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):
,
и
- содержание кислых компонентов в газовом сырье, % об.
Количество раствора ДЭА в единицу времени находим из графика:
, тогда количество раствора ДЭА, циркулирующего в системе абсорбер – десорбер,
– плотность 18-%-ного водного раствора ДЭА при температуре входа в аппарат
.
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
|
, мольн. 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
1,0
|
0,04770294
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 - Расчет состава неочищенного газа
Компонент
|
Мольная масса
|
Количество
,
|
Содержание
, мольн. доли
|
|
Количество
, кг/ч
|
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
1,000
|
Количество метана и этана, растворившихся в единицу времени в воде, содержащейся в водном растворе ДЭА
,
,
где
и
- растворимость метана и этана в воде при температуре t и нормальном давлении,
, - объемный расход воды в водном растворе ДЭА, t – температура, при которой происходит растворение (принимаем t =
).
,
*
,
*
.
Расходы метана, этана и сероводорода в очищенном газе равны:
(
=0,15% об. - содержание
в очищенном газе, не более).
Остальной расчет состава очищенного газа приведен в таблице 3.
Таблица 3 - Расчет состава очищенного газа
Компонент
|
Мольная масса
|
Количество
,
|
Содержание
, мольн. доли
|
|
Количество
, кг/ч
|
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, выделяемого при абсорбции компонентов, кВт.
Количество тепла, вносимого в аппарат газовым сырьем при температуре
.
Расчет энтальпии
идеального газа представлен в табл. 5.
Таблица 5 - Расчет энтальпии
для неочищенного газа
Компонент
|
Содержание
, масс. доли
|
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
1,000
|
|
|
|
|
|
536,8
|
R = 8,315
– универсальная газовая постоянная; - псевдокритическая температура, К;
- средняя мольная масса неочищенного газа; - поправки на давление для энтальпии; - фактор ацентричности смеси. Определяются в зависимости от приведенных давления
и температуры
, вычисляемых по формулам:
- псевдокритическое давление, Па.
- критические давления (Па) и температуры (К) для компонентов смеси
- фактор ацентричности i-го компонента.
Расчет псевдокритических параметров и фактора ацентричности приведен в таблице 6. Данные для расчета
, - в таблице 7.
Таблица 6 - Псевдокритические параметры и фактор ацентричности неочищенного газа
Компонент
|
Содержание
, мольн. доли
|
, МПа
|
, К
|
|
, МПа
|
, К
|
|
|
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
для очищенного газа
Компонент
|
Содержание
, масс. доли
|
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
, мольн. доли
|
МПа
|
, К
|
|
, МПа
|
, К
|
|
|
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
|
,
(по данным из табл. 7).
Так как остаточное содержание
невелико,
можно принять равной энтальпии 18%-го водного раствора ДЭА; тогда
теплоемкость водного раствора ДЭА,
.
При
.
Рассчитываем количество тепла, выделяемого в единицу времени при абсорбции
в 18%-ном водном растворе ДЭА (теплом, выделяющимся при абсорбции
и
, пренебрегаем в силу его незначительности):
,
- теплота хемосорбции
, кДж/кг.
,
- теплота хемосорбции сероводорода,
- доля сероводорода в смеси кислых компонентов, в данном случае
.
.
Расход тепла
с насыщенным абсорбентом вычисляется на основе теплового баланса абсорбера, представленного в таблице 10.
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
пересчитываем
.
Найденная и принятая величины совпадают с точностью до 0,19%.
Химический состав насыщенного абсорбента.
- давление в аппарате, МПа,
- общее число молей реагирующей смеси,
- разность чисел молей продуктов и исходных реагентов.
Константа химического равновесия связана с изменением стандартного изобарного потенциала:
Где
– изменение стандартного изобарного потенциала для j-й реакции (j = 1, 2), кДж/моль; R = 8,315
газовая постоянная температура реакции, К.
Рассчитываем изменение изобарного потенциала реакции:
, где
- изменение энтальпии образования, кДж/моль;
- изменение энтропии реакции,
.
– суммы энтальпий образований исходных веществ и продуктов реакции, кДж/моль; - суммы энтропий исходных веществ и продуктов реакции,
,
- количество молей вещества. Значения энтальпий образования и энтропий веществ приведены в таблице 11. Расчет констант химического равновесия – в таблице 12.
