Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 31
|
Введение
Углеводородные нефтяные и природные газы могут содержать в качестве нежелательных примесей кислые компоненты (сероводород, углекислый газ), а также сероорганические соединения (сероуглерод, меркаптаны, тиофены). Для удаления этих компонентов применяют абсорбционные процессы, основанные на избирательном поглощении целевого компонента из газовой смеси жидким поглотителем в процессе их контактирования. В зависимости от типа взаимодействия нежелательных примесей с растворителем различают процессы химической и физической абсорбции. В первом случае очистка происходит за счет химической реакции нежелательных соединений с растворителями. В качестве абсорбентов применяют растворы алканоламинов (моноэтаноламина – МЭА; ДЭА; дигликольамина и др.) при физической абсорбции нежелательные соединения в составе газовой смеси взаимодействуют с жидкими неорганическими (вода) или органическими (пропиленкарбонат, диметиловый эфир N- метилпирролидона и др.) растворителями и поглощаются ими. Выбор способа очистки определяется выбором растворителя. Абсорбционные аппараты по способу создания развитой поверхности контакта фаз между очищаемым газовым сырьем и жидким поглотителем подразделяют на насадочные, тарельчатые, пленочные и распылительные. В насадочных аппаратах, наиболее распространенных в промышленности, она создается при обволакивании слоем жидкого абсорбента насадки (кольца Рашига, Палля, хордовые насадки, проволочные, седлообразные и др.). Поток газа непрерывно контактирует с пленкой жидкости. В тарельчатых аппаратах на некотором расстоянии друг от друга размещают перфорированные тарелки (колпачковые, ситчатые, клапанные), на которых с помощью сливных порогов поддерживается слой жидкости. Через него барботирует газ, в результате чего обеспечивается необходимая поверхность контакта фаз. В пленочных абсорберах поглотитель распределяется по поверхности труб (пленочные абсорберы трубчатого типа) или прямоугольных вертикальных листов (пленочные абсорберы с плоскими поверхностями), а газовый поток проходит через трубное пространство или зазорах между параллельными листами. В распылительных абсорберах большая величина поверхности контакта фаз достигается распылением жидкости в газовом потоке. Для очистки углеводородных газов применяют колонные аппараты тарельчатого и насадочного типа. В курсовом проекте требуется рассчитать абсорбер для очистки углеводородного газа от сероводорода регенерированным водным раствором диэтаноламина (ДЭА) производительность по газовому сырью 280000 м3/ч. Расчет включает в себя: составление материального и теплового баланса абсорбера, определение химического состава насыщенного абсорбента, предварительный расчет диаметра абсорбера, расчет работоспособности тарелок, расчет высоты абсорбера и диаметров штуцеров аппарата. 1. Материальный баланс абсорбера
Рис. 1 Суммарное содержание кислых компонентов (рис. 1): Количество раствора ДЭА в единицу времени находим из графика: Расчет мольного состава регенерированного раствора ДЭА и состава неочищенного газа приведен в таблицах 1 и 2. Таблица 1 - Расчет мольного состава регенерированного раствора ДЭА Компонент Мольная масса Количество Содержание , масс. доли 18,0 123477 6860 0,8199 0,96367 0,046 ДЭА 105,0 27108 258,2 0,18 0,03627 0,0017 34,0 15 0,4 0,0001 0,000056 2,94*10-6 Σ 150600 7118,6 1,0000 0,999996 0,04770294 Таблица 2 - Расчет состава неочищенного газа Компонент Мольная масса Количество Содержание Количество Содержание масс. доли 16 210000 0,75 12 150000 0,5372 30 28000 0,1 3 37500 0,1343 44 22400 0,08 3,52 44000 0,1576 58 16800 0,06 3,48 43500 0,1558 34 2800 0,01 0,34 4250 0,0152 Σ 280000 1,00 22,34 279250 1,0001 Количество метана и этана, растворившихся в единицу времени в воде, содержащейся в водном растворе ДЭА где Расходы метана, этана и сероводорода в очищенном газе равны: ( Остальной расчет состава очищенного газа приведен в таблице 3. Таблица 3 - Расчет состава очищенного