способ предотвращения пенообразования в щелочных абсорбционных растворах

Формула изобретения

1. Способ предотвращения пенообразования в щелочных абсорбционных растворах процессов очистки газа от кислых компонентов (CO₂, H₂S и др), включающий введение химического реагента в абсорбент, отличающийся тем, что в качестве химического реагента используют полиэтилсилоксановую жидкость (ПЭС-5) с содержанием кремния 26-28 мас.% и этоксильных групп 0,1-0,25 мас.%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ПЭС-5 вводят в количестве 0,33-0,66 г/дм³ при температуре щелочного раствора 20^oС или 0,06-0,1 г/дм³ при температуре щелочного раствора 120^oС.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ПЭС-5 вводят при величине pH абсорбционного щелочного раствора 9-11.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической технологии, связанной с пенообразованием в щелочных абсорбционных растворах процессов очистки газа от кислых компонентов (CO₂, H₂S и др.), например, в производстве аммиака, при очистке конвертированного газа от диоксида углерода (CO₂) горячим (до 120^oC и выше) карбонатным раствором (pH 9-11) и может быть использовано в химической, нефтехимической, газовой и других смежных областях промышленности.

Причиной пенообразования может быть наличие смолистых продуктов термической деструкции органических веществ (этаноламинов и др.), входящих в состав абсорбционных растворов и примесей, поступающих в систему очистки вместе с газом (сажа, накипь, продукты коррозии, твердые частицы распада катализатора и футеровки технологического оборудования, компрессорное масло и т.п.).

Источниками увеличения содержания механических примесей является и сырье, входящее в состав раствора (поташ, пятиокись ванадия), и конденсат или техническая вода, используемая для подпитки системы очистки газа. Несвоевременный вывод механических примесей из раствора приводит к его вспениванию и механическому уносу с пузырьками очищенного газа, что снижает производительность оборудования и активность абсорбционного раствора, а также ведет к потере дорогостоящих реагентов. Более того, может привести к аварийной ситуации при неуправляемом возрастании перепада давления в абсорберах, вызванного массовым вспениванием раствора.

Устранить пенообразование можно полным извлечением пенообразующих веществ (что практически невозможно) или применением антипенных добавок в виде композиций или одного реагента.

Известен способ гашения пены с использованием в качестве пеногасителя смеси моноалкиловых эфиров полиэтиленгликоля на основе первичных жирных спиртов (C₁₀-C₁₈) или моноалкилфеноловых эфиров полиэтиленгликоля на основе полимердистиллята (алкил C₁₀-C₁₈) со степенью оксиэтилирования 3-12 (ПАВ), пространственно-затрудненного фенола и блок-сополимера окисей пропилена и этилена на основе глицерина с мол. м. 1000 - 8000 [1].

Недостатком известного способа является сложность состава пеногасителя, узкая область применения, низкая эффективность в щелочной среде при высоких температурах и образование смолистых продуктов термической деструкции органических веществ, входящих в состав пеногасителя, загрязняющих абсорбционный раствор и способствующих его вспениванию.

Известна пеногасящая композиция, включающая полиметилсилоксановую жидкость (35-50 мас.%) и поверхностно-активные вещества - полиэтиленгликолевые производные жирных спиртов фракции C₁₀-C₁₈ или амидов синтетических жирных кислот фракции C₁₀-C₂₀ со степенью оксиэтилирования 5-20 и полиэтиленгликолевые производные карбоновых или оксикарбоновых кислот фракции C₁₆-C₁₈ со степенью оксиэтилирования 5-9 [2].

Недостатком такой композиции является сложность состава, использование дорогостоящих компонентов органического происхождения, низкая эффективность из-за отсутствия устойчивости в горячих щелочных средах.

Известна пеногасящая композиция, содержащая, мас.%: полиметилсилоксан - 48, поливиниловый спирт - 2, аэросил - 2, вода - остальное [3].

Эта композиция устойчива лишь при температуре до 45^oC и применяется в водных средах. Ее использование для гашения пены в щелочной среде и при высоких температурах (до 120^oC и выше) нецелесообразно.

Известен способ гашения пены путем обработки раствора полиметилсилоксаном (ПМС-200А) в виде водной эмульсии (0,01-0,3%) или 1%-ным раствором стеариновой кислоты в керосине [4].