Таблица 11 - Стандартные энтальпии
образования и энтропии
при температуре t = 25
Элемент, соединение, ион
|
, кДж/моль
|
, Дж/(моль*К)
|
Элемент, соединение, ион
|
, кДж/моль
|
, Дж/(моль*К)
|
|
-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
|
, кДж/моль
|
,
|
, кДж/моль
|
|
|
|
22,965
|
-0,184
|
82,8
|
-0,013
|
0,971
|
|
-21,981
|
-0,350
|
91,8
|
-0,015
|
0,447
|
Обозначим число киломолей
и
, полученных по реакциям 1 – 2, через
и
и проведем расчет равновесного превращения по схемам, представленным в таблице 13.
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
и
.
,
Для получения
в количестве
кмоль/ч необходимо знать количество прореагировавших веществ.
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
, растворенное в насыщенном абсорбенте, равно:
Расчет состава насыщенного абсорбента, выводимого из аппарата, приведен в таблице 14.
Таблица 14 - Расчет состава насыщенного абсорбента
Компонент
|
Мольная масса
|
Количество
|
Содержание
|
|
, кг/ч
|
, кмоль/ч
|
, масс. доли
|
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:
, где
L – расход насыщенного абсорбента из аппарата, кг/с;
- плотность насыщенного абсорбента, ;
– коэффициент для клапанных тарелок; С = 480 – коэффициент для абсорберов при расстоянии между тарелками, равном 0,6 м; G – расход газового сырья в аппарат, кг/с;
- плотность газового сырья, .
Расход насыщенного абсорбента:
.
Плотность насыщенного водного раствора ДЭА при температуре
находим по содержанию в нем ДЭА:
Расход газового сырья в аппарат:
Рассчитываем плотность газового сырья при температуре
и давлении
:
Тогда диаметр абсорбера:
Предварительно принимаем
. Правильность данного значения диаметра аппарата будет уточнена в ходе расчетов.
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.
- коэффициент сопротивления сухой тарелки, при полностью открытых клапанах равный 3,63; - скорость газа в отверстии под клапаном, м/с;
- высота сливной перегородки, м;
- подпор жидкости над сливной перегородкой, м; – сопротивление, связанное с действием сил поверхностного натяжения, Па.
Скорость газа в отверстиях тарелки:
где
– площадь прохода паров, м2.
(
- доля живого сечения тарелки;
– рабочая площадь тарелки,.
Параметры двухпоточной клапанной тарелки диаметром
представлены в таблице 15.
Таблица 15 - Техническая характеристика двухпоточной тарелки типа ТКП (по ОСТ 26-02-1401-76)
Диаметр абсорбера
, м
|
3,4
|
Свободное сечение абсорбера , м2
|
9,08
|
Шифр тарелки
|
Б
|
Рабочая площадь тарелки
, м2
|
7,11
|
Периметр слива В, м
|
4,08
|
Площадь слива , м2
|
0,89
|
Длина пути жидкости
, м
|
1,00
|
Доля живого сечения тарелки
при шаге между рядами отверстий
|
0,129
|
Межтарельчатое расстояние
, м
|
0,60
|
Число рядов клапанов на поток
|
13
|
Общая масса тарелки, кг, не более
|
680
|
Высоту сливной перегородки
принимаем равной 0,04 м.
Определяем подпор жидкости над сливной перегородкой:
,
- удельная жидкостная нагрузка
32 мм.
Для клапанных тарелок
должно быть не менее 13 мм, иначе наблюдается явление конусообразования (отталкивания жидкости от отверстий). Так как
, конусообразования происходить не будет.
Рассчитываем сопротивление, связанное с действием сил поверхностного натяжения жидкости:
где
- поверхностное натяжение насыщенного 17% водного раствора ДЭА при температуре 52℃.
- эквивалентный гидравлический диаметр щели под клапаном,
- высота поднятия клапана.
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
условие отсутствия провала жидкости выполняется.
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
над слоем светлой жидкости
рассчитывается по формуле:
,
где
, В, С – коэффициенты, равные для клапанной тарелки: А = 59,5, В = 2,2, С = 1,74; - приведенная скорость газа, м/с;
- поверхностное натяжение насыщенного 17% водного раствора ДЭА при температуре 52℃.
Приведенная скорость газа (скорость, отнесенная к рабочей площади
тарелки):
Полученная высота пены
является допустимой при расстоянии между тарелками 0,6 м.
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;
- комплекс, рассчитываемый по формуле:
.
Унос жидкости
не превышает допустимой величины
.
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
- коэффициент сопротивления для клапанных тарелок;
- длина пути жидкости на тарелке, м; - эквивалентный диаметр потока вспененной жидкости, м; - условная скорость пены на тарелке, м/с.
Рассчитываем коэффициент сопротивления для клапанных тарелок (по формуле для колпачковых тарелок):
,
где
– глубина барботажа, м;
- критерий Рейнольдса.
