Результат интеллектуальной деятельности: Способ разделения газовых смесей, содержащих водород и диоксид углерода

Изобретение относится к способу выделения водорода из газовых смесей, содержащих диоксид углерода, путем абсорбционного удаления диоксида углерода абсорбентами на основе карбонатов щелочных металлов.

Известен способ абсорбционного выделения диоксида углерода из газовых смесей абсорбентом на основе водных растворов карбонатов щелочных металлов, включающий процессы: абсорбции диоксида углерода при повышенном давлении, регенерации насыщенного абсорбента при повышенной температуре и/или пониженном давлении с подводом тепла через кипятильник, сжатие регенерированного абсорбента насосом, охлаждение части регенерированного абсорбента перед подачей его на абсорбцию, охлаждение парогазовой фазы, выделенной при регенерации абсорбента (см. А. Коуль и Ф. Ризенфельд. Очистка газов, М., 1962, с. 99-109).

Недостатком этого способа является отсутствие рекуперации энергии сжатого насыщенного абсорбента, что приводит к увеличению энергетических затрат на проведение процесса.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ абсорбционного выделения диоксида углерода из газовых смесей абсорбентом на основе водных растворов карбонатов щелочных металлов, включающий процессы: абсорбции диоксида углерода при повышенном давлении, расширения насыщенного абсорбента в гидравлической турбине с получением механической энергии, регенерации насыщенного абсорбента при повышенной температуре и/или пониженном давлении с подводом тепла через кипятильник, сжатие насосом и охлаждение регенерированного абсорбента перед подачей его на абсорбцию и охлаждение парогазовой фазы, выделенной при регенерации абсорбента (см. ред. Мельников Е.Я. Справочник азотчика, М., Химия, 1986, с. 286-290).

Недостатком этого способа является низкая степень рекуперации энергии сжатого насыщенного абсорбента.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в увеличении эффективности работы гидравлической или парожидкостной турбины с повышением степени рекуперации энергии сжатого насыщенного абсорбента.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе разделения газовых смесей, содержащих водород и диоксид углерода, путем абсорбционного удаления диоксида углерода абсорбентом на основе карбонатов щелочных металлов, включающий процессы: абсорбции диоксида углерода при повышенном давлении, расширения насыщенного абсорбента в гидравлической или парожидкостной турбине с получением механической энергии, регенерация насыщенного абсорбента при пониженном давлении и/или повышенной температуре, насыщенный абсорбент перед подачей на гидравлическую или парожидкостную турбину дополнительно нагревают за счет косвенного теплообмена с горячим регенерированным абсорбентом. Известно, что процесс расширения жидкости в турбине имеет сравнительно низкий выход энергии ввиду чрезвычайно малого увеличения ее объема при снижении давления и сравнительно маленького начального объема жидкости. Предлагаемый способ, обеспечивающий нагрев насыщенного диоксидом углерода абсорбента на входе в турбину, приводит к сдвигу химического равновесия в сторону выделения газовой фазы из абсорбента в процессе его расширения в турбине. Тем самым увеличивается реальный объем рабочего потока в турбине, что приводит к увеличению энергоотдачи и мощности на валу турбины.

Другим сопутствующим положительным эффектом предлагаемого способа является рекуперация части тепла горячего регенерированного абсорбента в дополнительном теплообменнике. Это приводит к снижению расхода тепла на нагрев насыщенного абсорбента до температуры процесса регенерации, что обеспечивает снижение общего расхода тепла на процесс.

На фигуре 1 представлена схема реализации предлагаемого способа получения водорода для щелочных топливных элементов из газовых смесей, содержащих диоксид углерода.

Устройство работает по циркуляционной схеме и включает в себя: абсорбер 1, дополнительный теплообменник 2, гидравлическую или парожидкостную турбину 3, регенератор 4, кипятильник 5, насос 6, холодильник абсорбента 7, холодильник-конденсатор 8, сборник флегмы 9.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Исходная газовая смесь, содержащая водород и диоксид углерода при повышенном давлении, поступает в нижнюю часть абсорбера 1, снабженного массообменными устройствами. Охлажденный регенерированный абсорбент подается в абсорбер 1 сверху на массообменные устройства, где в прямом контакте с исходной газовой смесью осуществляется процесс абсорбции диоксида углерода. Очищенный газ выводится сверху абсорбера, а снизу выводится абсорбент, насыщенный диоксидом углерода.

Насыщенный абсорбент сначала поступает в дополнительный теплообменник 2, где он нагревается в косвенном теплообмене за счет тепла горячего регенерированного абсорбента и, далее, поступает в гидравлическую или парожидкостную турбину 3. В турбине насыщенный абсорбент расширяется до давления, несколько превышающего давление процесса регенерации абсорбента на величину, необходимую для преодоления суммы гидравлических сопротивлений потока абсорбента после турбины. Нагрев насыщенного абсорбента в дополнительном теплообменнике 2 приводит к сдвигу равновесия в сторону выделения газовой фазы (CO₂+H₂O) из насыщенного абсорбента, что обеспечивает увеличение доли газовой фазы при проведении процесса расширения в турбине 3. Как следствие этого интенсифицируется процесс преобразования потенциальной энергии сжатого насыщенного абсорбента в механическую с увеличением мощности на валу турбины.

