ТЕХНОЛОГИЯ КАРБАМИДА

Ликвидация сточных вод путем испарения в градирнях

Одна из современных тенденций развития химиче­ской промышленности — стремление к переводу производства многотоннажных продуктов, к числу которых относится и карба­мид, на безвыбросную технологию. Важнейшее условие достиже­ния поставленной цели заключается в ликвидации сточных вод. При этом не только уменьшается или устраняется загрязнение окружающей среды, но также снижается водопотребление, что имеет исключительно большое значение для регионов с ограни­ченными водными ресурсами.

К числу средств снижения потребления речной воды относится широкое применение аппаратов воздушного охлаждения. Уже много лет воздушное охлаждение используют в системе конденса­ции паров возвратного аммиака [71 ]. Воздушное охлаждение в промышленных условиях осуществляют также в теплообмен­никах, предназначенных для фракционной конденсации влаги из газового потока и охлаждения сточных вод после десорбера второй ступени, для охлаждения жидкостных потоков, подаваемых на орошение абсорберов системы очистки отходящих газов, а также парового конденсата, откачиваемого на ТЭЦ.

В случае предварительной достаточно тонкой очистки от при­месей сточные воды могут использоваться для подпитки контура градирни охлаждающей оборотной воды [43, 44, 53 ], для полу­чения технологического пара [53], либо для охлаждения сальников насосов (вместо химически очищенной воды), а также в про­цессах конверсии природного газа с целью получения NH3 и С02 — сырья для синтеза карбамида [53].

В качестве одного из наиболее предпочтительных отметим метод полной ликвидации сточных вод [1, 6] путем создания в цехе карбамида внутреннего водооборотного цикла, включа­ющего градирню. В случае оснащения градирни эффективными брызгоотделителями этот метод, в отличие от перечисленных выше, не нуждается в предварительной тонкой очистке сточных вод от примеси карбамида.

Исходя из специфических условий испарения сточных вод (температура порядка 70 °С и выше, химическая активность среды)„ при выборе типа градирни [72 ] от использования широко распро­страненных башенных и вентиляторных градирен пришлось отка­заться; авторами была поставлена задача создания аппарата,, который по своим эксплуатационным характеристикам был бы наиболее пригоден для переработки сточных вод производства; карбамида.

По сравнению с упоминавшимися типами градирен, которые представляют собой разновидности оросительных колонн, опре­деленными преимуществами обладают скоростные прямоточные инжекционные аппараты. Отличаясь исключительной простотой конструкции, они характеризуются большими относительными скоростями фаз, развитой поверхностью тепло - и массообмена, малым сопротивлением прохождению газа, равномерным его рас­пределением и исключением проскока газа через аппарат. В част­ности, объемный коэффициент теплоотдачи инжекционного тепло­обменника на порядок выше, чем у башенной градирни и полого скруббера, и соизмерим лишь с характеристикой турбулентного аппарата Вентури. Поскольку использование аппаратов Вентури связано с большими энергозатратами, применение инжекционных теплообменников наиболее предпочтительно [72].

Для изучения испарительного охлаждения жидкостей в жидко - газовом инжекционном аппарате была создана пилотная установка [72] и проведены необходимые исследования. Цилиндрическая часть инжектора имела диаметр 250 мм и высоту 900 мм. При про­ведении опытов /Си,„ варьировали в пределах 100—1000, чему соответствовало изменение расхода газа от 100 до 500 м3/ч. Жидкость диспергировали с помощью цельнофакельных форсу­нок ВТИ с диаметрами соплового отверстия 3 и 6 мм. Эти форсунки дают равномерно заполненный факел конической формы с боль­шим коэффициентом расхода жидкости и высокой степенью ее диспергирования.

В опытах было установлено, что:

Степень насыщения воздуха парами воды в инжекторе близка к 100%;

Общая эффективность аппарата на 96—98% определяется фор­мирующимся свободным факелом;

Ликвидация сточных вод путем испарения в градирнях

Рис. VI.14. Зависимость конечной температуры рабочей жидкости от давле­ния перед форсункой Рф. Условия проведения опытов: исходная температура жидкости 40 °С, температура воздуха 7 °С, диаметр соплового отверстия фор­сунки tic " 3 мм.

