Определение оптимального режима получения активированного угля из скорлупы косточек фруктов для очистки алканоламинов

АННОТАЦИЯ

В статье приводятся результаты исследования по определению оптимального режима процесса получения активированного угля из скорлупы косточек фруктов. Изучена условия процессов карбонизации и активации скорлупы урюковых и персиковых косточек, определяя насыпной плотности, зольности и адсорбционной активности полученного продукта по каждому температурному режиму. На основе полученных результатов экспериментов составлены соответствующие номограммы

ABSTRACT

The article presents the results of a study to determine the optimal mode of the process of obtaining activated carbon from the shell of fruit seeds. The conditions of the processes of carbonization and activation of the shell of apricot and peach seeds were studied, determining the bulk density, ash content and adsorption activity of the resulting product for each temperature regime. Based on the obtained experimental results, the corresponding nomograms were compiled.

Ключевые слова: алканоламин, активированный уголь, скорлупы косточек, карбонизация, активация, насыпная плотность, зольность, адсорбционная активность.

Keywords: alkanolamine, activated carbon, bone shells, carbonation, activation, bulk density, ash content, adsorption activity.

Введение. В последние годы в Узбекистане интенсивно наращивается добыча природного газа и газового конденсата. На газоперерабатывающих заводах Республики для очистки природного газа от кислых компонентов широко применяется абсорбционный метод очистки с использованием различных аминовых растворов, таких как моноэтаноламин (МЭА), диэтаноламин (ДЭА) и метилдиэтаноламин (МДЭА). Надо учитывать, что эти алканоламины не производятся в Республике. По информации АО «Узбекнефтегаз» для очистки природного газа в 2018 году импортировано 312 тонн ДЭА и 3522 тонн МДЭА стоимостью соответственно 1780 и 1950 доллар США за тонну.

Использование аминовых растворов в процессах очистки газов имеет ряд недостатков, основным из которых является вспенивание абсорбента, а в ряде случаев – уменьшение с течением времени его поглотительной способности [1]. Вспенивание приводит к нарушению режима работы установок, ухудшению качества очищенного газа и как следствие этого, к необходимости снижения производительности сорбционной системе, следовательно, при вспенивании возрастают потери дорогостоящих аминов в результате уноса с газом [2].

Причины возникновения вспенивание могут быть следующие [3]: повышение температурного режима в системе; поступление на установку различных ингибиторов, используемых при добыче газа; разложение аминов под воздействием высоких температур; накопление в аминовых растворах продуктов процесса гидратации; попадание в абсорбер осмоленных углеводородов в виде капель; наличие в составе газе минерализованной водных дисперсии на входе в абсорбер; вход в систему кислых компонентов.

Для регенерации и предотвращения вспенивания использованных растворов алканоламинов они очищаются методом адсорбции с использованием активированного угля. На установках аминовой очистки природного газа от кислых компонентов газоперерабатывающих заводах Республики для адсорбционной очистки регенерированных аминовых растворов применяются активированные угли: марки АГ-3 (Россия), HX-30 (Китай). Потребность по этим углям в Узбекистане составляет около 300 т/год. Эти активированные угли не производятся в Республике и импортируются за валюту стоимостью 2500-3000 долларов США за тонну, соответственно. Наряду с этим на фруктоперерабатывающих предприятиях Республики ежегодно образуются значительные массы около 2000-8000 тонн в год отходов переработки плодов урюка и персиков. Согласно литературным данным [4,5], названные отходы могут служить хорошим сырьем для получения активированного угля.

Учитывая вышеизложенного в настоящей работе ставилась цель – исследование оптимального режима получения активированного угля из скорлупы косточек фруктов для очистки аминовых растворов.

Объекты и методы исследования. В качестве объекта исследования были использованы скорлупы косточек урюка и персика.

С целью импортозамещения для адсорбционной очистки регенерированных аминовых растворов собрана лабораторная установка для получения активированного угля на основе местного бросового сырья – скорлупы косточек урюка и персика (рис. 1).