газа Компонент Мольная масса Количество Содержание Количество Содержание масс. доли 16 209997,45 0,7576 12,12 149998,2 0,5459 30 27996,86 0,1010 3,03 37495,8 0,1365 44 22400 0,0808 3,56 44000 0,1604 58 16800 0,0606 3,51 43500 0,1581 34 4,2 0,0000152 0,00052 6,4 0,000023 Σ 277198,5 1,0000152 22,2 275000 1,000923 Расход газов, поглощенных раствором ДЭА: Расход насыщенного кислыми компонентами водного раствора ДЭА: Сводные данные по материальному балансу абсорбера представлены в таблице 4. Таблица 4 - Материальный баланс абсорбера Поток, поступающий в абсорбер (рис. 1) Количество, кг/ч Поток, выводимый из абсорбера (рис. 1) Количество, кг/ч Неочищенный газ, 279250 Очищенный газ, V 275000 Регенерированный раствор ДЭА, 150600 Насыщенный раствор ДЭА, 154850 Σ 429850 Σ 429850 Тепловой баланс абсорбера. Уравнение теплового баланса абсорбера: Здесь Q - количество тепла соответствующего материального потока, кДж, Количество тепла, вносимого в аппарат газовым сырьем при температуре Расчет энтальпии Таблица 5 - Расчет энтальпии Компонент Содержание Коэффициенты в формуле для расчета энтальпии идеального газа Энтальпии, кДж/кг А В С D 0,5372 154,15 15,12 0,0519 56,62 650,3 349,3 0,1343 58,65 23,63 0,4139 56,15 445,7 59,9 0,1576 33,65 26,31 0,5380 35,58 390,9 61,6 0,1558 34,72 26,08 0,5455 39,22 393,4 61,3 0,0152 87,27 2,54 0,0128 26,12 306,8 4,7 Σ 1,0001 536,8 R = 8,315 - псевдокритическое давление, Па. Расчет псевдокритических параметров и фактора ацентричности приведен в таблице 6. Данные для расчета Таблица 6 - Псевдокритические параметры и фактор ацентричности неочищенного газа Компонент Содержание , МПа 0,75 4.605 190.55 0.0104 3.4538 142.91 0.00780 0,1 4.875 305.43 0.0986 0.4875 30.54 0.00986 0,08 4.248 369.82 0.1524 0.3398 29.59 0.01219 0,06 3.795 425.16 0.2010 0.2277 25.51 0.01206 0,01 9.000 373.6 0.1000 0.0900 3.74 0.00100 Σ 1,00 4.6 232.29 0.04291 Таблица 7 - Поправки на давление для энтальпии плотных газов и жидкостей 0,8 1,0 0,8 1,0 1,3 2,09 2,76 1,3 0,55 0,71 1,4 1,76 2,26 1,4 0,34 0,42 Количество тепла, приносимого газовым сырьем: Таблица 8 - Расчет энтальпии Компонент Содержание Коэффициенты в формуле для расчета энтальпии идеального газа Энтальпии, кДж/кг А В С D 0,5459 154,15 15,12 0,0519 56,62 650,3 355 0,1365 58,65 23,63 0,4139 56,15 445,7 60.84 0,1604 33,65 26,31 0,5380 35,58 390,9 62.7 0,1581 34,72 26,08 0,5455 39,22 393,4 62.2 0,000023 87,27 2,54 0,0128 26,12 306,8 0.0071 Σ 1,000923 540.75 Таблица 9 - Псевдокритические параметры и фактор ацентричности очищенного газа Компонент Содержание МПа , МПа 0,7576 4.605 190.55 0.0104 3.4887 144.36 0.0079 0,1010 4.875 305.43 0.0986 0.4924 30.85 0.01 0,0808 4.248 369.82 0.1524 0.3432 29.88 0.0123 0,0606 3.795 425.16 0.2010 0.2300 25.76 0.0122 0,0000152 9.000 373.6 0.1000 0.000137 0.0057 0.000002 Σ 1,00 4.55 230.86 0.0424 Так как остаточное содержание теплоемкость водного раствора ДЭА, При Рассчитываем количество тепла, выделяемого в единицу времени при абсорбции - теплота хемосорбции сероводорода, Расход тепла Таблица 10 - Тепловой баланс абсорбера Обозначение потока Количество, кг/ч Температура, Энтальпия, кДж/кг Количество тепла, кВт Приход 279250 40 349,8 27206,7 150600 40 152,8 6392 4250 1905 2248,7 Σ 35847,4 Расход 275000 40 354,55 27300 154850 Σ 35847,4 Для учета зависимости теплоемкости насыщенного абсорбента от температуры примем значение температуры насыщенного абсорбента на 12 градусов выше температуры регенерированного раствора: Теплоемкость при данной температуре Найденная и принятая величины совпадают с точностью до 0,19%. Химический состав насыщенного абсорбента. Константа химического равновесия связана с изменением стандартного изобарного потенциала: Где Рассчитываем изменение изобарного потенциала реакции: – суммы энтальпий образований исходных веществ и продуктов реакции, кДж/моль; - суммы энтропий исходных веществ и продуктов реакции, Таблица 11 - Стандартные энтальпии Элемент, соединение, ион Элемент, соединение, ион -20.160 205.776 -51.036 219.592 -17.668 -61.126 -156.499 999.306 S 2.805 22.190 -310.193 2020.802 46.221 192.630 -176.167 938.181 -46.221 192.630 Таблица 12 - Расчет констант химического равновесия Реакция 22,965 -0,184 82,8 -0,013 0,971 -21,981 -0,350 91,8 -0,015 0,447 Обозначим число киломолей Таблица 13 - Расчет равновесного превращения Реакция Число киломолей 3 2 в исходной смеси в равновесной смеси, всего в равновесной смеси, 2 Разность чисел киломолей -2 0 Тогда выражения для расчета констант химического равновесия реакций 1 – 2 будут выглядеть следующим образом: Методом подбора определяем Для получения Определяем количество исходного сероводорода: По реакции 1 прореагировали вещества в количествах: Получено по реакции 1: или После реакции 1 в насыщенном абсорбенте остаются непрореагировавшими: Определяем количество исходного: По реакции 2 прореагировали вещества в количествах: Получено по реакции 2: После реакции 1 в насыщенном абсорбенте остаются непрореагировавшими: С учетом содержания остаточного сероводорода в поступающем в аппарат абсорбенте количество Расчет состава насыщенного абсорбента, выводимого из аппарата, приведен в таблице 14. Таблица 14 - Расчет состава насыщенного абсорбента Компонент Мольная масса Количество Содержание мольн. доли 105 26283 250,3 0,169732 0,034593 3,63 18 123477 6859,8 0,797400 0,948062 17,07 34 4067,8 119,6 0,026269 0,016529 0,56 244 548,2 2,25 0,003540 0,000311 0,08 139 467,6 3,36 0,003020 0,000464 0,06 16 1,8 0,113 0,000012 0,000016 0,0003 30 4,2 0,14 0,000027 0,000019 0,0006 Σ 154850 7235,6 1,000000 0,999994 21,42 Диаметр абсорбера. Диаметр абсорбера в наиболее нагруженном нижнем его сечении рассчитываем по формуле: L – расход насыщенного абсорбента из аппарата, кг/с; Расход насыщенного абсорбента: Плотность насыщенного водного раствора ДЭА при температуре Расход газового сырья в аппарат: Рассчитываем плотность газового сырья при температуре Тогда диаметр абсорбера: Предварительно принимаем Расчет работоспособности клапанных тарелок. Работоспособность наиболее нагруженной по газу и жидкости нижней тарелки абсорбера определяется необходимыми значениями следующих показателей: - сопротивление тарелки потоку газа; - скорость газа в отверстиях тарелки; - отсутствие провала жидкости; - высота слоя пены на тарелке; - унос жидкости; - градиент уровня жидкости на тарелке; - отсутствие захлебывания. Сопротивление тарелки потоку газа. Рассчитываем сопротивление клапанной тарелки потоку газа. Для клапанной тарелки оно должно находиться в пределах 450 – 800 Па. Скорость газа в отверстиях тарелки: где ( Параметры двухпоточной клапанной тарелки диаметром Таблица 15 - Техническая характеристика двухпоточной тарелки типа ТКП (по ОСТ 26-02-1401-76) Диаметр абсорбера 3,4 Свободное сечение абсорбера , м2 9,08 Шифр тарелки Б Рабочая площадь тарелки 7,11 Периметр слива В, м 4,08 Площадь слива , м2 0,89 Длина пути жидкости 1,00 Доля живого сечения тарелки 0,129 Межтарельчатое расстояние 0,60 Число рядов клапанов на поток 13 Общая масса тарелки, кг, не более 680 Высоту сливной перегородки Определяем подпор жидкости над сливной перегородкой: Для клапанных тарелок Рассчитываем сопротивление, связанное с действием сил поверхностного натяжения жидкости: где Тогда сопротивление клапанной тарелки потоку газа будет равно: Значение сопротивления выбранного типа тарелок не выходит за пределы допустимых значений для клапанных тарелок (450 Скорость газа в отверстиях тарелки. Рассчитываем массу цилиндрического столбика жидкости над клапаном: диаметр клапана. Площадь клапана, на которую действует давление газа (для упрощения принимаем ее равной площади отверстия под клапаном): Рассчитываем скорость газа: условие открытия клапана на орошаемой жидкостью тарелке выполняется. (Поток газа в отверстии над клапаном должен иметь скорость для того, чтобы поднять клапан и столбик жидкости над ним. После поднятия клапана в отверстии устанавливается скорость ). Отсутствие провала жидкости. Для того, чтобы не происходило