Рис. VI. 15. Зависимость степени испарения от t^:

Крнрая

Рф. МПа

Dc> мм

Кривая

Рф. МШ

1'с - мм

1

0,392

3

4

0,392

0

2

0,196

3

5

0 098 и 0.190

Г,

3

0,098

3

Степень охлаждения воды зависит от давления перед форсун­кой (рис. VI. 14), с увеличением которого происходит понижение конечной температуры орошающей жидкости;

Степень испарения воды примерно одинакова для различных перепадов давления (рис. VI.15);

Степень испарения воды с ростом ее температуры существенно возрастает, начиная от 60—70 °С и выше;

Абсолютная величина количества испаренной воды увеличи­вается с ростом давления воды перед форсункой (рис. VI. 16);

Величина механического уноса капель воды потоком воздуха (после инерционного брызгоотделителя) составляет примерно 0,1%.

Полученные экспериментальные данные послужили основой для проектирования опытно-промышленной градирни инжек­ционного типа.

Краткая характеристика известных конструкций инжекцион - ных градирен, составленная по описаниям советских и иностран­ных изобретений, приведена в работе [72].

Ликвидация сточных вод путем испарения в градирнях

В результате экспериментальных и патентных исследований была сконструирована и построена в одном из действующих цехов

Ликвидация сточных вод путем испарения в градирнях

Жидкости &

Кривая

Рф, МПа

Dмм

Кривая

Рф, МПа

Мм

1

0,392

6

4

0,392

О

2

0,196

Е

5

0,196

3

3

0.098

6

6

0,098

3

Рис. VI. 17. Опытно-промышленная градирня инжекционного типа:

1 — корпус; 2 — водосборный бассейн; 3 — окно; 4 — нижняя полка; 5 — верхняя полка; б — форсунка; 7 — коллектор; 8 — насос; 9 — задвижка; 10 — вентиль.

Карбамида опытно-промышленная градирня инжекционного типа; промышленная реализация инжекционной градирни для испаре­ния сточных вод осуществлена впервые в мировой практике.

Градирня изображена на рис. VI.17. Аппарат рассчитан на расход циркулирующей воды 100 м3/ч, давление воды перед форсунками — 0,392 МПа. Форсунки расположены на таком рас­стоянии между собой, чтобы факелы перекрывали друг друга. Благодаря этому исключается проскок воздуха в обратном направ­лении и не допускаются конвективные циркуляции нагретого увлажненного воздуха. Для снижения брызгоуноса площадь поперечного сечения выбрана с учетом скорости витания капель жидкости (которую определяли по общепринятой методике); кроме того, в верхней части градирни установлена брызгоотбой - ная проволочная сетка. Из анализа всех известных вариантов инжекционных градирен [72] можно заключить, что созданный в производстве карбамида аппарат выгодно отличается простотой конструкции.

При испытаниях опытно-промышленного аппарата перепад температур охлаждаемой воды At составил 10—25 °С. Как важный фактор, существенно влияющий на интенсивность процесса испа­рения и охлаждения воды, следует отметить большое количество инжектируемого воздуха. Фактический коэффициент инжекции /Си„ж составил 1200—1400.

Как и ожидалось, на испарительную способность градирни сильно влияют параметры атмосферного воздуха. Диаграмма зависимости степени испарения воды от At при различных пара­метрах воздуха приведена на рис. VI. 18. Диаграмма построена

Ликвидация сточных вод путем испарения в градирнях

О1------ 1------------- 1-------- —і--------------- 1_______ і________ і

10 13 16 19 22 25

At;С

Рис. VI. 18. Зависимость степени испарения воды (в % от циркуляционного рас­хода) от At при Л'инж = 1300 и следующих значениях энтальпии І, кДж/кг су­хого воздуха и влагосодержания воздуха Xкг/кг сухого воздуха:

1—5 — С = 37,6812; Г —5' — С = 50,2416; 1, 1' — X' = 0,0061; 2,2' — X' — 0.ОО71; 3, 3' — X' = 0.0О81; 4, 4' — X' — 0.0О91; 5, 5' — X' = 0,0102.

По результатам испытаний градирни в летний период; основные показатели работы внутреннего водооборотного цикла для этого периода представлены ниже:

Концентрация карбамида, % (масс.)

В свежей сточной воде....................................................... 0,4—0,7

В воде внутреннего цикла................................................... 5—10

Коэффициент ИНЖеКЦИН - Кинж..................................................... 1300

Температура, °С

Атмосферного воздуха........................................................ 16—24

Воды на входе в градирню.................................................. 44—64

Воды на выходе из градирни............................................... 28—40

Степень испарения воды, % от циркуляционного расхода 1,5—3,5 Относительная влажность атмосферного воздуха, % . . 40—70

Количество испаренной воды определяли расчетным путем из уравнений теплового и материального балансов. Из рис. VI. 18 следует, что по испарительной способности инжекционная гра­дирня имеет характеристики, аналогичные показателям градирен других известных типов.

