). Расширенная часть конденсатора является коагулятором капельной серы. Коагулятор работает при низких скоростях газов, проходящих сквозь насадку, состоящую из пакетов сеток, сера коагулируется и стекает в нижнюю часть сосуда, откуда выводится в гидрораствор.

Конденсаторы-коагуляторы обычно представляют собой кожухотрубные многоходовые теплообменники (до четырех ходов в одном корпусе).

Тепловая нагрузка и давление пара в конденсаторе серы значительно ниже по сравнению с головными котлами-утилизаторами. Это позволяет значительно снизить требования к конструкции трубных решеток и трубным соединениям. Обычно трубные соединения конденсаторов вальцуют, герметично обваривают и затем вновь вальцуют. Никаких защитных покрытий не применяют /29/.

Проектное значение удельного массового расхода изменяется от 14 до 39 кгс/м2 /28, 38/. При снижении мощности установок необходимо поддерживать массовую скорость газового потока на уровне, достаточном для предотвращения появления серного тумана. В противном случае жидкая сера не может быть полностью отделена от технологического газа в конденсаторе.

Конденсаторы серы оборудуются совмещенными коагуляторами, представляющими собой пакет (100-250 мм толщиной) сеток с ячейками от 0,25 до 4 мм, установленный в выходной камере горизонтально или наклонно. Для обеспечения полного стока скоагулировавшейся серы после внезапной остановки процесса вдоль пакета располагают паровой змеевик.

Газы поступают далее в промежуточную печь (6), в которой за счет полного сжигания до SO2 части Н2S кислого газа, температура повышается до 500-520 К, и направляется на катализатор в первый каталитический реактор (7, I). Ввод газов в реактор осуществляется сверху двумя-тремя трубопроводами, обеспечивающими равномерное распределение потока в слое катализатора. Здесь протекает взаимодействие и окисление Н2S и SO2 с образованием серы, а также гидролиз COS и CS2, образовавшихся в реакционной печи (3) при сжигании исходного кислого газа в присутствии углеводородов и диоксида углерода. Реакция между Н2S и SO2 является изотермической, в результате чего температура газа на выходе из первого каталитического реактора повышается до 600-640 К.

Печь подогрева технологического газа устанавливают перед каталитическими реакторами для повышения температуры газов до оптимальной.

Корпус печи (6) изготовляют из стали типа Ст. 20 (или Ст. 3 сп 4). Обечайку горелки изготавливают из жаропрочной хромистой стали, дополнительно легированной кремнием для повышения стойкости к среде, содержащей Н2S. Горелка изнутри зафутерована огнеупорным бетоном толщиной 75 мм.

Важнейшим фактором стабильной работы печи подогрева является расположение ввода в нее технологического газа, который должен быть как можно близко к фланцу крепления горелки, в противном случае обечайка перегревается, корпус печи темлоизолируется.

Каталитические реакторы установок получения серы методом Клауса представляют собой вертикальные или горизонтальные полые сепараторы. Их число и объем зависят от мощности установки по кислому газу, качества применяемого катализатора и требуемой заданием на проектирование степени извлечения серы. Каталитический реактор на 90% заполняет катализатором типа γ-Al2O3 на основе активированного оксида алюминия – очень гигроскопичен, и катализатором марки CRS-31 активен и стоек к сульфатированию.

В большинстве каталитических реакторов процесс построен таким образом, что через каждый кубический метр объема катализатора проходит 57-104 моль сырьевого кислого газа в час /38/. Обычно ниже слоя катализатора для предотвращения утечек укладывают слой шаров из оксида алюминия диаметром 75-150 мм, плотностью около 800 кг/м3. На него укладывают слой (20-60 мм) шаров меньшего диаметра плотностью 1300-1600 кг/м3 /38/. Аналогичные слои насыпают на поверхность катализатора для равномерного распределения газа по слою. Как правило, используют керамические шары. Материал опорных решеток и сетки, на которых располагается катализатор, выбирают с учетом максимальной температуры и среды.

