3 Расчеты технологического оборудования

3.1 Технологический расчет абсорбционной колонны

3.1.1 Цель расчета

Целью расчета является определение диаметра, высоты абсорбера и работоспособности тарелок.

3.1.2 Исходные данные

Поглотитель – раствор МЭА в воде:

• концентрация МЭА в водном растворе – 15% масс;

• температура МЭА: t^рег_МЭА= 45⁰С t^нас_МЭА= 60⁰С;

• температура ВСГ: t_г = 50⁰С t⁰_г = 55⁰С;

• расход водосодержащего газа (ВСГ) при нормальных условиях:

V_с = 120000м³/ч;

- содержание сероводорода в газе:

начальное: 3,34 % масс;

конечное: 0,0001 % масс;

• давление в колонне: Р = 4 МПа.

Состав газового сырья в абсорбере приведен в таблице 3.1.1. Состав регенерированного водного раствора МЭА приведен в таблице 3.1.2.

Расчет ведем согласно [5].

В абсорбере протекает реакция следующего вида:

Н₂S + RNH₂  HS^- + RNH₃

3.1.3 Определение материального баланса абсорбера

Схема для расчета материального баланса абсорбера приведена на рисунке 3.1.1. Количество раствора МЭА, циркулирующего в системе в единицу времени, определяется в зависимости от расхода сырья и суммарного содержания кислых компонентов

,

где и - содержание кислых компонентов в газовом сырье % (об).

Количество раствора МЭА в единицу времени найдем из графика [5 стр.8] равным V_р = 50м³/ч.

Водород и этан (относительно пропана и бутана) могут в заметных количествах растворяться в воде, содержащейся в водном растворе МЭА. Количество водорода и этана, растворившихся в единицу времени, равны:

,

где и – растворимость водорода и этана в воде при темпе-ратуре t и нормальном давлении, м³/м³

м³/ч – объёмный расход воды в водном растворе МЭА;

м³/ч  1 м³/ч

м³/ч

Расходы водорода, этана, двуокиси углерода и сероводорода в очищенном газе равны:

м³/ч

м³/ч

м³/ч

м³/ч

где об.доли и об.доли – содержание диоксида углерода и сероводорода в очищенном газе.

Расчет состава очищенного газа приведен в таблице 3.1.3.

Тогда

кг/ч

здесь _p – плотность 15%-го водного раствора МЭА при температуре t_p = 60⁰C.

Расчет мольного состава регенерированного раствора МЭА приведен в таблице 3.1.2, расчет неочищенного газа – в таблице 3.1.1.

Таблица 3.1.1 Расчет состава неочищенного газа.

Ком-понент	Мольная масса Мi	Количе-ство м3/ч	Содержание мольн.доли		Количество кг/ч	Содержание масс.доли
Н2	2	93600	0,78	1,56	8357	0,1468
С2Н6	30	8760	0,073	2,9	11732	0,2061
С3Н8	44	6312	0,0526	2,314	12399	0,2177
С4Н10	58	6360	0,053	3,074	16468	0,2892
H2S	34	4008	0,0334	1,1356	6084	0,1068
СO2	44	960	0,008	0,352	1886	0,0331
Σ	-	120000	1,0000	10,63	56926	1,0000

Таблица 3.1.2 Расчет мольного состава регенерированного раствора МЭА

Компо-нент	Мольная масса Мi	Количество		Содержание
		gi , кг/ч	кМоль/ч	масс.доли	мольн.доли
H2O	18,0	42065	2337	0,8498	0,9504	17,1
МЭА	61,1	7425	122	0,1500	0,0496	3,03
H2S	34,0	5	0,15	0,0001	0,0001	0,00
CO2	44,0	5	0,11	0,0001	0,0001	0,00
Σ	-	49500	2459	1,0000	≈1,0000	20,2

Таблица 3.1.3 Расчет состава очищенного газа.

Ком-понент	Мольная масса Мi	Количе-ство м3/ч	Содержание мольн.доли		Количество кг/ч	Содержание масс.доли
Н2	2	93599	0,8136	1,63	8357	0,1706
С2Н6	30	8759	0,0761	2,28	11730	0,2394
С3Н8	44	6312	0,0549	2,42	12399	0,2532
С4Н10	58	6360	0,0553	3,21	16468	0,3363
H2S	34	0,4	0,00001	0,00	0,5	0,0002
СO2	44	6	0,00005	0,00	11,8	0,0002
Σ	-	115039	≈1,0000	9,54	48970	≈1,0000

Расход газов, поглощенных раствором МЭА, равен:

кг/ч

Расход, насыщенного кислыми компонентами водного раствора МЭА, равен:

кг/ч

Таблица 3.1.4 Материальный баланс абсорбера.

