Курсовая работа: Технологический расчет абсорбера для очистки углеводородного газа от сероводорода регенерированным
Название: Технологический расчет абсорбера для очистки углеводородного газа от сероводорода регенерированным Раздел: Рефераты по химии Тип: курсовая работа | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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 в = 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. |