Далее насыщенный абсорбент поступает в верхнюю часть регенератора 4, снабженного массообменными устройствами, где он контактирует с парогазовой смесью, образованной в кипятильнике 5 за счет испарения части абсорбента под воздействием внешнего источника тепла. Остаточная парогазовая смесь, содержащая диоксид углерода с парами воды, выводится сверху регенератора 4, охлаждается в холодильнике-конденсаторе 8 и сепарируется в сборнике флегмы 9. Сконденсировавшаяся вода (флегма) возвращается в регенератор, а выделенный диоксид углерода выводится из сборника флегмы.

Горячий регенерированный абсорбент выводится снизу регенератора 4, сжимается насосом 6 и поступает в дополнительный теплообменник 2 для нагрева насыщенного абсорбента, затем охлаждается в холодильнике 7 и поступает в абсорбер 1, завершая цикл.

Пример 1

В данном примере показана возможность использования предлагаемого изобретения при получении водорода из газовой смеси, содержащей 18% объемных диоксида углерода (остальное - водород) путем его выделения абсорбентом на основе поташа (K₂CO₃).

Исходная газовая смесь при давлении 2,8 МПа и температуре 85-90°С поступает в абсорбер 1, орошаемый абсорбентом, содержащим K₂CO₃ - 28% вес., диэтаноламина (ДЭА) - 3% вес., пятиокись ванадия (V₂O₅) - 0,6% вес., остальное - вода. Очищенные от CO₂ водород выводится сверху абсорбера 1, а насыщенный диоксидом углерода абсорбент выводится снизу абсорбера при температуре 87°С. Насыщенный абсорбент предварительно нагревают в дополнительном теплообменнике 2 (в конкретном примере до 100°С) в косвенном теплообмене с горячим регенерированным абсорбентом и при давлении 2,8 МПа подают в гидравлическую турбину 3 для рекуперации потенциальной энергии сжатого насыщенного абсорбента.

В гидравлической турбине 3 насыщенный абсорбент подвергается расширению от давления 2,8 МПа до 0,5 МПа. Предварительный нагрев насыщенного диоксидом углерода абсорбента на входе в турбину, приводит к сдвигу химического равновесия системы «СО₂ - водный раствор абсорбента» в сторону выделения газовой фазы из абсорбента в процессе его расширения, в результате чего происходит увеличение выделения доли паровой фазы (CO₂ + H₂O) в турбине. Даже незначительное увеличение выделения паровой фазы приводит к существенному увеличению реального объема рабочего потока в турбине, что приводит к повышению энергоотдачи и мощности на валу турбины 3.

После гидравлической турбины 3 насыщенный абсорбент в виде двухфазного потока поступает в регенератор 4, где насыщенный абсорбент приводится в прямой контакт с поступающей снизу горячей парогазовой смесью, образованной в кипятильнике 5. Кипятильник 5 обеспечивает нагрев и частичное испарение абсорбента за счет внешнего теплоносителя. Процесс регенерации проводится при давлении 0,16 МПа. Количество подводимого тепла в кипятильник определяется требованием проведения процесса регенерации абсорбента с получением заданной степени очитки исходного газа от CO₂.

Горячий регенерированный абсорбент выводится из нижней части регенератора 4 при температуре 120-125°С, сжимается насосом 6, и в полном объеме или частично направляется в дополнительный теплообменник 2 для нагрева насыщенного абсорбента, затем охлаждается в холодильнике 7 и поступает в абсорбер 1, замыкая цикл.

Остаточная парогазовая смесь процесса регенерации, состоящая из СО₂ и H₂O, выводится сверху регенератора 4 при температуре около 100°С, охлаждается в холодильнике-конденсаторе 8 до температуры 40-45°C с конденсацией паров воды и сепарируется в сборнике флегмы 9. Диоксид углерода выводится сверху сборника флегмы 9, а выходящая снизу сконденсировавшаяся флегма возвращается в регенератор 4.

В таблице №1 приведены основные расчетные данные по описанному примеру 1 реализации предлагаемого изобретения в сравнение с прототипом.

Из представленных данных видно, что в результате использования отличительных признаков предлагаемого изобретения (дополнительный нагрев насыщенного абсорбента перед турбиной), при равенстве материальных потоков увеличивается мощность турбины на 45% и сокращается общий расход тепла на процесс на 14%.

Пример 2

В этом примере, по аналогии с примером 1, показана возможность предлагаемого изобретения при использовании парожидкостной турбины 3, предполагающей подачу на входе в турбину двухфазного потока насыщенного абсорбента. Для получения двухфазного потока используются те же приемы, что и в примере 1, но с подачей в теплообменник 2 всего горячего регенерированного абсорбента, что обеспечивает нагрев насыщенного абсорбента в теплообменнике 2 до более высокой температуры, при которой из насыщенного абсорбента частично выделяется паровая фаза, состоящая из CO₂ и H₂O.

В таблице 2 приведены основные параметры и результаты работы предлагаемого способа.

В данном примере мощность на валу турбины повышается по сравнению с примером 1 и прототипом, главным образом, за счет энергии расширения выделяющихся паров (CO₂ и H₂O), количество которых увеличивается с повышением температуры.