Закономерности окислительно-адсорбционного процесса очистки газов от сероводорода на активных углях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.13, кандидат технических наук Расембуаринирина Аллис Аминах

• Расембуаринирина Аллис Аминах
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Расембуаринирина Аллис Аминах

Введение

Глава I. Очистка природных и технологических газов от сернистых соединений с помощью твердых сорбентов 7 1.1. Адсорбционные методы очистки природного газа от сернистых соединений

1.2 Хемосорбционные методы

1.2.1 Очистка газов с использованием хемосорбентов на основе оксидов железа

1.2.2 Очистка газов с использованием хемосорбентов на основе оксида цинка

1.2.3 Очистка газов с использованием хемосорбентов на основе оксидов меди

1.2.4 Хемосорбенты на основе оксидов молибдена

1.3 Окислительные методы

1.3.1. Методы очистки с использованием твердого окислителя.

1.3.2. Каталитические окислительные методы с использованием окислителя, добавляемого в очищаемый газ

1.3.2.1. Каталитическое окисление сероводорода на активных углях 27 1.3.2.2 Методы изучения реакции окисления Нг8 на активных углях и исследования её механизма

1.3.2.3 Побочные окислительные процессы, протекающие в ходе прямого окисления сероводорода на активных углях

Глава II. Экспериментальная часть

2.1 Цели и задачи эксперимента

2.2 Объекты исследования

2.3 Описание экспериментальной установки

2.4 Методики проведения эксперимента

2.4.1 Изучение кинетики окисления сероводорода в безградиентном реакторе (на зерне)

2.4.2 Проведение эксперимента по изучению кинетики окисления сероводорода в интегральном реакторе (в слое) 68 2.4.3. Проведение эксперимента по изучению кинетики восстановления серной кислоты сероводородом на АУ

2.5. Аналитические методы, используемые в эксперименте

2.5.1 Определение содержания сероводорода в газе

2.5.2 Определение содержания сернистого ангидрида в газе

2.5.3 Определение содержания серной кислоты в активном угле

2.5.4 Определение содержания серы в активном угле

Глава III. Изучение кинетики окисления сероводорода на зерне АУ

Глава IV. Изучение кинетики восстановления серной кислоты сероводородом на АУ

Глава V. Исследование взаимодействия сероводорода с кислородом в слое АУ

Глава VI. Исследование активных углей, выпускаемых в России, в процессе очистки газов от сероводорода

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Закономерности окислительно-адсорбционного процесса очистки газов от сероводорода на активных углях»

За последние 20 лет мировое потребление энергии увеличилось на 38%, природного газа - на 50%, нефти - на 12% и угля - на 28%.

Даже в условиях жёсткой конкуренции энергоносителей роль газа, как наиболее экологически чистого вида топлива, заметно возрастает и, по прогнозам экспертов, его доля в энергобалансе мира к середине 21 века может составить 28 - 30%.

В топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) России доля природного газа составляет 50%. Прогнозируется увеличение её в 2010 г до 58%.

Для России, имеющей 33% разведанных запасов и свыше 40% прогнозных ресурсов газа планеты (мировые доказанные запасы природного газа составляют более 148 трлн м ), газ является не просто очередным эффективным энергоресурсом, а важнейшим средством решения многих сложных социальных и экономических проблем.

В настоящее время 66% добываемого в России природного газа потребляется внутри страны, 20% экспортируется в страны Центральной, Юго-восточной и западной Европы, 14% - в страны СНГ и Балтии.

Газовая промышленность России, в которой трудится лишь 0,4% занятых в народном хозяйстве, даёт 6% валового продукта производства (ВПП). Она стала ключевой в решении широкого спектра наиболее острых стратегических задач социально-экономического развития России.

Новые сферы применения природного газа открываются в сфере ряда технологических процессов, в частности это касается, чёрной и цветной металлургии, а также в сельскохозяйственном производстве и коммунально-бытовом секторе, в строительной индустрии.