Как установлено при испытаниях иижекциониой градирни, несмотря на высокий коэффициент инжекции воздуха, концентра­ция NH3 в воде цикла после градирни при температуре окружа­ющего воздуха 4 °С составляет около 0,2%, а при 25 °С — 0,15%. По-видимому, существенным фактором, определяющим количество растворенного NH3, является присутствие в сточной воде при­меси С02.

При создании внутреннего водооборотного цикла (наряду с испарением сточной воды и утилизацией при этом низкопотен­циального тепла) важнейшая задача — предотвращение потерь примесей CO(NH2)2 и NH3. Для достижения этой цели необходимо, чтобы: а) не было брызгоуноса; б) часть воды из циркуляцион­ного контура (в виде раствора карбамида и аммиака) поступала в систему рекуперации непрореагировавшего сырья, например, в зону абсорбции — конденсации газов дистилляции; в) не про­исходила отдувка NH3 из сточных вод инжектируемым воздухом.

Судя по разработкам Запорожского филиала НИИОГАЗ и дру­гих организаций, современная техника располагает доступными средствами практически полного устранения брызгоуноса. При отсутствии брызгоуноса карбамид будет целиком утилизирован, если из циркуляционного контура градирни отводить часть по-

£С. В

Тока дрец = qc - „ —, где qc_ в — количество свежих сточных

К

£С. В

Вод, поступающих в цикл, т/ч; —^------------ соотношение концентра-

К

Ций карбамида соответственно в потоке свежих сточных вод и циркуляционном контуре. Обсуждаемые результаты испытаний инжекционной градирни позволяют также сформулировать усло­вия предотвращения отдувки NH3 воздухом.

За счет передачи из циркуляционного контура в зону абсорб­ции—конденсации газов дистилляции части водного потока ути­лизируется содержащийся в свежих сточных водах NH3 в коли­честве ^сцСш-із. где Cnh, — концентрация NH3 в воде циркуля­ционного контура, % (масс.). С учетом этого из материального баланса цикла следует, что при отсутствии брызгоуноса отдувки NH3 воздухом не произойдет, если C'rni., будет составлять (в за­висимости от температуры воздуха) 0,15—0,20%, a Cnh,, ^

^peu^NH, гт

С J--------- Поскольку величину <7.,с„ можно варьировать в огра-

Чс. в

Ничейных пределах (чтобы не превысить экономически приемле­мый рецикл воды в системе синтез-дистилляции), допустимую концентрацию Cnh, следует поддерживать за счет соответству­ющей глубины предварительной десорбции NH:, из свежих сточ­ных вод перед подачей их в цикл. Процесс эффективной десорб­ции NH3 из сточных вод давно освоен на действующих предприя­тиях [2, 38] и никаких сложностей не представляет.

Испытания инжекционной градирни показали, что благодаря простоте конструкции эксплуатация ее не вызывает каких-либо затруднений. В связи с этим для ряда цехов карбамида ведется проектирование промышленных мнжекционных градирен с гидрав­лической нагрузкой 750—1000 м3/ч.

Принципиальная технологическая схема внутреннего водообо - ротного цикла с инжекционной градирней приведена на рис. VI. 19.

Ликвидация сточных вод путем испарения в градирнях

Рис. VI. I9. Схема внутреннего водооборотного цикла:

/ — насос; 2 — тепловая нагрузка; 3 — теплообменник; 4 — форсунка; 5 — корпус градирни; (> — калорифер; 7 — регулирующий клапан; 8 — вентилятор; 9 — тепловая нагрузка внешнего водооборотиого цикла; Р — регулятор; ИУ — измеритель уровня.

Воду с давлением 0,8—1,0 МПа насосом 1 подают на форсунки 4 градирни 5. Через окна в градирню инжектируется атмосферный воздух, который затем, после насыщения парами воды, выбра­сывается в атмосферу. Охлажденную воду из резервуара градирни подают к технологическим аппаратам цикла для снятия избыточ­ного тепла. В качестве тепловой нагрузки 2 могут служить тепло­обменники ряда узлов: промывной колонны, сжижения рецирку­лируемого аммиака, абсорбции газов дистилляции низкого дав­ления, выпарки и др. Нагретая вода вновь поступает в контур градирни. Взамен испаренной воды в цикл вводят поток сточных вод после предварительной десорбции аммиака. Во избежание накопления карбамида в воде цикла и с целью утилизации при­месей CO(NH2)2 и NH3 предусмотрено выведение части жидкост­ного потока в зону абсорбции-конденсации газов дистилляции.

