Способ регенерации жидкости, абсорбирующей кислый газ, содержащей метилдиэтаноламин и производное пиперазина низших алкилов

 

Способ регенерации жидкости, абсорбирующей кислый газ, отличается тем, что газовая смесь, содержащая кислый газ, контактирует с абсорбирующей жидкостью, содержащей метилдиэтаноламин и производное пиперазина, имеющее одну или две низшие алкильные группы с C₁-C₄ в качестве заместителя в гетероциклическом кольце, для абсорбции кислого газа абсорбирующей жидкостью, и затем абсорбирующую жидкость регенерируют в регенерационной башне, имеющей температуру не ниже 40^oС, путем высвобождения из нее кислого газа. Способ позволяет эффективно регенерировать абсорбирующую кислый газ жидкость, содержащую метилдиэтаноламин и производное пиперазина низших алкилов, даже при относительно низкой температуре 40^oС и можно регенерировать более эффективно при температуре 60^oС или выше. 3 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

Область техники, к которой относится изобретение Данное изобретение относится к способу эффективной регенерации жидкости, абсорбирующей кислый газ, заключающемуся в абсорбции абсорбирующей жидкостью кислого газа и затем высвобождении из нее кислого газа.

Предшествующий уровень техники Известны различные абсорбенты для удаления кислого газа (например, СО₂ или Н₂S) из газовых смесей, включая водный раствор амина, такой как моноэтаноламин или диэтаноламин, и такой водный раствор, в который добавлен другой ускоритель абсорбции кислого газа.

К этим абсорбентам кислого газа относится метилдиэтаноламин, который был раскрыт Ф. Видаурри в 1900 г. на 977-й Конференции кондиционирования газов. Этот метилдиэтаноламин имеет то преимущество, что его водный раствор, абсорбировавший кислый газ, может освободить кислый газ под прерывистым воздействием уменьшенного давления и тем самым позволяет экономить тепловую энергию, используемую для регенерации абсорбирующей жидкости, и при этом он имеет большую способность абсорбции кислого газа, отнесенную на один моль, и не приводит к коррозии оборудования, даже если его использовать с высокой концентрацией. С другой стороны, он имеет недостаток, заключающийся в том, что его скорость поглощения кислого газа является низкой.

В выложенном патенте Японии 198120/94 было установлено, что этот недостаток можно устранить добавлением производных пиперазина низших алкилов, что приводит к значительному повышению скорости поглощения кислого газа. Таким образом, абсорбент кислого газа, содержащий метилдиэтаноламин и производное пиперазина низших алкилов, известен как эффективный абсорбент кислого газа, который позволяет уменьшить размеры абсорбирующей системы и уменьшить количество используемого абсорбента. Поскольку абсорбент кислого газа используется в виде абсорбирующей жидкости, то в последующем он будет называться абсорбирующей жидкостью.

Указанная выше жидкость, абсорбирующая кислый газ, содержащая метилдиэтаноламин и производное пиперазина низших алкилов, может увеличить свою промышленную применимость, если после абсорбции ею кислого газа ее легко можно регенерировать освобождением из нее кислого газа с малым расходом энергии и использовать ее повторно в качестве абсорбирующей жидкости. Однако такой способ не был известен в предшествующем уровне техники.

Сущность изобретения Целью данного изобретения является создание способа, при котором жидкость, абсорбирующая кислый газ, содержащая метилдиэтаноламин и производное пиперазина низших алкилов, абсорбирует кислый газ, после чего регенерируют абсорбирующую кислый газ жидкость путем высвобождения из нее кислого газа при относительно низкой температуре, составляющей не ниже 40^oС, предпочтительно при 40-80^oС.

При этом метилдиэтаноламин, содержащийся в водном растворе в качестве компонента, имеет концентрацию от 20 до 70 мас.%, предпочтительно 40-60 мас. %.

