Файл: Проект узла сероочистки метана.pdf

11 3.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения................................................................................................ 55 3.1.1 Анализ конкурентных технических решений ......................................... 55 3.1.2 SWOT-анализ .............................................................................................. 57 3.2 Определение возможных альтернатив проведения научных исследований ......................................................................................................... 60 3.3 Планирование научно-исследовательских работ ....................................... 60 3.3.1 Структура работ в рамках научного исследования ................................ 60 3.3.2 Определение трудоемкости выполнения работ ...................................... 62 3.3.3 Разработка графика проведения научного исследования ...................... 63 3.3.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) .............................. 67 3.3.4.1 Расчет материальных затрат НТИ ......................................................... 67 3.3.4.2 Расчет затрат на оборудование для научно-экспериментальных работ
................................................................................................................................. 68 3.3.4.3 Основная заработная плата исполнителей темы ................................. 69 3.3.4.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) ........ 71 3.3.4.5 Накладные расходы................................................................................. 72 3.3.4.6 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта
................................................................................................................................. 72 3.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования ..... 73 4 Социальная ответственность .......................................................................... 76 4.1 Производственная безопасность.................................................................. 76 4.1.1 Вредные и опасные факторы, которые может создать объект проектирования ..................................................................................................... 76 4.1.2 Вредные и опасные факторы, которые могут возникнуть при проведении работ .................................................................................................. 76 4.1.3 Требования и мероприятия по защите исследователя от действия опасных и вредных факторов ............................................................................... 77

12 4.2 Экологическая безопасность ........................................................................ 80 4.3.1 Вероятные ЧС, которые могут произойти при проектировании в лаборатории ........................................................................................................... 81 4.3.2 Действия в случае возникновения ЧС и мероприятия по их предотвращению ................................................................................................... 81
Заключение ............................................................................................................ 83
Список литературы ............................................................................................... 84

13
Введение
Метан является основным компонентов в составе природного газа (до
97%). В природном газе содержатся этан, пропан, бутан и более тяжелые углеводороды с количеством атомов углерода больше пяти. Так же в составе есть и неорганические соединения такие как водород (в небольших количе- ствах) - Н
2
, углекислый газ - СО
2
, гелий – Не, азот - N
2
и соединения, имею- щие в своем составе серу.
Очистка природного газа из соединений серы является важнейшим процессом в химической промышленности. Соединения серы являются ядами для катализаторов процесса конверсии синтеза метанола. Необходимо также заметить, что при сжигании газов, неочищенных от серы, образуется сернистый ангидрид, которые загрязняет атмосферу.
Таким образом, очистка горючих газов от серы не только повышает их качество, но и обеспечивает большую чистоту атмосферы промышлен- ного района. Выбор схемы и методы очистки зависит от требований, предъ- являемых к степени очистки сырья, исходного содержание сернистых соеди- нений в сырье, производительности установки, технологических параметров процесса очистки, температуры и давления.
В настоящее время для установок по производству синтез-газа норма содержания сернистых соединений после сероочистки установлена на уровне не более 0,1 мг/ м
3
. Для обеспечения указанной нормы применяется метод двухступенчатой схемы сорбционной каталитической очистки. На первой ступени в присутствии катализатора происходит гидрирование орга- нических соединений с последующим поглощением сероводорода оксида цинка на второй ступени, что позволяет обеспечивать содержание серы, не- обходимой для защиты никелевых катализаторов риформинга [1].

14 1 Теоретическая часть
1.1 Физико-химические основы технологического процесса
1.1.1 Обоснование выбора метода производства
Очищенный природный газ является исходным сырьем для произ- водства метанола. Природный газ в своём составе содержит метан, этан и другие углеводороды, азот, кроме того содержит примеси сернистых соеди- нений. Сернистые соединения как органические, так и неорганические явля- ются ядами для катализаторов, применяемых в химической промышленно- сти, ухудшают качество продукции, вызывают коррозию аппаратуры и тру- бопроводов с образованием сульфида, вызывает загрязнение атмосферы.
Наиболее чувствительные к отравляющим действием сернистых со- единений никелевые катализаторы парового риформинга и медьсодержащие катализаторы низкотемпературной конверсии оксида углерода. Вследствие этого природный газ подвергается тщательной очистки от сернистых соеди- нений.
В состав органической серы чаще всего входят сероуглерод, окись углерода, тиофена и меркаптаны, сульфид и дисульфиды.
Состав и содержание органической серы в различные технологиче- ские газы зависит от способа и режимы их получения, содержание и состав и соединение серы с исходным Сырьем. Концентрация серной органических примесей в различных газах обычно колеблется от нуля до нескольких де- сятков процентов. В отечественных месторождениях природного газа боль- шая часть органической серы находится в виде меркаптанов.
Токсичность серосодержащих соединений как примесей, отравляю- щих катализатор, различна. Наиболее сильнодействующая и трудноудаляе- мая примесь тиофен [2].
Существует множество методов очистки природного газа, которые условно относят к трем группам – абсорбционные, адсорбционные и катали-