Поток, поступающий в абсорбер	Количество кг/ч	Поток, выводимый из абсорбера	Количество кг/ч
Неочищенный газ Vс	56926	Очищенный газ V	48970
Регенерированный раствор МЭА Ар	49500	Насыщенный раствор МЭА Ан	57456
∑	106426	∑	106426

4. Тепловой баланс абсорбера

Тепловой баланс составляется для определения температуры, при которой насыщенный раствор МЭА выводится из аппарата.

Уравнение теплового баланса абсорбера имеет вид:

где Q – количество тепла соответствующего материального потока, кВт;

Q_а – тепловой эффект хемосорбции, кВт;

Q_пот – теплопотери, равные 0,5 – 2% от .

Количество тепла, вносимого в аппарат газовым сырьем при температуре равно

,

где - энтальпия газа при температуре поступления в аппарат, кДж/кг.

,

где - энтальпия идеальной газовой смеси, кДж/кг;

- поправка на давление, кДж/кг.

Энтальпия вычисляется по формуле:

,

где - содержание i-го компонента, масс.доли;

- энтальпия идеального газа, кДж/кг.

Энтальпию идеального газа рассчитаем по формуле:

,

где A, B, C, D – коэффициенты /6/

Т – температура, К.

Поправка на давление рассчитывается по формуле:

,

где R = 8,315 кДж(кмоль·К) – универсальная газовая постоянная;

Т_П.КР – псевдокритическая температура, К;

М_СМ = 23,2 – средняя мольная масса газа, поступающего в аппарат;

и – поправки на давление для энтальпии [6];

– фактор ацентричности смеси.

Поправки и на давление определяются в зависимости от приведенных давления Р_ПР и температуры Т_ПР, вычисляемых по формулам:

,

где Р_П.КР – псевдокритическое давление, Па;

Т_П.КР – псевдокритическая температура, К.

Псевдокритические величины давления и температуры рассчитываются:

где и - критические давление (Па) и температура (К) для i-го компонента.

Фактор ацентричности смеси равен:

,

где - фактор ацентричночти i-го компонента.

Расчет энтальпии идеального газа представлен в таблице 3.1.5.

Таблица 3.1.5 Расчет энтальпии для неочищенного газа.

Ком-понент	Содержание , масс.доли	Коэффициенты в формуле для расчета энтальпии идеального газа				Энтальпия кДж/кг
		А	В	С	D
Н2	0,1468	154,15	15,12	0,0519	56,62	685,6	100,6
С2Н6	0,2061	58,65	23,63	0,4139	56,15	477,6	88,4
С3Н8	0,2177	33,65	26,31	0,5380	35,58	410,7	89,3
С4Н10	0,2892	34,72	26,08	0,5455	39,22	418,1	120,9
H2S	0,1068	87, 27	2,54	0,0128	25,12	302,4	32,2
СO2	0,0331	58,62	5,05	0,0119	-11,08	235,1	7,8
Σ	1,000	-	-	-	-	2657	442,3

Расчет псевдокритических параметров и фактора ацентричности для неочищенного газа представлен в таблице 3.1.6.

Таблица 3.1.6 Расчет псевдокритических параметров и фактора ацентричности для неочищенного газа

Ком-понент	, мольн. доли	, МПа	, К		, МПа	, К
Н2	0,78	1,28	33,1	0,0104	3,5919	25,82	0,0081
С2Н6	0,073	4,875	305,43	0,0986	0,3559	22,3	0,0072
С3Н8	0,0526	4,248	369,82	0,1524	0,2234	19,45	0,008
С4Н10	0,053	3,795	425,16	0,2010	0,2011	22,53	0,0106
H2S	0,0334	9,000	373,60	0,1000	0,3006	12,48	0,0033
СO2	0,008	7,375	304,20	0,2310	0,059	2,43	0,0018
Σ	1,0000				4,73	105,01	0,039

Величины приведенных давления и температуры для газа при вводе в аппарат равны:

Величины поправок и определяются интерполированием числовых значений и равны: [6].

Подставив в формулы числовые значения величин, получим:

кДж/кг

кДж/кг

Приход тепла с регенерированным водным раствором МЭА равен:

,

где - энтальпия раствора МЭА при t = 50⁰C, кДж/кг.

Так как остаточные H₂S и CO₂ содержатся в незначительных количествах, этими величинами для расчета теплового баланса можно пренебречь. Энтальпию регенерированного раствора МЭА примем равной энтальпии 15%-го водного раствора МЭА.

Энтальпия в этом случае рассчитывается по формуле:

,

где С – теплоёмкость водного раствора МЭА, кДж/ (кг ⁰С).