Производное пиперазина имеет одну или две низшие алкильные группы с 1-4 атомами углерода в качестве заместителя или заместителей в гетероциклическом кольце. Из этих производных пиперазина предпочтительными являются метилпиперазины.

Среди других особенно предпочтительными являются 2-метилпиперазин и 2,5-диметилпиперазин. Производное пиперазина низших алкилов содержится в водном растворе в качестве компонента, имеющего концентрацию от 0,5 до 7,5 мас.%, предпочтительно 1,5-4,5 мас.%.

Газы, которые обрабатывают с помощью жидкости, абсорбирующей кислый газ, регенерируемой согласно данному изобретению, включают каменноугольный газ, синтетические газы, коксовый газ, нефтяной газ, природный газ и т.п. Абсорбируемые ими газы включают СО₂, H₂S и т.п.

Как показано ниже, авторы данного изобретения провели испытания, в которых имитированный выхлопной газ, полученный смешиванием азотного газа с СО₂ в соответствующих пропорциях, пропускали через систему высокого давления отделения СО₂ и регенерации, имеющую конструкцию, показанную на фиг.1, так что жидкость, абсорбирующая кислый газ, абсорбировала СО₂ при указанных ниже условиях и затем регенерировала жидкость, абсорбирующую кислый газ, выделением из нее СО₂.

Скорость газового потока: 0,12 м³ N/ч.

Скорость потока абсорбирующей жидкости: 4 л/ч.

Парциальное давление СО₂ в абсорбционной башне: 10 атм.

Парциальное давление СО₂ в регенерационной башне: 1 атм.

Температура регенерационной башни: 40^oС.

Было обнаружено, что, как показано на фиг.7, высокий эффект регенерации, составляющий 60% выделения СО₂, достигается даже при относительно низкой температуре регенерационной башни, равной 40^oС. Более того, очень высокий эффект регенерации достигается при более высоких температурах регенерационной башни, что составляет 95% и более выделения СО₂ при температуре 60^oС и 99% и более выделение СO₂ при температуре 80^oС.

Краткое описание чертежей Фиг. 1 изображает в схематическом виде один вариант выполнения системы отделения и выделения СО₂, использующей абсорбент кислого газа, имеющий высокую регенерирующую способность согласно данному изобретению; фиг. 2 - график изменения давления пара в зависимости от температуры абсорбирующих жидкостей; фиг. 3 - график зависимости между парциальным давлением СО₂ и коэффициентом растворения абсорбирующей жидкости (MDEA+MP) согласно данному изобретению; фиг. 4 - график зависимости между парциальным давлением СО₂ и коэффициентом растворения абсорбирующей жидкости (MDEA+P) в качестве сравнительного примера; фиг. 5 - график зависимости между температурой в регенерационной башне и разностью загрузки СО₂; фиг. 6 - график зависимости между временем абсорбции СО₂ и концентрацией СО₂ в абсорбирующей жидкости;
фиг. 7 - график зависимости между температурой в регенерационной башне и выходом СО₂;
фиг.8 - диаграмма соотношений коэффициентов (К_Gа) полной емкости относительно газов;
фиг. 9 - график изменения теплостойкой концентрации соли в абсорбирующей жидкости в зависимости от времени.

Наиболее предпочтительный вариант выполнения изобретения
На фиг.1 приводится описание варианта выполнения системы отделения и выделения СО₂, в которой жидкость, абсорбирующая кислый газ, абсорбирует кислый газ, после чего абсорбирующую кислый газ жидкость регенерируют в регенерационной башне высвобождением из нее кислого газа согласно данному изобретению.