Газы из первого реактора направляются во второй конденсатор-коагулятор (5, II), где так же, как и в первом, за счет тепла конденсации парообразной серы и охлаждения до 440-460 К, кипящей водой генерируется пар низкого давления и коагулируются капельки серы, стекающей в нижнюю часть аппарата и затем поступающей в гидрозатвор. Далее газы вновь нагреваются до 490-510 К за счет смешения с продуктами сгорания топливного или кислого газа и идут во второй реактор (7, II), заполненный катализатором. За счет выделения тепла при катализаторе газы на выходе из реактора имеют температуру 520-530 К, при которой поступают в конденсатор-экономайзер (8), служащий в качестве концевого холодильника (температура на выходе 400-410 К). В межтрубном пространстве конденсатора-экономайзера нагревается питательная вода котлов-утилизаторов (5).

Конденсатор-экономайзер представляет собой горизонтальный, газотрубный, с принудительной циркуляцией аппарат, предназначен для нагрева питательной воды котлов-утилизаторов. Он состоит из входной и выходной газовых камер и газотрубного барабана.

Далее газ после сероуловителя (9) поступает в печь дожига (10), где содержащийся в газе Н2S, CS2 и СОS и пары серы при температуре 820-1000 К сжигаются до SO2 и через дымовую трубу (факел) выбрасываются в атмосферу. Если установка получения серы оборудована установкой доочистки отходящих газов, то она расположена между сероуловителем (9) и печью дожига (10).

Сера из гидрорастворов (13) в жидком состоянии сливается в приемный резервуар (14) из бетонной конструкции под землей, откуда насосом (15) откачивается периодически в емкости дегазации жидкой серы. Выделяющиеся из серы газы (Н2S, SO2 и др.) отсасываются паровым эжектороми затем поступают в печь дожига.

Жидкая сера после дегазации подается на установку формования товарной серы.

Основные показатели газовой серы должны отвечать требования ГОСТ 126-76.

Следует отметить, что сера, производимая на соседнем Оренбургском ГПЗ, по своим показателям превосходит требования ГОСТ (Таблица 14). Механические примеси и мышьяк в составе полностью отсутствуют.

Таблица 14

Техническая характеристика газовой серы Оренбургского ГПЗ

Все оборудование и аппараты данной установки Клауса должны быть выполнены в соответствии с требованиями ГОСТ 12.2.003-91 "Оборудование производственное" и ГОСТ 24444-87 "Оборудование технологическое".

4.5 Реактор доочистки отходящих газов

При низком содержании Н2S и SO2 эффективность реакции Клауса на катализаторе снижается из-за присутствия паров серы, поэтому при доочистке хвостовых газов широко применяется катализ ниже точки росы серы (процесс сульфрен – адсорбция в холодном слое). Процесс сухой очистки отходящих газов осуществляется в тех же условиях, что и процесс Клауса. Реактор Клауса, работающий при температуре 400 К (ниже точки росы серы), добавляют к обычной двухступенчатой установке Клауса. При низкой температуре равновесие реакции сдвигается в сторону получения серы. Она протекает в паровой фазе в присутствии катализатора.

В отличие от обычного реактора Клауса, в котором образующаяся при реакции сера остается в паровой фазе, выделяющаяся в реакторе сера не удерживается в парах из-за низкой температуры и адсорбируется на катализаторе – Al2O3. Преимуществом низкотемпературного реактора является то, что в нем не только сдвигается равновесие реакции Клауса в сторону образования серы, но и образовавшаяся сера удаляется из реакционного пространства, что позволяет большему количестве Н2S и SO2 вступить в реакцию.

В газовом потоке, выходящем из реактора, содержится настолько малое количество серы, что отпадает необходимость в установке конденсатора серы после реактора. Газ, выходящий из реактора, направляется непосредственно на обработку в печь дожига горючих примесей. Дополнительный перепад давления в технологических линиях установки Клауса с реактором доочистки и соответствующими трубопроводами не превышает 0,0105 МПа.