Использование природного газа на транспорте даёт возможность существенно снизить вредное воздействие техники на окружающую среду.

Заложенные природой в этот вид топлива высокие физико-химические и антидетонационные свойства позволяют заменять им высокооктановые бензины и снижать выбросы до значений, указанных в действующих в развитых странах нормативах.

Многие природные газы в своём составе содержат сернистые компоненты. Среди сернистых компонентов чаше всего встречаются H2S, меркаптаны RHS, серооксид углерода COS, сероуглерод CS2, сульфиды RSR.

Сернистые соединения отравляют катализаторы в процессах переработки газа. При сгорании они образуют оксиды серы, содержание которых в воздушном бассейне опасно для человека и окружающей среды.

Требования к газу, подаваемому потребителям, по содержанию сернистых компонентов постоянно растут. Допускается содержание H2S в

3 3 природном газе не более 5,7 мг/м , общей серы - не более 50 мг/м . С ужесточением норм по охране окружающей среды и всё большим использованием газа в качестве технологического и химического сырья необходимо практически полное извлечение сернистых компонентов из газа.

В настоящее время добыча сероводородсодержащего природного газа в странах СНГ составляет около 10% всего объёма потребляемого газа. При этом содержание сероводорода в газах колеблется в широких пределах - от нескольких долей до десятков процентов. Такой газ перед подачей потребителю подвергают очистке.

Окислительно-адсорбционный процесс очистки газов известен с 20-х годов и широко применяется в промышленности. В то же время количество научных статей и патентов, посвященных различным аспектам этого процесса, практически не сокращается. Это является свидетельством того, что с одной стороны, этот процесс представляет интерес для промышленности и является перспективным, с другой стороны, что процесс изучен недостаточно полно и возникает целый ряд проблем при его 6 реализации для решения которых проводятся новые научно-исследовательские работы.

Целью данной работы является исследование одного из технологических процессов очистки природного газа от сернистых соединений - процесса окислительно-адсорбционной очистки на активных углях (АУ).

Заключение диссертации по теме «Нефтехимия», Расембуаринирина Аллис Аминах

ВЫВОДЫ

1. Проведены систематические исследования реакций, проходящих при каталитическом окислении сероводорода на активных углях, направленные на совершенствование технологии и улучшение работы установок очистки газовых сред окислительно — адсорбционным методом.

2. Разработана методика испытания АУ, позволяющая измерять основные эксплуатационные характеристики образцов АУ (предельная сероёмкость, длина зоны массопередачи, селективность). Методика рекомендуется для прогнозирования поведения различных марок АУ в процессах очистки и регенерации.

3. Проведено кинетическое исследование закономерности окисления Н28 кислородом на зерне АУ, позволившее рассчитывать динамику сорбции Н28 в слое АУ в зависимости от начальной концентрации Н28, температуры и линейной скорости очищаемого газового потока. Установлена количественная зависимость скорости этой реакции от содержания адсорбированной серы на поверхности угля. Экспериментальные данные обобщены в виде кинетических уравнений. Рассчитана энергия активации изучаемой реакции.

4. Изучена динамика сорбции Н28 в слое АУ различных марок и распределение продуктов окисления Н28 (сера и серная кислота) вдоль слоя АУ в зависимости от времени работы слоя.

5. Определено "время защитного действия " (время до проскока) слоя различных марок АУ по Н28 и 802. Построены выходные кривые по этим соединениям. Установлено, что лимитирующей стадией процесса является проскок 802.

6. Изучена кинетика восстановления Н280д адсорбированной на АУ, что позволяет управлять этим процессом, варьируя концентрацию Н28 и

121 температуру. Оптимальное значение этих параметров подбирается в зависимости от каталитических свойств используемого АУ, прежде всего, в зависимости от его селективности в реакции окисления НгБ, а так же от выбранной циклограммы работы установки очистки газов от НгЭ.