Глубина барботажа равна:
Критерий Рейнольдса:
где
- кинематическая вязкость жидкости с нижней тарелки, м2/с.
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
- динамическая вязкость насыщенного раствора ДЭА.
.
Данное значение
допустимо для длины пути жидкости
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;
- высота слоя пены в сливном устройстве, м.
где = 760 Па – общее сопротивление нижней клапанной тарелки аппарата; - потеря давления жидкости при ее протекании через сливное устройство, Па.
где
– коэффициент сопротивления; - скорость жидкости в сечении между нижним обрезом сливной перегородки и тарелкой, м/с, равная:
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
; принимаем а = 0,027 м.
Высоту пены в сливном устройстве примем равной высоте пены на тарелке,
Тогда условие отсутствия захлебывания выполняется.
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
- высота верхней камеры;
- высота части аппарата, занятой тарелками;
- высота нижней камеры.
. (Принимаем).
где
- число рабочих тарелок.
Число рабочих тарелок равно:
,
где
- число теоретических тарелок, η – коэффициент полезного действия тарелки.
Применим в абсорбере клапанные тарелки, к.п.д. которых при хемосорбции
и
находятся в пределах 10
. Учитывая, что
отсутствует, примем η = 35%.
Рассчитываем число теоретических тарелок, необходимое для обеспечения заданного коэффициента извлечения
в абсорбере при постоянном среднем коэффициенте его извлечения на каждой тарелке:
,
где
– коэффициент извлечения
в абсорбере;
- средний коэффициент извлечения
на тарелках.
Коэффициент извлечения
в абсорбере равен:
.
Рассчитываем средний коэффициент извлечения на тарелках:
где
- коэффициент массопередачи при хемосорбции, м/ч; а – удельная поверхность контакта фаз,
– высота газожидкостного слоя, м; - приведенная скорость газа при рабочих условиях в нижней части аппарата, м/с.
Коэффициент массопередачи при хемосорбции рассчитывается через коэффициенты массоотдачи при физической абсорбции по формуле:
– коэффициенты массотдачи в газовой и жидкой фазах, м/ч;
- константа фазового равновесия при физической абсорбции с поправкой на ионную силу раствора, полученного в результате хемосорбции.
Коэффициент массоотдачи в газовой фазе:
- коэффициент массоотдачи в газовой фазе, отнесенный к единице рабочей площади
тарелки.
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
тарелки.
Находим:
(А = 240, m = 0,35, n = 0.58 – коэффициенты,
Найдем константу фазового равновесия с поправкой на ионную силу раствора ДЭА:
,
где
– константа фазового равновесия для
;
,
и
- поправочные коэффициенты на присутствие отрицательных, положительных ионов и растворенного газа;
,
- количества положительных и отрицательных ионов; С – концентрация абсорбента, кмоль/м3.
Константу фазового равновесия
рассчитаем по формуле:
где
- константа фазового равновесия для водного раствора
при температуре
;
и
- средняя мольная масса и плотность абсорбента в нижней части аппарата; T = 52 + 273 = 325 К – абсолютная температура газа.
.
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
|
|
|
|
2
|
|
0,2
|
|
|
|
|
3
|
|
0,05
|
|
|
|
|
|
0,2
|
|
|
Рассчитываем концентрацию абсорбента:
Тогда
Коэффициент массопередачи равен:
Рассчитываем удельную поверхность контакта для клапанных тарелок:
,
где
– критерий Вебера;
- газосодержание;
,
- вязкость водного раствора ДЭА и воды при 52℃; Fr – критерий Фруда, рассчитываемый по приведенной скорости газа:
0,25
Критерий Вебера:
Рассчитываем газосодержание:
Тогда удельная поверхность контакта будет равна:
Число теоретических тарелок:
Число рабочих тарелок:
.
Рабочая высота абсорбера равна:
Расчет диаметров штуцеров аппарата.
Внутренние диаметры штуцеров аппарата рассчитываются по формуле:
,
где
– объемные расходы соответствующих потоков, м3/с;
- скорости соответствующих потоков, м/с.
,
где
- абсолютные плотности соответствующих потоков, кг/ м3 (плотности очищенного газа и регенерированного раствора ДЭА рассчитываются аналогично плотностям очищенного газа и насыщенного раствора ДЭА).
Для получения значения оптимального диаметра трубопровода принимаем
в зависимости от типа перекачиваемой среды.
Расчет оптимальных диаметров приведен в таблице 17.