После определенного периода работы отключают реактор с дезактивированными катализатором и включают реактор с охлажденным и регенерированным катализатором. В этом отношении данный процесс являются полунепрерывным; в то время как один реактор работает в режиме адсорбции, другой проходит стадию регенерацию и охлаждения.

Регенерация катализатора, на котором отложилась сера проводится путем его нагревания и испарения адсорбированной серы с помощью газа, отбираемого с установки Клауса.

4.6 Дегазация жидкой серы

Сера с установки Клауса и установки доочистки отходящих газов накапливается в большом подземном амбаре. В процессе дегазации для увеличения контакта газ-жидкость и для улучшения разложения полисульфидов жидкая сера перемешивается. Эффективность процесса может быть увеличена путем непосредственного добавления в жидкость аммиака. Добавление небольших количеств аммиака значительно увеличивает декомпозицию Н2Sх в Н2S.

Для удаления получающегося Н2S через разбрызгиваемую серу пропускается промывочный газ (воздух и хвостовой газ с установки Клауса). Промывочный газ удаляется через систему вывода газов из емкости и сжигания в печи. Если в качестве промывочного газа используется хвостовой газ с установки Клауса, то и удаляемые с Н2S могут быть возвращены на вход установки хвостового газа.

4.7 Основные требования к трубопроводам и арматуре жидкой серы установок получения серы из Н2S

Поскольку установки получения серы методом Клауса генерируют очень большое количество тепла, а сера относится к веществам, застывающим при довольно высокой температуре, к трубопроводам и арматуре, применяемым на таких установках, предъявляются ряд особых требований.

В трубопроводной системе (диаметры от 50 до 1600 мм) процесса Клауса вызывают серьезное беспокойство линия слива расплавленной серы и линии технологических газов, составляющие до 90% всех трубопроводов установки. Так как при температуре 341 К сера застывает, необходимо обеспечить соответствующий подогрев линий слива расплавленной серы. Для снижения теплопотерь они должны быть, кроме того, тщательно изолированы. Трубопроводы серы, включающие как горизонтальные, так и вертикальные участки, оборудуются приспособлениями для их очистки в случае забивки труб. Любая забивка сливных труб твердой серой или катализатором при утечке его из каталитического реактора приводит к немедленной остановке процесс. В связи с этим требуется тщательное наблюдение за отсутствие частичек катализатора в сере, периодическая очистка фильтров на потоке серы перед гидрозатворами, а также постоянное обеспечение установок паром необходимых параметров.

Все трубопроводы для серы снабжаются рубашками для обогрева водяным паром или горячим маслом /38/. Система проектируется таким образом, чтобы температура расплавленной серы была не ниже 410 К. Ввиду опасности перегрева серы не рекомендуется использовать перегретый пар. При температурах 435 К происходит резкое увеличение вязкости серы с потерей текучести, исключающее свободное ее вытекание из конденсаторов в приемный резервуар.

На линиях транспортировки жидкой серы устанавливают специальную парообогревательную аппаратуру. Поскольку диаметры трубопроводов жидкой серы невелики, обеспечение этой арматурой не вызывает затруднений. Однако она требует такого же тщательного обогрева. Временные недлительные понижения давления, а следовательно, и температуры пара не является катастрофическими, однако при недостаточной изоляции возможно прекращение проходимости потока с немедленной остановкой процесса.

Для проверки достаточности температуры и давления пара проводят куском твердой серы по оголенному участку рубашки трубопровода. В случае немедленного расплавления частичек серы, параметры пара удовлетворяют норме.

5. РАСЧЕТ ОБЪЕМОВ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ

Загрязнение окружающей природной среды промышленными выбросами приводит к отрицательному воздействию на социальные системы и объекты (реципиенты).