Как показано на фиг.1, отработавший газообразный продукт сгорания подают в абсорбционную башню 1 через вход 4 для газа, содержащего СО₂. В насадочной зоне 2 башни нагнетаемый в абсорбционную башню 1 газ приводят в контакт со встречным потоком абсорбирующей жидкости, которая содержит метилдиэтаноламин и производное пиперазина в заданных концентрациях, подаваемой через форсунку 7. Таким образом, содержащийся в газе СО₂ удаляется путем абсорбции в абсорбирующую жидкость, и оставшийся газ отводят через выход 5 для газа, не содержащего СО₂. Абсорбирующая жидкость, подаваемая в абсорбционную башню 1, абсорбирует СО₂, затем ее пропускают через теплообменник 14, нагревают в нагревателе 8 и подают в регенерационную башню 15.

В регенерационной башне 15 абсорбирующая жидкость проходит вниз от форсунки 16 через насадочную зону 17 башни. Во время этого процесса СО₂ удаляют из абсорбирующей жидкости для ее регенерации. Регенерированную абсорбирующую жидкость пропускают через теплообменник 14 и охлаждающий аппарат 26 с помощью насоса 9 и возвращают в абсорбционную башню 1 через вход 6 для абсорбирующей жидкости.

В верхней части регенерационной башни 15 отделенный от абсорбирующей жидкости СО₂ приводят в контакт с циркуляционной водой, подаваемой через форсунку 18, и охлаждают в парциальному конденсаторе 23 регенерационной башни. Затем в циркуляционном барабане 21 СО₂ отделяют от циркуляционной воды, образованной при конденсации водного пара, увлекаемого СО₂, и подают на стадию выделения СО₂ через трубопровод 22 для выделенного СО₂. Циркуляционную воду подают в регенерационную башню 15 с помощью насоса 20 для циркуляционной воды.

Следует учитывать, что этот вариант выполнения системы приведен только с целью пояснения основной идеи данного изобретения, поэтому вспомогательное оборудование не показано.

Ниже приводятся результаты испытаний, проведенных для оценки различных свойств подлежащей регенерации жидкости, абсорбирующей кислый газ согласно данному изобретению.

В качестве абсорбирующей кислый газ жидкости, подлежащей регенерации согласно данному изобретению, был подготовлен водный раствор, содержащий 45 мас.% метилдиэтаноламина и 3 мас.% 2-метилпиперазина. Кроме того, в качестве сравнительного примера для этих испытаний был приготовлен водный раствор, содержащий 45 мас. % метилдиэтаноламина и 3 мас.% пиперазина. Эту абсорбирующую жидкость (или абсорбент) использовали в качестве сравнительного примера, поскольку ее использовали до настоящего времени для абсорбции СО₂ из отработавших газов под давлением.

Результаты различных испытаний абсорбирующей жидкости, подлежащей регенерации согласно данному изобретению, и абсорбирующей жидкости, использованной в качестве сравнительного примера, приведены ниже.

Коррозионная активность каждой абсорбирующей жидкости
Исследовали коррозионную активность каждой абсорбирующей жидкости. Образец с размерами 30,0•19,9•3,0 мм с отверстиями диаметром 3,0 мм, выполненный из SS41 (углеродистой стали), поместили в абсорбирующую жидкость при давлении СО₂ 0,8 атм. и выдерживали в течение 94 часов при температуре 60^oС. Полученные результаты приведены в таблице 1.

Из приведенных в таблице 1 результатов следует, что относительно коррозионной активности абсорбирующая жидкость, подлежащая регенерации согласно данному изобретению, сравнительна с используемой обычно абсорбирующей жидкостью (MDEA+P).

Давление пара каждой абсорбирующей жидкости
Было исследовано изменение давления пара в зависимости от температуры для каждой абсорбирующей жидкости. Полученные результаты приведены на фиг.2. Нет существенной разницы между обычно используемой абсорбирующей жидкостью (MDEA+P) и абсорбирующей жидкостью согласно данному изобретению.

Зависимость между парциальным давлением СО₂ и растворяющей способностью
Зависимость между парциальны давлением СО₂ и растворяющей способностью каждой абсорбирующей жидкости была исследована при различных температурах. Результаты, полученные для абсорбирующей жидкости, подлежащей регенерации согласно данному изобретению, приведены на фиг.3, а результаты, полученные для сравнительного примера, - на фиг.4. Таким образом, обе жидкости эквивалентны относительно этого свойства.