Недостатком известного способа является узкая спецификация и низкая эффективность в щелочной среде, что ведет к ограничению возможности широкого использования способа. Более того, лабораторными опытами установлено, что ПМС-200А в щелочной среде ведет себя как инициатор пенообразования.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является пеногаситель на основе полиметилсилоксана, применяющийся в аминовых процессах очистки газа от кислых компонентов (CO₂, H₂S, CS₂, COS и др.) в присутствии антикоррозионных присадок в абсорбционных колоннах [5].

Известный пеногаситель [5] содержит в качестве полиорганосилоксана полиметилсилоксан (ПМС), дополнительно содержит цеолит марки CaA, соляную кислоту, сульфанол, моноэтаноламин и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%

Полиметилсилоксан - 27,1-37,0

Цеолит CaA - 4,28-3,80

Соляная кислота - 8,57-7,80

Сульфанол - 0,59-0,40

Моноэтаноламин - 3,71-3,0

Вода - Остальное.

Однако и этот пеногаситель сложен в приготовлении, использует в своем составе дорогостоящие реагенты (сульфанол), не исключает травматизма и коррозии технологического оборудования при приготовлении состава, содержащего соляную кислоту, и его использовании в качестве пеногасителя. При использовании цеолита CaA происходит абразивный износ вращающихся частей с возможными аварийными ситуациями в процессе эксплуатации оборудования.

Цель изобретения - удешевление процесса гашения пены в горячих щелочных абсорбционных растворах, при одновременном увеличении пеногасящей способности и стабильности действия простого по составу пеногасителя в течение длительного времени.

Цель достигают путем разработки надежного и эффективного способа пеногашения, используя в качестве пеногасителя в щелочном абсорбционном растворе полиэтилсилоксановую жидкость марки ПЭС-5 в количестве 0,33-0,66 г/дм³ при температуре 20^oC и 0,06-0,1 г/дм³ при температуре 120^oC и выше. При этом величина pH щелочного абсорбционного раствора равна 9-11.

Жидкость марки ПЭС-5 содержит в своем составе, мас.%: кремния - 26-28, этоксильных групп - 0,1-0,25 [6] и подается в щелочной абсорбционный раствор на любой стадии его использования без предварительной подготовки (смешение, разбавление, нагревание и т.п.).

На чертеже представлена схема установки для вспенивания, где 1 - пенный аппарат, 2 - реометр, 3 - тройник, 4 - краны, 5 - резиновая трубка.

Эффективность пеногашения проверена на лабораторной установке (чертеж) путем определения коэффициента вспенивания испытываемого щелочного раствора до и после введения пеногасителя во вспененный раствор при скорости подачи азота 1 дм³/мин в пенный аппарат 1, заполненный раствором. Проведена серия лабораторных опытов с использованием щелочного раствора, содержащего, мас.%: K₂CO₃ - 28,3, V₂O₅ - 0,5, диэтаноламин - 3,6, мехпримеси в растворе - 0,03 г/дм³, остальное - вода. pH 10,1-10,3 и коэффициент вспенивания 0,40 - 0,45.

Испытаны пеногасители: полиэтилсилоксановая жидкость марки ПЭС-5; полиметилсилоксановая жидкость марки ПМС-200А

Результаты испытаний ПЭС-5 и ПМС-200А представлены в табл. 1, 2.

Коэффициент вспенивания испытываемого раствора 0,16-0,18 (табл. 1) при температуре 20^oC достигнут путем введения ПЭС-5 в количестве 0,33-0,66 г/дм³.

Введение в раствор ПЭС-5 менее 0,33 г/дм³ не обеспечило полноту гашения пены, а свыше 0,66 г/дм³ не дало дополнительного эффекта.

При аналогичных условиях ПМС-200А (контрольный опыт) работает в режиме пенообразования (табл. 2). Из табл. 2 видно, что дозировка ПМС-200А в испытываемый раствор в количестве 0,20 - 0,99 г/дм³ ведет к стабильному повышению коэффициента вспенивания от 0,40 - 0,43 до 2,40 - 2,70.

Предложенный способ предотвращения пенообразования в щелочных абсорбционных растворах апробирован в промышленных условиях АО "АНХК" в производстве аммиака на стадии очистки конвертированного газа от диоксида углерода (CO₂) щелочным раствором, аналогичным по составу, испытанному в лабораторных условиях.

