Технологический расчет абсорбера для очистки углеводородного газа от сероводорода регенерированным

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

Таблица 2 - Расчет состава неочищенного газа

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

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

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

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

Таблица 7 - Поправки на давление для энтальпии плотных газов и жидкостей

Количество тепла, приносимого газовым сырьем:

Таблица 8 - Расчет энтальпии для очищенного газа

Таблица 9 - Псевдокритические параметры и фактор ацентричности очищенного газа

, (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

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

Таблица 12 - Расчет констант химического равновесия

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

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

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)

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

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

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

Таблица 19 - Техническая характеристика двухпоточной тарелки типа ТКП (по ОСТ 26-02-1401-76)

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.

10. Чернышев А.К., Поплавский К.Л., Заичко Н.Д. Сборник номограмм для химико-технологических расчетов. - Л.: Химия, 1969.