утечки (провала) жидкости на нижележащие тарелки через отверстия под клапанами, необходимо, чтобы фактическая скорость газа в отверстиях была больше минимальной необходимой для отсутствия провала жидкости скорости, Рассчитываем минимальную допустимую скорость газа в отверстиях клапанной тарелки: где Q – коэффициент, зависящий от длины пути жидкости и в данном случае равный 0,16 (для Объемный расход газа на нижней границе эффективной работы тарелки: Условие выполняется. Минимальная нагрузка по пару в устойчивом режиме работы: Условие выполняется. Высота слоя пены на тарелке. Высота слоя пены где Приведенная скорость газа (скорость, отнесенная к рабочей площади Полученная высота пены Унос жидкости. Допустимая величина межтарельчатого уноса: Рассчитываем величину удельного уноса жидкости с наиболее нагруженных нижних тарелок аппарата: где D, α – коэффициенты, для клапанных тарелок D = 1.72, α = 1.38; Унос жидкости Объемный расход жидкости с учетом уноса: Градиент уровня жидкости на тарелке. На клапанных тарелках с перекрестным током вследствие гидравлического сопротивления при течении жидкости в сторону переливного порога уровень жидкости на стороне ее входа будет больше на величину гидравлического градиента, рассчитываемого по формуле: где Рассчитываем коэффициент сопротивления для клапанных тарелок (по формуле для колпачковых тарелок): где Глубина барботажа равна: Критерий Рейнольдса: где Условная скорость пены на тарелке: где - средняя линейная плотность орошения, м2/с, - средняя ширина потока при движении жидкости по тарелке (n – число потоков). Рассчитываем условную скорость пены: Эквивалентный диаметр потока вспененной жидкости: Кинематическая вязкость насыщенного раствора ДЭА при содержании ДЭА, равном 17% масс, составляет Данное значение Отсутствие захлебывания. Захлебывание представляет собой нарушение нормального перетока жидкости с тарелки на тарелку в результате переполнения переточного устройства. Условие отсутствия захлебывания: где - высота уровня вспененной жидкости в устройстве, равная Здесь - высота светлой жидкости в сливном устройстве м; где = 760 Па – общее сопротивление нижней клапанной тарелки аппарата; - потеря давления жидкости при ее протекании через сливное устройство, Па. где площадь сечения между нижним обрезом сливной перегородки и тарелкой (поперечное сечение зазора). Здесь а – зазор под сливным стаканом, который для обеспечения гидрозатвора должен быть меньше Высоту пены в сливном устройстве примем равной высоте пены на тарелке, В результате расчета работоспособности наиболее нагруженной по газу и жидкости нижней тарелки абсорбера была подтверждена правильность выбора диаметра аппарата равным 2. Высота абсорбера
Рабочая высота абсорбера равна, м: где где Число рабочих тарелок равно: где Применим в абсорбере клапанные тарелки, к.п.д. которых при хемосорбции Рассчитываем число теоретических тарелок, необходимое для обеспечения заданного коэффициента извлечения где Коэффициент извлечения Рассчитываем средний коэффициент извлечения на тарелках: где Коэффициент массопередачи при хемосорбции рассчитывается через коэффициенты массоотдачи при физической абсорбции по формуле: Коэффициент массоотдачи в газовой фазе: - коэффициент массоотдачи в газовой фазе, отнесенный к единице рабочей площади Находим: (А = 41700, m = 1, n = 0.5 – коэффициенты, Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе равен: - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, отнесенный к единице рабочей площади Находим: (А = 240, m = 0,35, n = 0.58 – коэффициенты, Найдем константу фазового равновесия с поправкой на ионную силу раствора ДЭА: где Константу фазового равновесия где В водном растворе ДЭА в результате хемосорбции содержатся следующие положительные и отрицательные ионы: Поправочные коэффициенты и заряды ионов приведены в таблице 16. Таблица 16 - Поправочные коэффициенты Ион, молекула Ион-аналог Число ионов Поправочный коэффициент 3 0,07
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||