15 тические методы (рисунок 1). Наиболее распространены первые методы, до- пускающие любое начальное содержание примесей в газе, а адсорбционные процессы используют при малых начальных содержаниях примесей (3–5% об.), но при этом они позволяют глубоко очистить газ [3].
Рисунок -1 Основные способы очистки природного газа
Абсорбционные методы по характеру используемого абсорбента де- лятся на методы хемосорбции (химической абсорбции), физической абсорб- ции, окислительные и комбинированные.
Хемосорбционные процессыоснованы на химическом взаимодей- ствии сероводорода с активным компонентом называемым абсорбентом. В качестве адсорбента, а таких процессах применяют амины и щелочные рас- творы. Процессы химической абсорбции являются процессами с высокой из- бирательностью по отношению к кислым компонентам, а также позволяют достигать высокой степени очистки от сероводорода.
Хемосорбционные способы нашли широкое применение для очистки углеводородных газов от сероводорода и других кислых компонентов [4-8].
Рассмотрим МЭА-способ хемосорбентом является водный раствор моноэтаноламина с содержанием 15–30 % мас.
Сп о
собы о
чистк и при р
о д
н о
го газа
Абсорбционные
Физическая абсорбция
Окислительные
Химическая абсорбция
Физико-химическая абсорбция
Адсорбционные
Физическая адсорбция
Химическая адсорбция
Каталитические
Окислительные
Востановительные
Микробиологические

16
Реакция МЭА с сероводородом и диоксидом углерода протекает по схеме:
НО-CH
2
-CH
2
-NH
2
+ H
2
O
↔ (HO-CH
2
-CH
2
-NH
3
)
+
+ OH
−
(1)
H
2
S + H
2
O
↔HS
−
+ H
3
O
+
(2)
(HO-CH
2
-CH
2
-NH
3
)
+
+ HS−
↔ (HO-CH
2
-CH
2
-NH
3
)
+
HS
−
(3)
CO
2
+ 2 H
2
O
↔HCO
3
−
+ H3O
+
(4)
(HO-CH
2
-CH
2
-NH
3
)
+
+ HCO
3
−
↔ (HO-CH
2
-CH
2
-NH
3
)
+
х HCO
3
−
(5)
Растворы МЭА обеспечивают тонкую очистку газа от сероводорода в широком диапазоне концентраций. МЭА химически стабилен и в сравне- нии с другими аминами он мало поглощает углеводороды. Недостатками
МЭА являются относительно высокая реакционная способность по отноше- нию к органическим соединениям серы, содержащимся в газе, а также высо- кая коррозионная активность его растворов. Кроме этого, отмечено, что ре- акция МЭА с H
2
S может протекать в присутствии следов кислорода с обра- зованием не регенерируемого соединения тиосульфата этаноламина:
2 RNH
2
+ 2 H
2
S + 2 O
2
→ (RNH
2
)
2
H
2
S
2
O
3
+ H
2
O (6)
Таким образом, при всех достоинствах – достаточной глубины очистки, малой абсорбции углеводородов – процесс МЭА имеет ряд суще- ственных недостатков:
 образование необратимых химических соединений метилэти- ламина с СOS, CS
2
и О
2
;
 вспениваемость в присутствии жидких углеводородов, ингибито- ров коррозии и механических примесей;
 большие потери от испарения; низкая эффективность по меркап- танам; не селективность к H
2
S в присутствии СО
2
Для улучшения технико-экономических показателей процесса очистки газа от кислых компонентов за счет сокращения эксплуатационных затрат служит модификация ДЭА-способа с использованием водного рас- твора смеси метилдиэтаноламина и диэтаноламина. Было выявлено, что оп-

17 тимальное содержание ДЭА в смеси составляет около 30–50 %. Использова- ние смешанного поглотителя позволяет варьировать соотношение
ДЭА/МДЭА в растворе исходя из поставленной задачи по степени очистки газа. Использование в смеси абсорбентов до 50–70% значительно менее кор- розионно-активно Третичный амин (МДЭА) обладает высокой поглощаю- щей способностью по отношению к кислым газам СО
2
и H
2
S. Благодаря ква- зифизическому характеру абсорбции, на регенерацию абсорбента требуются лишь весьма незначительные затраты энергии.
Адаптация параметров и характеристик растворителя к различным случаям применения достигается путем изменения уровня концентрации ак- тиватора.
Достоинства МДЭА/ДЭА-процесса:
 низкое энергопотребление;
 малые инвестиционные затраты;
 коррозионно-пассивный растворитель;
 низкие потери растворителя;
 растворитель обладает химической и термической устойчиво- стью;
 малые потери углеводородов и иных инертных компонентов.
На рисунке 2 представлена схема очистки газа растворами этанола- минов. Поступающий на очистку газ и абсорбент подаются в абсорбер А-1 противотоком. Насыщенный кислыми компонентами газа раствор с низа аб- сорбера А-1 подается в верхнюю часть десорбера Д-1, предварительно подо- греваясь в теплообменнике Т-2 регенерированным раствором амина.
Раствор амина, в свою очередь, дополнительно охлаждаясь водой или воздухом в теплообменнике Т-1, подается на верх абсорбера. Кислый газ из десорбера Д-1 охлаждается для конденсации водяных паров в Т-3, а конден- сат-флегма непрерывно возвращается обратно в систему для поддержания заданной концентрации раствора амина.