Таблица 17 - Расчет оптимального диаметра штуцеров аппарата
Поток
|
Тип перекачиваемой среды
|
, кг/с
|
, кг/ м3
|
м3/с
|
, м/с
|
Расчетное значение диаметра штуцера , мм
|
Принимаемое значение
и толщины стенки
, мм
|
, м/с
|
Неочищенный газ,
|
Газ при большом давлении
|
77,8
|
34,8
|
2,215
|
17
|
404
|
426
|
17,3
|
Регенерированный раствор ДЭА,
|
Жидкость нормальной вязкости, перекачиваемая насосом
|
41,8
|
1006
|
0,042
|
2
|
164
|
194
|
1,6
|
Очищенный газ, V
|
Газ при большом давлении
|
76,6
|
34,6
|
2,214
|
17
|
404
|
426
|
17,3
|
Насыщенный раствор ДЭА,
|
Жидкость нормальной вязкости, перекачиваемая насосом
|
43,0
|
999,5
|
0,043
|
2
|
164
|
194
|
1,6
|
Заключение
В курсовом проекте был проведен технологический расчет абсорбера для очистки углеводородного газа от сероводорода регенерированным водным раствором диэтаноламина (ДЭА). В результате расчета выбран колонный аппарат ККП (с клапанными тарелками) даметром 3,4 м, работающий под давлением 4 МПа. Исполнение - цельносварное Техническая характеристика выбранного аппарата приведена в таблице 18. Техническая характеристика выбранного типа тарелок приведена в таблице 19.
Таблица 18 - Техническая характеристика абсорбера
Внутренний диаметр , м
|
3,4
|
Высота, м
|
10,4
|
Давление в аппарате, МПа
|
4
|
Число рабочих тарелок
|
15
|
Размеры штуцеров:
|
|
- для ввода газового сырья
|
426
|
- для ввода регенерированного раствора ДЭА
|
194
|
- для вывода очищенного газа
|
426
|
- для вывода насыщенного раствора ДЭА
|
194
|
Поступающий на очистку газ:
|
|
расход, м3/ч
|
280000
|
содержание
, об. доли
|
0,01
|
Содержание
в очищенном газе, об. доли, не более
|
0,001
|
Температура поступающего раствора, ℃
|
40
|
Температура уходящего раствора, ℃
|
52
|
Состав регенерированного раствора ДЭА:
|
|
|
0,8199
|
ДЭА
|
0,18
|
|
0,0001
|
Расход, м3/м3 газа
|
0,019
|
Таблица 19 - Техническая характеристика двухпоточной тарелки типа ТКП (по ОСТ 26-02-1401-76)
Диаметр абсорбера
, м
|
3,418
|
Свободное сечение абсорбера , м2
|
9,08
|
Шифр тарелки
|
Б
|
Рабочая площадь тарелки
, м2
|
7,11
|
Периметр слива В, м
|
4,08
|
Площадь слива , м2
|
0,89
|
Длина пути жидкости
, м
|
1,00
|
Доля живого сечения тарелки
при шаге между рядами отверстий
|
0,129
|
Межтарельчатое расстояние
, м
|
0,60
|
Число рядов клапанов на поток
|
13
|
Общая масса тарелки, кг, не более
|
680
|
Зазор под сливной перегородкой а, м
|
0,027
|
Площадь прохода газа, м2
|
0,917
|
КПД тарелки
|
0,35
|
Список литературы
1. Гайле А.А., Пекаревский Б.В. Расчет ректификационных колонн: учебное пособие. - СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2007.
2. Кузнецов А.А., Судаков Е.Н. Расчеты основных процессов и аппаратов переработки углеводородных газов: Справочное пособие. – М.: Химия, 1983.
3. Мурин И.В., Кисленко Н.Н., Сурков Ю.В. Технология переработки природного газа и конденсата: Справочник. - ч. 2. - М.: Изд-во «Недра», 2002.
4. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И. Дытнерского, 3-е изд., стереотипное. – М.: ООО ИД «Альянс», 2007.
5. Рамм В.М. Абсорбция газов. - 2-е изд. - М.: Химия, 1976.
6. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: Справочник/ Под ред. Е.Н. Судакова. - 3-е изд. - М.: Химия, 1979.
7. Справочник нефтепереработчика/ Под ред. Г.А. Ластовкина, Е.Д. Радченко и М.Г. Рудина. – Л.: Химия, 1986.
8. Справочник химика: в 6 т. – т. 1. / Под ред. Зониса С.А., Симонова Г.А., изд. 2, перераб. и доп. – Л.: Изд-во «Химия», 1966.
9. Фролов В.Ф. Лекции по курсу «Процессы и аппараты химической технологии». – 2-е изд., испр. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2008.
|