Зависимость между температурой регенерационной башни и разностью загрузки СО₂
Зависимость между температурой регенерационной башни и разностью загрузки СО₂ измерялась для каждой жидкости посредством изменения температуры регенерационной башни. Понятие "разность загрузки" относится к разности между количеством СО₂, содержащимся в абсорбирующей жидкости на выходе из абсорбционной башни, и количеством СО₂, содержащимся в абсорбирующей жидкости, регенерированной путем выделения из нее СО₂ в регенерационной башне. Зависимость между температурой регенерационной башни и разностью загрузки СО₂ показана на фиг.5. Как показано на фиг.2, 3, 4 и 5, обе абсорбирующие жидкости также эквивалентны относительно этого физического свойства.

Затем было проведено испытание исходной абсорбции СО₂ для подтверждения того, что при использовании в качестве жидкости, абсорбирующей кислый газ, абсорбирующая жидкость, подлежащая регенерации согласно данному изобретению, имеет более высокую способность абсорбции СО₂, чем обычно используемая абсорбирующая кислый газ жидкость.

Испытание скорости абсорбции СО₂
С учетом способности абсорбции СО₂ была исследована зависимость между временем абсорбции СО₂ и концентрацией СО₂ в абсорбирующей жидкости.

В этом испытании использовали аппаратуру для измерения равновесия системы газ-жидкость. Каждую абсорбирующую жидкость поместили в баллон для абсорбирующей жидкости и подавали в каждый баллон СО₂ так, чтобы поддерживать общее давление на уровне 10 атм. Периодически отбирали пробы жидкости и подвергали анализу для определения количества СО₂, растворенного в жидкости, и тем самым оценивали скорость растворения CO₂ в абсорбирующей жидкости.

Температуру баллона для абсорбирующей жидкости поддерживали на уровне 40^oС. Кроме того, газ, состоящий полностью из СО₂, подавали со скоростью подачи 0,92 л N/мин. Во время реакции баллон для абсорбирующей жидкости перемешивали при 300 об/мин и количество залитой абсорбирующей жидкости составляло 625 г.

Полученные результаты показаны на фиг.6. Из этой фигуры следует, что абсорбирующая жидкость (MDEA+MP) согласно данному изобретению имеет большую скорость абсорбции.

Из приведенного выше следует, что в сравнении с обычно используемой абсорбирующей жидкостью, абсорбирующая кислый газ жидкость, подлежащая регенерации согласно данному изобретению, эквивалентна ей относительно основных свойств и превосходит ее по скорости абсорбции СО₂.

После этого были проведены испытания по абсорбции СО₂ и регенерации для подтверждения того, что эту абсорбирующую кислый газ жидкость, имеющую высокие свойства, можно эффективно использовать для абсорбции СО₂ и в способе регенерации абсорбирующей кислый газ жидкости.

Испытания абсорбции CO₂ и регенерации
Для этих испытаний использовали испытательную систему высокого давления для отделения СО₂ и регенерации, имеющую почти ту же основную конфигурацию, что и система, показанная на фиг.1. Имитированный выхлопной газ был получен путем смешивания азотного газа, подаваемого из баллона с азотным газом, с газом СО₂, подаваемым из баллона для углекислого газа, в требуемых пропорциях, и тщательно контролировали свойства газа, так чтобы он соответствовал условиям эксперимента. Кроме того, в отводном трубопроводе был установлен газомер. Кроме того, были предусмотрены средства термостатирования для регулирования температур охлаждающей башни и абсорбционной башни.

При испытаниях абсорбции СО₂ и регенерации исследовали зависимость между температурой регенерационной башни и выходом СО₂ для подтверждения того, что с помощью способа согласно данному изобретению можно эффективно регенерировать жидкость, абсорбирующую кислый газ, даже при относительно низкой температуре. Условия испытаний приведены ниже.