7. Полученная в процессе выполнения работы, информация использована для разработки регламента на проектирование установки очистки хвостовых газов установок Клауса для Астраханского ГПЗ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Расембуаринирина Аллис Аминах, 2000 год

1. Путилов A.B., Кудрявцев С.П., Петрухин Н.В. Адсорбционно каталитические методы очистки газовых сред в химической технологии.— М.: Химия, 1989, 48с.

2. Марголис JI. Я. Окисление углеводородов на гетерогенных катализаторах.— М.: Химия, 1977, 302с.

3. Коуль А.Л., Резенфельд Ф.С. Очистка газа .— М.: Недра, 1963.

4. Tanada S., Boki К,— Chem. Pharm. Bull.— 1974,— 22,— №11.— р. 2703.

5. Жукова 3. А., Кельцев Н. В.— ЖФХ,— 1970.— 44.— № 8,— с. 2067.

6. Chang W. Chi, Lee А. Hanju.—J. Chem. Eng. Symp.Ser.—1973,— 69,— № 134 .—p. 55.

7. Кемпбел Д. M. Очистка и переработка природных газов.— М.: Недра, 1977.

8. Lorenz V., James W.— Oil and Gas J.— 71,— № 22,— p.,74.

9. Cines M. R. e. a.— Chem. Eng. Proc.— 1976,— 72,— № 8,— p. 89.

10. Burkert J., Busch M., Hedden K., Rao R.— GWF. — Gas und Wasserfach. Ausgabe: Gas/Erdgas — 1984,— 125,— № 4,—p. 202.

11. Hedden K., Schnurer P.— Treib Forschung.— 1967.— № 413.— p. 5.

12. Кузьменко H. M., Афанасьев Ю. M., Захарова E. E. Очистка природного газа от серооксида углерода. Обзорн. информ. Сер. XM-I4.— М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1990.

13. Кузьменко Н. М., Афанасьев Ю. М., Фролов Г. С. Очистка природного газа от сернистых соединений. Обзорн- информ. Сер. ХМ-14.— ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1980.

14. Egger К,— Gae-Wasser-Abwaseer.— 1984,— 64,— № 7,— р. 485-489.

15. Bureau А. С. и др.— Chem. Eng.— 1967.— № march.— р. 55-62.

16. Фурмер Ю. В. и др.— Хим. пром.—1982.—№ 4.— с. 219.

17. CarnellР., Starkey Ph.— Chem. Eng.—1984—№ 408 —р. 30.

18. Заявка № 95101390/25 (Россия), МКИ6 В 01 J 20/06/ Красий Б. В., Рабинович I JL, Сорокин И. И., Запряголов Ю. Б., Емельянова Ю. И., Жарков Б. Б.; Заявл. 01/02/95; опубл. 27/12/97. Бюл. № 36.

19. Михалева Э.И. и др.— Хим. пром.— 1986.— №4.— с. 35.

20. А. С. № 801858 (СССР), 1982.

21. Tamhankar S.S., Wen C.Y— 1983—№ 223—p. 255.

22. Заявка № 3434528 (ФРГ), 1984.

23. MaTSuda Sh. и др.— Ind. Chem. Fundam —1982,— 21 — № 1,—p. 18.

24. Жарков Ю.М. Моделирование физико-химических процессов нефтепереработки и нефтехимии. М.: Химия, 1978, 374с.

25. Мухиндинов Р.Х., Самойлов H.A.— Пром. и сан. очистка газов .—1981 .—№ 1-е. 13-14.

26. Патент № 4053574 (США), 1977.

27. Патент № 4552734 (США), 1985.

28. Щукин Е.Д., Бессонов А.И., Паранский С.А. Механические испытания катализаторов и сорбентов.— М.: Наука, 1971.

29. S. Savin J. В. Nougayrede 99,9 % overall sulphure covery with a new version of sulfureen process .— Intern. Gas Research Conf.— 1995.