Рисунок 1. Лабораторная установка получения активированного угля из скорлупы косточек фруктов:

1 – емкость для воды; 2 – манометр (образцовый); 3 – медный капилляр; 4 – парогенератор; 5 – печь карбонизации и активации; 6 – латоры; 7 – милливольтметры; 8 – холодильник; 9 – приемник; 10 – газовый счетчик; 11 – стабилизатор давления; 12 – карман термопары

В ходе исследований была произведена карбонизация скорлупы косточек урюка и персика в лабораторном трубчатом реакторе емкостью 0,25 м³ с электрическим обогревом без доступа воздуха. Температуру в реакторе контролировали с помощью термопары и потенциометра. Переработке подвергали фракции 0,2-5,0 мм и высушенных при 110°С до постоянной массы. После загрузки подсушенных гранул верхняя часть реактора герметично закрывалась, а нижняя имела трубчатый отвод для вывода смолообразных и газообразных продуктов термического пиролиза. Процесс карбонизации проводили при температуре 400-800°С. Скорость подъема температуры составляла 7-10°С в минуту. Процесс активации карбонизата проводили в том же реакторе с помощью водяного пара. Нагрев образца проводили до конечной температуры активации, которая находилась в интервале 800-850°С.

Результаты исследований. В ходе исследования получены образцы активированных углей из скорлупы косточек урюка (далее АУ-КУ) и скорлупы косточек персика (далее АУ-КП). Для определения оптимального режима процесса получения активированного угля, измеряли насыпной плотности, зольности и адсорбционной активности полученных целевых продуктов для каждого температурного режима. Получены следующие результаты (табл. 1-4).  

Таблица 1.

Условия карбонизации скорлупы урюковых косточек

(Предварительный вес сырья 1000 г., скорость подъема температуры 7-10°С в минуту)

Таблица 2.

Условия активации урюкового карбонизата

(для всех температурных режимах время продолжения процесса 120 мин.)

Таблица 3.

Условия карбонизации скорлупы персиковых косточек

(Предварительный вес сырья 1000 г., скорость подъема температуры 7-10°С в минуту)

Таблица 4.

Условия активации персикового карбонизата

(для всех температурных режимах время продолжения процесса 120 мин.)

На основе полученных результатов экспериментов составлены соответствующие номограммы (рис. 2 и 3). 

Рисунок 2. Зависимость зольности активированных углей АУ-КУ и АУ-КП от их температуры активации 

Рисунок 3. Зависимость насыпной плотности активированных углей АУ-КУ и АУ-КП от их температуры активации

Заключение

Из результатов, приведенных в таблицах 1-4 и рисунках 2-3 видно, что с повышением температуры процессов карбонизации и активации соответственно в интервале 400-800ºС и 800-950ºС увеличиваются сорбционная емкость и зольность активированных углей, но насыпная плотность их уменьшается. Надо учитывать, что для очистки отработанных алканоламинов требуются активированные угли с высокой насыпной плотностью и сорбционной активностью, а также уменьшенной зольностью. Исходя из этих требований и на основе результатах экспериментальных исследований установлено, что оптимальными условиями карбонизации косточкового сырья являются температура 800°С, продолжительность процесса 1 ч, а активация карбонизатов происходит при температуре 850°С, продолжительность процесса 2 ч.

Список литературы:

1. Патент РФ № 2464073, B01D53/96. Способ регенерации насыщенных аминовых растворов / Широкова Г.С., Елистратов М.В. Подача заявки: 2011-03-15, публикация патента: 20.10.2012.
2. Стрижов И.Н. Добыча газа. – Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. – 376 с.
3. Патент РФ № 2198722 – Способ предотвращения пенообразования аминовых растворов / Лыкова Л.Ф., Пестовников О.Д., Прохоров Е.М., Тараканов Г.В., Чудиевич Д.А. Подача заявки: 08.06.2001, публикация патента: 20.02.2003.
4. Weltia N., Bondar-Kunzea E., Singerb G., Tritthartd M., Zechmeister-Boltensterne S., Heina T., Pinay G. Large-scale controls on potential respiration and denitrification in riverinefloodplains // ELSEVIER. – 2012, Marth. – P. 73-84.
5. Ansaa E.D.O., Lubberdingb H.J., Ampofoa J.A., Amegbea G.B., Gijzenb H.J. Attachment of faecal coliform and macro-invertebrate activity in the removal of faecal coliform in domestic wastewater treatment pond systems // ELSEVIER. – 2012, Marth. – Р. 35-41.