18
Рисунок 2- Принципиальная технологическая схема очистки газа растворами этаноламинов:
А-1 – абсорбер; Д-1 – десорбер; Э-1 – экспанзер; Е-1 – емкость для регенерированного абсорбента; Т-1,2,3 – теплообменники; Н-1 – насос; Р-1
– ребойлер; С-1,2 – сепаратор раствора выделяются физически растворен- ные в абсорбенте углеводороды.
В соответствии с рекомендациями при выборе параметров абсорбци- онной очистки следует иметь в виду два основных механизма абсорбции
CO
2
. Большая часть диоксида углерода поглощается растворами МЭА и
ДЭА с образованием карбамата с достижением степени поглощения 0,5 моль/моль. Превращение карбаматной структуры в бикарбаматную с после- дующим протеканием кислотно-основной реакции позволяет достичь сте- пени поглощения 1 моль/моль. При этом повышается равновесная концен- трация СО
2
в газовой фазе за счет замедления скорости хемосорбции. Взаи- модействие СО
2
с третичными аминами по карбаматному типу невозможно из-за отсутствия подвижного атома водорода у азота, что является причиной селективного извлечения СО
2
в присутствии H
2
S.

19
Если в очищаемом газе есть СOS и CS
2
, то использование первичных аминов (МЭА) нецелесообразно из-за образования и накопления в абсор- бенте труднорегенерируемых и не регенерируемых соединений.
Первичные амины более реакционноспособны и равновесное давле- ние H
2
S над их растворами ниже, чем над растворами вторичных аминов.
Поэтому при избыточном давлении ниже 0,7 МПа используют только пер- вичные амины. Предельно допустимая поглотительная способность абсор- бента ограничивается как нормами допустимой коррозии аппаратуры, так и предельно допустимой теплотой хемосорбции.
Понижение температуры процесса абсорбции приводит к увеличе- нию извлечения целевых компонентов, но уменьшает селективность про- цесса из-за возрастания растворимости углеводородов в аминовых раство- рах. Повышение температуры увеличивает селективность процесса по отно- шению к кислым компонентам, но может привести к увеличению остаточ- ного содержания кислых компонентов в очищенном газе.
Взаимодействие H
2
S c любыми аминами протекает с образованием гидросульфида и сульфида мгновенно.
2 R
3
N + H
2
S → (R
3
NH)
2
S (7)
(R
3
NH)
2
S + H
2
S → 2 (R
3
NH)HS (8)
Увеличение давления при постоянных температуре и концентрации амина повышает степень очистки газа от кислых компонентов, так как уве- личивается движущая сила процесса.
Обычно очистку газов растворами амина проводят при давлении от 2 до 7 МПа.
Процессы физической абсорбцииоснованы на физическом растворе- нии извлекаемых компонентов в различных абсорбентах.
В отличие от хемосорбционных способов методом физической ад- сорбции можно наряду с сероводородом и диоксидом углерода извлекать се- рооксид углерода, сероуглерод, меркаптаны. Поэтому в некоторых случаях
(при повышенных парциальных давлениях кислых компонентов и когда нет

20 необходимости тонкой очистки газа) выгоднее использовать физические аб- сорбенты, которые отличаются более низкими затратами на регенерацию.
В комбинированных процессахиспользуют смесь поглотителей – хе- мосорбенты и абсорбенты. Комбинированный метод позволяет достигать тонкой очистки природного газа как от сероводорода и диоксида углерода, так и от сероорганических соединений.
В основу окислительных процессоввходит необратимое превраще- ние поглощаемого сорбентом сероводорода в элементную серу. Сорбент в этом случае содержит катализатор окисления и представляет собой водно- щелочной раствор катализатора, в качестве которого используют комплекс- ное соединение хлорида железа с динатриевой солью этилендиаминтетраук- сусной кислоты или горячий раствор мышьяковых солей щелочных метал- лов.
Таблица 1 - характеристика процессов очистки природного газа абсорбци- онным методом
Способ очистки
Процессы
Абсорбент
Хемосорбция
Амин-гард
Алканоламин ,вода
Адип
Диизопропаноламин, вода
Бенфильд
Карбонат калия ,вода , до- бавки бенфильд
Катакарб
Раствор поташа , ингибитор коррозии , катализатор
Экономин
Дигликольамин, вода
Физическая абсорб- ция
Ректизол
Холодный метанол
Сепасолв-МПЕ
Диалкиловый эфир полиэти- ленгликоля
Селексол
Диметиловый эфир поли- этиленгликоля
Флюор
Пропиленкарбонат
Эстасольван
Трибутилфосфат
Комбинированные процессы
Сульфинол
Диизопропаноламин
(ме- тилдиэтаноламин) 30–40 %
,сульфолан (диоксид тетра- гидротиофена) 40–60 % , вода 5–15 %
Оптизол
Амин физический раство- ритель, вода