30. Авгуль H.H. и др.— ЖФХ,— 1956,— 30,—с. 2106.

31. Дубинин М.М.— ЖФХ,— 1965,— 38,— с. 1305.

32. Дубинин М.М. Юбилейный сборник АН СССР,— 1947,— т.1— с. 562.

33. Дубинин М.М. Вестн. АН СССР.— 1949,— № 3.— с. 19.

34. Дубинин М.М.— Усп. химии.— 1955.— 24.— с.З.

35. Puri В. R., Kumar В., Karla К. С. Oxidation of H2S.— Indian J. Chem.— 1976— 9 — № sept—pp. 970-972.

36. Siedlewski J. Механизм каталитического окисления на активном угле .— Roczniki Chem — 1964 — 38 — с. 1151 -1160.

37. Г. Шарло Методы аналитической химии. М.— JL: Химия, 1966, 801с.

38. Verver А. В., Van Swaai W. P. M.— Modelling of Gas-so-lid Thickle Flow Reactor for the Catalytic Oxidation of H2S to Elemental Sulphur .— J. Chem. Eng. Symp. Ser— 1984 —№ 87,—pp. 233-239.

39. Cariaso О. C., Walker P.L. Oxidation of H2S over Microporous Carbons.— Carbon— 1975— 13— pp. 233-239.

40. Steijns M., Mars P.— The Role of Sulphur Trapped in Mocropores in the Catalytic Partial Oxidation of H2S with Oxygen.— J. Catalysis.— 1975. 35. -pp. 11-17.

41. Лазарев В.И., Лыков О. П., Федорова Р. И., и др. Кинетика восстановления серной кислоты, адсорбированной на активном угле.— ЖПХ.— 1999 г.— т. 72 .— №6,— с. 914-916.

42. Патент № 3632314 (США), 1969.

43. Лазарев В.И. и др. Тез.докл. Всерос. конф. "Химия, технология и экология переработки природного газа".— М.: 1996.— с. 83.

44. Лазарев В.И. и др., там же, с. 84.

45. Голянд С. М., Крапивина Т. К., Лазарев В.И. ЖФХ,— 36,— № 6. -1962.-с. 1320.

46. Лазарев В.И. и др. Труды ВНИИГАЗ. 1979. - № 5. - с. 46.

47. Кельцев Н. В. и др.— Хим. волокна.— 1970.— № 1.— с. 37.

48. Лазарев В.И. и др.— Пром. и сан. очистка газов.—1973.— № 2.— с. 11.

49. Лазарев В.И. и др., там же.—1973.— № 5.— с. 18.

50. Астахов В. А. и др.— ЖПХ,— 1974,— 47,— № 2,— с. 2723.

51. Лазарев В.И. , Чиненная С. К., Островская А. Д. Термическая регенерация активного угля, насыщенного элементарной серой.— Пром. и сан. очистка газов. 1974. - № 5. - с. 15-17.

52. Лазарев В.И., Кисаров В. М., Ясикова Л. А. Адсорбция паров серы на активном угле АГ-5,— ЖПХ.— 1977,— 50,— с. 2723 2368.

53. А. С. № 644067 (СССР), 1978.

54. А.С. № 778754 (СССР), 1980. Способ очистки углеводородных газов, содержащих тяжелые углеводороды, от сероводорода. Лазарев В. И., Афанасьев Ю. М., Фролов Г. С. и др. Зарегистр. 10.07.80.

55. Патент № 4109892 С2 (ФРГ), 1994.

56. Патент № 2040464 (Россия), 1995.

57. Набоков С. В. Очистка малосернистых газов и газов малых месторождений от сернистых соединений. Сб. научн. труд. Этапы развития газоперерабатывающей подотрасли. М.: ВНИИГАЗ.— 1998.— с. 120 129.