Скорость газового потока: 0,12 м³ N/ч.

Скорость потока абсорбирующей жидкости: 4 л/ч.

Парциальное давление СО₂ в абсорбционной башне: 10 атм.

Парциальное давление СО₂ в регенерационной башне: 1 атм.

Температура регенерационной башни: 40^oС.

Полученные результаты показаны на фиг. 7. В соответствии со способом согласно данному изобретению абсорбирующая жидкость (MDEA+MP) имеет 60% выделения СО₂ при температуре регенерационной башни, равной 40^oС. Более того, выделение CO₂ превышает 95% и более при температуре 60^oС и достигает 99% при температуре 80^oС. Таким образом, подтверждается, что в способе регенерации абсорбирующей кислый газ жидкости согласно данному изобретению абсорбирующая жидкость используется эффективно. Более того, фиг.7 также подтверждает, что абсорбирующая жидкость (MDEA+MP) имеет большую абсорбирующую способность и регенерационную способность, чем абсорбирующая жидкость (MDEA+P).

При испытании абсорбции СО₂ и регенерации было исследовано также соотношение коэффициентов (К_Gа) общей емкости относительно газов. Это соотношение (К_Gа) служит в качестве показателя абсорбирующей способности. Полученные результаты показаны на фиг. 8. Условия испытаний были теми же, что и при испытании зависимости между температурой регенерационной башни и выходом СО₂, за исключением того, что температура регенерационной башни постоянно составляла 40^oС. Таким образом, подтверждается, что абсорбирующая жидкость согласно данному изобретению проявляет улучшение на около 70% по сравнению с абсорбирующей жидкостью (MDEA+P).

Затем были исследованы изменения теплостойкой концентрации соли в зависимости от времени для подтверждения того, что абсорбирующая жидкость, регенерированная согласно данному изобретению, может сохранять устойчивые свойства во время повторной абсорбции и выделять CO₂ в длительный период времени. Полученные результаты показаны на фиг.9. Условия испытаний были теми же, что и при испытании зависимости между температурой регенерационной башни и выходом СО₂, за исключением того, что температура регенерационной башни постоянно составляла 60^oС. Таким образом, было установлено, что абсорбирующая жидкость (MDEA+MP) согласно данному изобретению эквивалентна абсорбирующей жидкости (MDEA+P).

Результаты указанных выше испытаний в совокупности показывают, что с помощью способа регенерации абсорбирующей кислый газ жидкости согласно данному изобретению можно эффективно регенерировать абсорбирующую кислый газ жидкость, содержащую метилдиэтаноламин и производное пиперазина низших алкилов, даже при относительно низкой температуре 40^oС и можно регенерировать более эффективно при температуре 60^oС или выше.

Формула изобретения

1. Способ регенерации жидкости, абсорбирующей кислый газ, включающий использование в качестве указанной жидкости абсорбирующей жидкости, содержащей метилдиэтаноламин и производное пиперазина, и регенерации указанной жидкости в регенерационной колонне путем высвобождения из нее кислого газа, отличающийся тем, что в качестве абсорбирующей жидкости, содержащей метилдиэтаноламин и производное пиперазина, используют жидкость, содержащую метилдиэтаноламин и производное пиперазина, имеющее одну или две низшие алкильные группы с C₁-C₄ в качестве заместителя в гетероциклическом кольце, и регенерацию указанной жидкости ведут при температуре не ниже 40^oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что метилдиэтаноламин, содержащийся в водном растворе, имеет концентрацию от 20 до 70 мас.%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что производное пиперазина, содержащееся в водном растворе, имеет концентрацию от 0,5 до 7,5 мас.%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что после регенерации абсорбирующую жидкость возвращают на начальную стадию процесса для ее повторного использования.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10