Для исключения возможности снижения испарительной спо­собности градирни (например, в зимний период, в связи с пони­женным теплосодержанием воздуха) предусматривается [73 ] по­догрев воздуха в калорифере 6 за счет охлаждения оборотной воды из внешнего водооборотного цикла с тепловой нагрузкой 9. Дру­гой вариант заключается в использовании имеющихся ресурсов низкопотенциального тепла (пара вторичного вскипания, парового конденсата и т. п.) для дополнительного подогрева воды перед градирней в теплообменнике 3. Поддержание суммарной тепловой нагрузки градирни на постоянном уровне служит гарантией стабилизации степени испарения сточных вод независимо от ко­лебаний параметров атмосферного воздуха и прочих факторов.

Организация в цехе карбамида внутреннего водооборотного цикла с инжекционной градирней позволяет полностью ликвиди­ровать сточные воды, сократить потребление оборотной воды из внешнего цикла, а также утилизировать примеси сырья и целе­вого продукта, содержащиеся в сточных водах. Удельный, в рас­чете на 1 т карбамида, экономический эффект составляет 0,35— 0,5 руб/т.

Недавно появилось сообщение [74 ] о том, что специалисты фирмы «Кооперейтив Фарм Кемиклз» на промышленном агрегате производства карбамида мощностью 600 т/сутки внедрили уста­новку для ликвидации сточных вод путем их испарения по сле­дующей технологической схеме. Насыщенный водяным паром поток С0.2 с температурой 102 °С и под избыточным давлением 41,4 кПа подают в нижнюю часть колонны, которую орошают циркулирующей в замкнутом контуре водой с температурой 38 °С. Из колонны выводят охлажденный до 38 °С и частично обезвоженный поток С02, который далее используют для синтеза карбамида, и нагретый до 96 °С поток воды. Эта горячая вода служит теплоносителем в змеевиках с воздушным охлаждением, на наружную поверхность которых разбрызгивают содержащие карбамид сточные воды. Путем многократной циркуляции сточ­ных вод в этом контуре их упаривают, концентрацию карбамида 240 повышают примерно в 40 раз и часть раствора целевого продукта возвращают в технологический цикл.

Температура циркулирующего потока воды на выходе из змеевикового теплообменника составляет 66 °С. Этот поток до­полнительно охлаждают оборотной водой до 38 °С и вновь подают в колонну на контактирование с влажным горячим потоком С02. Часть воды, конденсирующейся в зоне обезвоживания С02, отво­дят на установку водной отмывки С02 из конвертированного газа.

Важное достоинство этого способа — рекуперация содержа­щегося в сточных водах карбамида и утилизация низкопотенциаль­ной теплоты конденсации влаги, удаляемой из С02, для упарива­ния сточных вод. Однако по сравнению с инжекционной градир­ней использование змеевиковых оросительных теплообменников с воздушным охлаждением имеет существенные недостатки: необходимость применения вентиляторов, эксплуатируемых в усло­виях влажной, коррозионноактивной среды, сложности органи­зации брызгоотделения и защиты узла испарения сточных вод от ветра и др.

В заключение необходимо подчеркнуть, что в настоящее время принципиально решены вопросы ликвидации всех выбросов NH3 и CO(NH2)2. Совокупное применение изложенных методов и средств для устранения потерь аммиака и карбамида из всех име­ющихся в производстве карбамида источников позволит пере­вести агрегаты синтеза карбамида на безвыбросную технологию.

ТЕХНОЛОГИЯ КАРБАМИДА

Потенциальные возможности снижения энергозатрат

Авторы [3] проанализировали принципиальные воз­можности повышения энергетического к. п. д. каждой из основ­ных стадий процесса производства карбамида и оценили расчет­ным путем, как эти возможности реализуются в современных энерготехнологических схемах, а …

Синтез карбамида на основе оксида углерода

Для промышленного производства карбамида при­меняется только синтез из NH3 и С02 по реакции Базарова. Од­нако, существует множество принципиально иных методов полу­чения карбамида. Основная часть их не имеет какого-либо прак­тического значения, …

Технические средства снижения энергозатрат

Усовершенствования отдельных стадий процесса, направленные на экономию знергоресурсов Для снижения (вплоть до полной ликвидации) нагрузки углекислотного компрессора поток свежего С02 сжижают за счет испарения жидкого аммиака, либо частично (10—100%) вводят …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.