58. Dalrlympe D.A. et al. Gas Industry Assesses New Ways to Remove Small Amounts ofH2S. Oil and Gas J.— 1994.— 92,— № 21,— pp. 54-58.

59. Swain Ed. J.— US Refmeiy-Sulfur Production Peaked in 1998,— Oil and Gas J.— 1999,— 97,— № 10,— pp. 77-79.

60. Патент № 5494869 (США), 1996.

61. Лыков О. П. и др. Изучение кинетики реакции окисления сероводорода кислородом на активном угле. Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса Россия. Тез. докл. 3-ей научно-техн. конф.—М.: 1999,—с. 97-98.

62. Knott D. Gas-to-Liquids Projects Gaining Momentum as Process List Grows.— Oil and Gas J—1997— 95,—№25— p. 18-21.

63. Knott D. Gas-to-Liquids Rete to Passage. Oil and Gas J — 1997 — 95,— №30 — p. 35.

64. Боресков Г.Г. Катализ. 4. 1 и 2. 2. Новосибирск, 1971.

65. Кинетика и катализ.— 1962.— №4.— с. 3.

66. Puri B.R., Kumar G. and Kalra K.C. Studies in Catalytic Reactions of Carbon: Part IV- Oxidation of Hydrogen Sulphide.— Indian J. Chem.— 1971.— № 9 — p.970.

67. Иоффе И.И., Письмен JI.M. Инженерная химия гетерогенного катализа.— М.: Химия, 1965.

68. Умлер С.Б., Катализ, вопросы теории и методы исследования.— Изд. И.Л., 1965.

69. Steijns М. and Mars P. The Role of Sulfur Trapped in Micropores in the Catalytic Partial Oxidation of Hydrogen Sulfide with Oxygen. J.— Catalysis.— 1974— №35—p. 11-17.

70. Menon P.G. and Sreeramamurhy R. Temerature Profiles in a Rapidly Fouling Catalyst Bed.— J.Catalysis.—1967 — № 8,—p. 95-97.

71. Puri B.R., Sandle N.K. and Mahajan O.P.— J.Chem. Soc.— 1963,— 4880.

72. Scott W.W. Stanard methods of chemical analysis.— D. VanNostrand Co. Inc., New York, 1948, 906p.

73. Puri B.R., Bansal R.C.— Carbon.— 1966— № 3,— p. 533.

74. Puri B.R., Jain C.M. and Hazra R.S.— J.Chem. Soc.—1966,— № 43 — p.554.

75. Sreeramamurthy R. and Menon P.G. Oxidation of H2S on Active Carbon Catalyst.— J.Catalysis —1975,— № 37,—p. 287 296.

76. Menon P.G., Sreeramamurthy R., Murthy P.S.— Chem.Eng.Sci.— 1972,— №27,—p.641.

77. Лепинь Л.К.— Усп. химии,— 1940,— 9,— с. 553.

78. Рубинштейн А.М., Клуашко-Гурвич А.Л.— Кинетика, и катализ.— 1962—№ 5 — с.523.

79. Davies R.G.— Chem. Ind. London —1952,— p. 160.

80. Hassler J.W. Activated Carbon.— Chem. Publ. New york.— 1963, p. 212.

81. Kuczynski W., Andrzejak A., Wesolowski J., Fiedorow R., Dzeiewanowska.— Ind. Chem. Eng.—1964,—№4.—p. 413.

82. Лазарев В. И. и др. Изучение кинетики взаимодействия углерода и серной кислоты, образующейся на активном угле при очистке хвостовых газов Клауса. Тез. докл. Всерос. научно-техн. конф.— М.: 1996.— с. 83-84.

