Технологический расчет процесса и аппарата

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОЦЕССА И АППАРАТА

Рассчитать абсорбер для  очистки углеводородного газа от кислых компонентов (сероводорода и диоксида углерода) регенерированным водным, рас- створом моноэтаноламина (МЭА). Состав газа приведен в табл. 2.1. Температура газового сырья при вводе в аппарат t_c = 42 °С. Температура регенерированного водного раствора МЭА равна t_a = 44 °С. Давление в аппарате π = 3,92 МПа. Количество газа при нормальных условиях V_с = 160 000 м³/ч. Состав регенерированного раствора МЭА дан в табл.2.2. Содержание диоксида углерода в очищенном газе не должно превышать 0,007 об. долей, а содержание сероводорода должно быть не более 0,0015 об. долей. При очистке газов от кислых компонентов использовать процесс хемосорбдии 15%-ным водным раствором V моноэтаноламина, получивший наибольшее промышленное применение. Схема материальных потоков аппарата показана на рис. 2.1.

В нижнюю часть аппарата подается газовое сырье V_с, а очищенный газ V выводится из верхней части аппарата. Водный раствор моноэтаноламина A_р подается на верх аппарата, а насыщенный кислыми компонентами раствор моноэтаноламина A_н покидает абсорбер снизу.

Рис. 2.1. Схема для расчета материального баланса абсорбера.

Таблица 2.1. Состав газового сырья абсорбера

Компонент	Содержание в сырье , % (об)	Количество   м3/ч
СH4	73,4	117440
C2H6	9,8	15680
C3H8	7,5	12000
C4H	8,3	13280
H2S	0,8	1280
CO2	0,2	320
Σ	100	160000

 

Таблица 2.2. Состав регенерированного водного раствора моноэтаноламина

Компонент	Молекулярная  масса М	Содержание сi, масс. доли
H2O	18	0,8498
МЭА	61,1	0,15
H2S	34	0,0001
CO2	44	0,0001
Σ	-	1

Расчет

2.1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС АБСОРБЕРА

Материальный баланс абсорбера. Количество раствора моноэтаноламина, циркулирующего в системе абсорбер — десорбер в единицу времени, определяемся в зависимости от расхода сырья V_c  = 160 000 м³/ч и суммарного

содержания кислых компонентов:

 

где и — содержание кислых компонентов в газовом сырье, %(0б.).

Количество раствора МЭА  в единицу времени найдем из графика (рис. 2.2) [2, с. 77] равным υ_р= 87 м^э/ч, тогда

 

при этом р_р — плотность 15%-ного водного раствора МЭА при температуре входа в аппарат t_Р=44°С [3, с. 29].

Расчет мольного состава  регенерированного раствора МЭА  дан в табл. 2.3.

Расчет количества неочищенного газа приведен в табл. 2.4.

Таблица 2.3. Расчет мольного состава регенерированного раствора моноэтаноламина

Компонент	Мольная Масса Mi	Количество		Содержание
		gi, кг/ч	ni = gi/ Mi кмоль/ч	сi = gi/ Σgi масс.доли	сi’ = ni/ Σni мольн.доли	Mici-1
H2O	18	73933	4107	0,8498	0,9505	17,11
МЭА	61,1	13050	214	0,15	0,0495	3,02
H2S	34	8,7	0,25	0,0001	0,000058	0
CO2	44	8,7	0,19	0,0001	0,000044	0
Σ	-	87000	4321	1	1,0001	20,13

Метан и этан (относительно пропана и бутана) могут в заметных количествах растворяться в воде, содержащейся в водном растворе моноэтаноламина. Количество метана и этана, растворившихся в единицу времени, равны, м³/ч:

 

 

где и - растворимость метана и этана в воде при температуре t и нормальном давлении [4], м³/м³;Vн₂о = 73,93 м³/ч — объемный расход воды в водном растворе моноэтаноламина (см. табл. 1.3, учитывая, что

кг/м³); t — температура, при которой происходит растворение, ºC.