К основным видам реципиентов относят население, объекты жилищно-коммунального хозяйства, сельскохозяйственные угодья, лесные ресурсы, основные фонды промышленности и транспорта, рыбные ресурсы, рекреационные ресурсы природы.

Вследствие воздействия выбросов на перечисленные выше системы происходит рост заболеваемости и смертности людей, повышенный износ основных производственных фондов промышленности и жилищно-коммунального хозяйства городов, снижение продуктивности сельскохозяйственных угодий, лесных массивов, водных бассейнов.

В задачу данного раздела входит определение объемов выбросов вредных веществ в атмосферу до внедрения технологии утилизации высококонцентрированных кислых газов, полученных при очистке природного газа КНГКМ, т.е. при сжигании этих газов на факеле и после внедрения данной технологии, при котором утилизируются токсичный сероводород и сероорганические соединения с получением товарной серы.

5.1 Расчет выбросов вредных газообразных примесей в атмосферу

Данные для расчета:

Объем концентрированных кислых газов после установки очистки природного газа V2 = 4,12 м3/с (58% Н2S; 40,5% СО2; 1% СН4 и 0,5% Н2О).

Объем воздуха, необходимый для сжигания (окисления Н2S до SO2) кислых газов Vв = 17,07 м3/с.

Объем газов после установки переработки концентрированных кислых газов V = 15,805 м3/с (SO2 – 0,6%; 15,6% СО2; 69% NOх).

Газы сжигаются на факеле низкого давления, hф = 40 м.

5.1.1 Расчет выбросов диоксида серы

Расчет выбросов диоксида серы при сжигании на факеле низкого давления до установки переработки кислых газов рассчитывается по формуле:

                               (5.1)

где В* – расход газа, м3/с; (Н2S), (S)* – концентрация сероводорода и сероорганических соединений в газе (в г/м3) и равны соответственно 2,84 и 0,05; V – коэффициент полноты сгорания газа, принят равным 0,9984.

Поставив значения, получим:

Расчет выбросов диоксида серы после установки переработки кислых газов:

5.1.2 Расчет выбросов диоксида углерода

Расчет выбросов диоксида углерода до установки переработки газа для факела рассчитывают по формуле:

                                                                     (5.2)

где – экспериментально установленный коэффициент, принят равным 0,02 /3/; Вг – расход газа, кг/час

Вг = В* · ρ · 3600                                                                                     (5.3)

где ρ – плотность концентрированного кислого газа, равна 0,756

Расход газа до установки переработки кислого газа:

Вг(II) = 21,19 · 0,756 · 3600 = 57670,7 кг/час

= 0,02 · 57670,7 = 1153,4 кг/час = 320,39 г/с

Расчет выбросов диоксида углерода после установки переработки газа:

Вг(II) = 15,805 · 0,419 · 3600 = 23840, кг/час

= 0,02 · 23840,3 = 476,8 кг/час = 132,45 г/с

5.1.3 Расчет выбросов диоксида азота

Расчет выбросов диоксида азота при сжигании газов на факеле низкого давления рассчитывают по формуле:

ПNO = KNO* · Вг*, кг/ч                                                                    (5.4)

где KNO - экспериментально установленный коэффициент, принят равным 0,003 /3/; Вг расход газа, кг/час.

Подставив значения, для кислого газа, полученного после очистки природного газа, получим:

ПNO(I) = 0,003 · 57670,7 = 173,01 кг/час = 48,06 г/с

Для кислого газа, прошедшего переработку на установке переработки газа:

ПNO(II) = 0,003 · 23840,3 = 71,5 кг/час = 19,87 г/с

5.1.4 Расчет выбросов сажи

Количество выброса сажи на факеле при сжигании кислых газов определяется по формуле:

Псажа = К*сажа · В*г, кг/час                                                               (5.5)

где – К*сажа экспериментально установленный коэффициент, равен 0,03 /3/; В*г – расход газа, сжигаемого без переработки на установке:

Псажа (I) = 0,03 · 57670,7 = 1730,1 кг/час = 480,5 г/сек

Для кислого газа, сжигаемого после переработки на установке:

Псажа (II) = 0,03 · 23840,3 = 715,21 кг/час = 198,67 г/сек

5.2 Расчет ущерба от загрязнения атмосферы

Расчет ущерба от сжигания кислых газов на факеле зависит от массы и характера выбросов по каждому ингредиенту, от степени организованности источника – загрязнителя, расположения загрязненной зоны и т.д.