83. Menon P.G., Prasad J.— J.Catalysis.—1970—№ 17,—p. 234.

84. Voorhies A.— Ind. Eng. Chem —1945,—№ 37—p. 318.

85. Blanding F.H.— Ind. Eng. Chem.—1953— № 45.—p. 1184.

86. Van ZoonenD.— Proc. Int. Congr. Catal—№ 3 — 1964 — p.1319.

87. Froment G. andBishoffK.B.— Chem. Eng. Sci —1961—№16.—p. 189.

88. Otake Т.О., Tone S., Yokota Y., Yoshimura K.— J.Chem. Eng. Jap.— 1971 —№4—p.155.

89. Tushar K., and Tollefson E.L.— A Continuous Process for Recovery of Sulfur from Natural Gas Containing Low Concentrations of Hydrogen Sulfide.— Can. J. Chem. Eng.— 1986 — № 64 —p.960-968.

90. Cariasco O.C., Walker P.L.— Oxidation of Hydrogen Sulfide Over Microporous Carbons.— Carbon.— 1975,—№13.— p.233-239.

91. Goskun I. M.Sc.Thesis Chem. and Petrol. Eng. Depart.— University of Calgary.— Calgary.— Alberta.— Canada.— 1977.

92. Goskun I. Tollefson E.L. Oxidation of Low Concentration of Hydrogen Sulfide Over Activated Carbon.— Can. J. Chem. Eng.— 1983,— 58 —p. 72-76.

93. Ghosh Т.К. M.Sc.— Thesis. Chem. and Petrol. Eng. Depart.— University of Calgary.— Calgary.— Alberta.— Canada.— 1985.

94. Ghosh Т.К., Tollefson E.L. Catalytic Oxidation of Low Concentrations of Hydrogen Sulfide. Paper presented at the Meeting of the Canadian Gas Processors Assotiation, March 14, 1985.

95. Iwasawa Y., Ogasawara S. Catalytic Oxidation of Hydrogen Sulfide on Polynaphtoquinone.— J. Catalysis.—1977—№46,—p. 132-142.

96. Steijins M., Mars P. Catalytic Oxydation of Hydrogen Sulfide. Influence of Pore Structure and Chemical Composition of Various Porous Substances.— Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev.— 1977,—№ 16(1) —p. 35-41.

97. Rozwadowski M., Siedlewski J. Wplyw charaktera kwasowo-zasadowego tlenkow powierzchniowych na zdolnosci sorpcyjne wegli aktywowanych. Chemia Stosowana —1970 — XIV,— № ЗА — p.333.

98. Давтян O.K., Овчинникова E.H.— ДАН СССР,—1955 — № 104,— p.857.

99. Siedlewski J., Studia Tow.— Naukowego w Toruniu — Sec.B.— 3 .— nr 5.

100. Давтян O.K., Ткач Ю.А.— ЖФХ —1961,—№ 35,— p.992.

101. Ткач Ю.А., Давтян O.K.— ЖФХ.—1961 — №35.—p.2727.

102. Siedlewski J. Roczniki Chem.—1964 — № 40 —p.87.

103. Siedlewski J. Roczniki Chem. 1964,— 38.— 1539; Intern. Chem. Eng.—1965,— № 5 — p.297.

104. Siedlewski J. Roczniki Chem.—1964,— № 39,—p.263; Intern. Chem. Eng.—1965 — № 5 — p.608.

105. Hartman M., Polek J.R., Goughlin R.W. Paper presented at A.I.Ch.E Meeting.— Washington. D.C.—1969.— November 16-20.

106. Zentgraf K.M. Mitt. VGB.—1969,—№ 49, Heft 1, February.

107. Заявка № 4109892 (ФРГ), МКИ5 С 01 В 17/04, В 01 D 53/04, Lell R., Rolke P., Cornel P., Stetrer K., Neroth G., Metallges.— Заявл. 26. 01. 92, опубл. 1. 10. 92.

108. Патент № 3632314 (США), МКИ5 С 01 В 17/04, Regeneration of Sulfuric Acid Laden Activated Carbon. Torrence S. L., Charleston S.C.— Заявл. 10. 03. 1970, опубл. 4. 01.72.