Пеногаситель ПЭС-5 дозировали в щелочной горячий раствор (t - 120^oC; pH среды 9-11) со скоростью 20 дм³/ч (общее количество введенного реагента составило 40 дм³, что соответствует 0,06 г/дм³).

Ввод ПЭС-5 осуществлен при следующих технологических параметрах по абсорберам (в работе два абсорбера) [7]: расход конвертированного газа по 109000 нм³/ч, на каждый абсорбер (норма - не более 110000 нм³/ч; сопротивление по абсорберам (в среднем) 0,40 - 0,45 кг/см² (норма - не более 0,4 - 0,5 кг/см²); коэффициент вспенивания абсорбционного щелочного раствора 0,12-0,12 (показатель - не нормируется [7]).

При длительном испытании (более пяти месяцев) дополнительный ввод пеногасителя марки ПЭС-5 на стадию очистки не производили. При стабильном технологическом режиме в процессе проведения испытания получены следующие положительные результаты:

- снижение сопротивления по абсорберам до 0,20 - 0,29 кг/см² (приблизительно в 2 раза от исходного 0,40 - 0,45) и его стабилизация в течение всего периода испытаний;

- снижение коэффициента вспенивания щелочного раствора до 0,05-0,07 (приблизительно в 2 раза от исходного 0,12 - 0,13);

- остаточное содержание CO₂ в очищенном газе составило в среднем 0,06 об. % (норма не более 1 об.%[7]) при нагрузках по газу в пределах 90000-109000 нм³/ч на каждый абсорбер;

- содержание железа в рабочем растворе в среднем получено 39,2 мг/дм³ (норма - не более 100 мг/дм³ [7]), что указывает на отсутствие коррозионной активности испытываемого реагента.

Более кратковременные испытания с использованием ПЭС-5 в щелочном растворе показали (табл. 3), что концентрация реагента меньше 0,06 г/дм³ снижает эффект пеногашения (коэффициент вспенивания получен 0,08-0,09), а концентрация больше 0,1 г/дм³ приводит лишь к необоснованному перерасходу пеногасителя, что экономически нецелесообразно (коэффициент вспенивания, при прочих равных условиях остается на уровне 0,06-0,07).

Таким образом, использование ПЭС-5 в щелочных абсорбционных растворах увеличивает пеногасящую способность и длительность действия пеногасителя за счет инертности, высокой химической стойкости в щелочной среде в широком интервале температур - 20 - 150^oC.

ПЭС-5 используют без предварительной подготовки (смешение, разбавление, нагревание и т.п.), он может быть введен на любой стадии очистки (абсорбция, десорбция).

Надежный и эффективный способ предотвращения пенообразования, стабилизирующий процесс очистки газа, позволяет исключить применение дорогостоящих органических веществ, склонных к термической деструкции; использование веществ, вызывающих коррозию оборудования или абразивный износ движущихся частей; снижает образование примесей, загрязняющих абсорбционный раствор, и его склонность к вспениванию и уносу с газом; повышает активность абсорбционного раствора и производительность оборудования.

Главными и основными особенностями полиэтилсилоксановой жидкости марки ПЭС-5 являются малая зависимость вязкости от температуры; низкая температура застывания (ниже -60^oC): повышенная термическая стойкость; стабильность в условиях длительного хранения и в рабочем состоянии при температуре до 150^oС и выше.

Такой реагент нетоксичен и не обладает коррозионной активностью.

Химическая инертность и стойкость ПЭС-5 к окислению обеспечивает ей достаточно долгий срок службы в качестве пеногасителя в щелочных абсорбционных расходах в небольших количествах.

Источники информации

1. А.с. N 1570743, кл. B 01 D 19/04, 1987.

2. А.с. N 1122336, кл. B 01 D 19/04, 1980.

3. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрeшения.- М. : Химия, 1983, с. 200-210.

4. Тихомиров В.К. Пены. - М.: Химия, 1975, с.216-217.

5. А.с. N 611640, кл. B 01 D 19/04, 1978 (прототип).

6. ГОСТ 13004-77. Жидкости полиэтилсилоксановые, М., 1994.

7. Технологический регламент производства аммиака, АО "АНХК", 1989.