У = М* · f* · G* · P* · Kр*                                                              (5.6)

где У – ущерб от выброса загрязнений, образующихся при сжигании кислых газов, тенге; М – приведенный выброс загрязнений из источника-загрязнителя, усл.т.

Величина М* рассчитывается по следующей формуле:

                                                                                  (5.7)

где mi – масса годового выброса i-го вида примеси, т; N – общее число выбрасываемых примесей; I индекс номер выбрасываемой примеси загрязнителя; кi коэффициент привидения, учитывающий относительную опасность i-го загрязняющего вида примесей, определяется по формуле:

                                                                                               (5.8)

f* – безразмерная константа, значение которой зависит от высоты (h) каждого источника-загрязнителя и определяется по формуле:

                                                                       (5.9)

где h – высота устья источника по отношению к среднему уровню ЗАЗ (зона активного загрязнения), м; ψ – поправка на тепловой подъем факела выброса в атмосфере, вычисляемая по формуле:

                                                                                   (5.10)

где  - среднегодовое значение разности температур, оС в устье источника (трубы) и в окружающей атмосфере на уровне устья; U – среднегодовое значение модуля скорости ветра на уровне флюгера (м/с), в тех случаях, когда U неизвестно, оно принимается равным 3 м/с.

Значение f1 при U = 3 м/с для некоторых  и h приведены в таблице 2 /44/, и принят равным 2,64.

При значении U = 3 м/с значение f1, приведенное в таблице 2, следует умножить на поправку

Подставив значения, получим

В формуле (5.6), где σ – показатель относительной опасности загрязнения атмосферы над загрязняемой территорией, принят равным 0,8 по таблице 2 /42/; Р – региональный норматив платы за выбросы загрязняющих веществ, тенге/усл.т, принят равным 219; Кр коэффициент кратности взимания платежей по таблице 3 /45/, принят равным 10.

Подставив значения ПДК веществ, определим значение Кi

Определим значение М* до переработки концентрированных кислых газов:

Находим М* после установки переработки концентрированных кислых газов

Характер распространения примесей в природной среде от источника (В) зависит от относительной опасности загрязнения территории, высота выброса загрязняющих веществ и определяется из выражения:

В = 10-2 · f* · G*                                                                             (5.11)

Подставив, получим:

В = 0,01 · 1,452 · 0,8 = 0,012

С учетом последней формулы экономический ущерб можно рассчитать по формуле:

У = 0,14М* · В* · Р* · Кр                                                      (5.12)

Для кислых газов, сжигаемых на факеле, подставив значения, определим количество ущерба:

а) для газов до установки переработки кислых газов:

У(I) = 0,14 · 147148,4 · 0,012 · 219 · 10 = 541388,39 тг

б) для газов после установки переработки кислых газов:

У(II) = 0,14 · 55128,85 · 0,012 · 219 · 10 = 202830,06 тг

Экономический эффект от утилизации концентрированных кислых газов составит 338558,33 тенге.

Таблица 15

Характеристика объемов выбросов вредных веществ

Расчет экономического эффекта от внедрения технологии переработки концентрированных кислых газов велся только по четырем ингредиентам, без учета капиталовложений на строительство и затрат на эксплуатацию. В сумме экономического эффекта не показана чистая прибыль от реализации товарной серы, полученной при утилизации концентрированных газов.