Примем температуру, при  которой происходит растворение  углеводородов, равной t = 42 °С, тогда:

 

 

Таблица 2.4. Расчет состава неочищенного газа

Компо-нент	Моль-ная Масса Мi	Количес-тво Vci, м3/ч	Содержа-ние   мольн. доли		Количество   кг/ч	Содержание   мольн. доли
СH4	16	117440	0,734	11,74	83886	0,5069
C2H6	30	15680	0,098	2,94	21000	0,127
C3H8	44	12000	0,075	3,3	23571	0, 1425
C4H10	58	13280	0,083	4,82	34386	0,2081
H2S	34	1280	0,008	0,272	1943	0,0117
CO2	44	320	0,002	0,088	629	0,0038
Σ	-	160000	1	23,16	165415	1

Таблица 2.5. Расчет состава очищенного газа

Компо-нент	Моль-ная Масса Мi	Количес-тво  Vi, м3/ч	Содержа-ние   мольн. доли		Количество   кг/ч	Содержание   мольн. доли
СH4	16	117438	0,7414	11,86	83884	0,515
C2H6	30	15678	0,099	2,97	20997	0,129
C3H8	44	12000	0,0758	3,34	23571	0,145
C4H10	58	13280	0,0838	4,86	34386	0,211
H2S	34	2	0,0000126	0	3	0
CO2	44	3	0,0000189	0	6	0
Σ	-	158401	1	23,03	162847	1

 

Расходы метана, этана, двуокиси углерода и сероводорода в очищенном  газе равны, м³/ч:

 

 

 

где = 0,007 и = 0,0015— содержание диоксида углерода и сероводорода в очищенном газе, об. доли; индекс «о» относится к очищенному газу, «с» — к сырому.

Расчет состава очищенного газа дан в табл. 2.5.

Расход газов, поглощенных  раствором МЭА, равен, кг/ч:

 

Расход насыщенного кислыми  компонентами водного раствора МЭА  равен, кг/ч:

 

Материальный баланс абсорбера  представлен в табл. 2.6.

Таблица 2.6. Материальный баланс абсорбера

Поток, поступающий в абсор- бер (см. рис. 1.1)	Количество, кг/ч	Поток, выводимый из абсорбера, (см. рис. 1.1)	Количество, кг/ч
Неочищенный газ Vc	165415	Очищенный газ V	162847
Регенерированный рас- твор моноэтаноламина  Ар	87000	Насыщенный рас- твор моноэтаноламина  Ан	89568
Σ	252415	Σ	252415

 

Тепловой баланс абсорбера. Тепловой баланс абсорбера 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; Qa —количество тепла, выделяемого при абсорбции компонентов, кВт.

Количество тепла, вносимого в аппарат газовым сырьем при температуре

t_с=42 °С, равно:

 

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

Энтальпия газовой смеси  рассчитывается по формуле [5]:

 

где — энтальпия идеальной газовой смеси, кДж/кг; поправка

па давление, кДж/кг.

Энтальпия вычисляется по формуле:

 

в которой — содержание i-го компонента, масс, доли; — энтальпия идеального газа, кДж/кг.

Энтальпию идеального газа рассчитаем по формуле, кДж/кг:

где А, В, С, В — коэффициенты [6, с. 529]; Т — температура, К.

Расчет энтальпии идеального газа представлен в табл. 2.7.

  Поправка на давление рассчитывается по формуле:

 

где R = 8,315 кДж/(кмольК)—универсальная газовая постоянная;— псевдокритическая температура, К; =23,2 — средняя мольная масса газа, поступающего в аппарат; и — поправки на давление для энтальпии [6, с. 530]; — фактор ацентричности смеси.

Поправки  и на давление определяются в зависимости от приведенных давления Р_пр и температуры Т_пр, вычисляемых по формулам

                

где — псевдокритическое давление, Па; — псевдокритическая температура, К.

Таблица 2.7. Расчет энтальпии для неочищенного газа

Компонент	Содержа- ние yi, масс.доли	Коэффициенты в формуле  для расчета энтальпии идеального газа				Энтальпия, кДж/кг
		A	B	C	D		Hiyi
СH4	0,5070	154,15	15,12	0,0519	56,62	652,9	331
C2H6	0,1270	58,65	23,63	0,4139	56,15	424,2	53,8
C3H8	0,1426	33,65	26,31	0,5380	35,58	361,5	51,5
C4H10	0,2078	34,72	26,08	0,5455	39,22	363,6	75,5
H2S	0,0117	87,27	2,54	0,0128	25,12	307,7	3,6
CO2	0,0037	58,62	5,05	0,0119	-11,08	230,9	1
Σ	1	-	-	-	-	553,9	516,4