Технологический расчет процесса и аппарата

Таблица 2.8. Расчет псевдокритических параметров и фактора ацентричности для неочищенного газа

Компонент	, мольн. долии	Ркрi, МПа	Ткрi, К	ωi	Ркрi, МПа	Ткрi, К	ωi
СH4	0,734	4,605	190,55	0,0104	3,383	143,6	0,0076
C2H6	0,098	4,875	305,43	0,0986	0,4774	29,92	0,0097
C3H8	0,075	4,248	369,82	0,1524	0,3185	27,72	0,0114
C4H10	0,083	3,795	425,16	0,201	0,315	35,28	0,0167
H2S	0,008	9	373,6	0,1	0,072	2,98	0,0008
CO2	0,002	7,375	304,2	0,231	0,01475	0,61	0,00046
Σ	1	-	-	-	4,58	240,11	0,04666

Псевдокритические величины давления и температуры рассчитываются так:

          

при этом и — критические давления (Па) и температура (К) для i-го компонента.

Фактор ацентричности  смеси равен:

 

где — фактор ацентричности i-го компонента [6, с. 157].

Расчет псевдокритических  параметров и фактора ацентричности  для газовой смеси при входе в аппарат приведен в табл. 2.8.

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

Р_пр = 3,92/4,58 = 0,856             Т_пр = 315/240,11 = 1,31

Величины поправок и определяются интерполированием числовых значений, приведенных в работе [6, с. 530]; они равны

    

Подставив в формулы числовые значения величин, получим:

 

 

Аналогично рассчитана энтальпия  газа, покидающего абсорбер; ее величина будет дана в табл. 2.10.

Приход тепла с регенерированным водным раствором МЭА равен:

 

где — энтальпия раствора МЭА при температуре t_а = 44°С, кДж/кг.

Поскольку остаточное Н₂S и С0₂ содержатся в незначительных количествах (см. табл. 2.2) без ущерба для точности расчета теплового баланса аппарата энтальпию регенерированного раствора МЭА можно принять равной энтальпии 15%-ного водного раствора МЭА. Энтальпия в этом случае рассчитывается по формуле:

 

где с — теплоемкость водного раствора МЭА, кДж/(кг°С).

Величину теплоемкости раствора МЭА в зависимости от содержания МЭА и температуры t_а= 44⁰С найдем по графику (рис, 2.3) равной с = 3,97 кДж/(кг°С)

Тогда кДж/кг.

Количество тепла, выделяемого  в единицу времени при абсорбции  СО₂ и H₂S в 15% -ном водном растворе МЭА (если пренебрегать теплом, выделяемым при абсорбции незначительных количеств СН₄ и С₂Н₆), рассчитывается но формуле:

 

где q_а — теплота хемосорбции СО₂ и Н₂S кДж/кг.

Рис. 2.3. Зависимость теплоемкости растворов МЭА от температуры.

Теплота хемосорбции рассчитывается так:

 

где r_i — теплота хемосорбции i-го кислого компонента, кДж/кг; х_i — доля компонента в смеси кислых компонентов.

Теплота хемосорбции кислых компонентов [7, с. 35] принимается равной 1918 кДж/кг; 1905 кДж/кг.

Результат расчета величины дан в табл. 2.9.

Таблица 2.9. Расчет теплоты хемосорбции H₂S и С0₂

Компонент	Поглощенное количество Gi, кг/ч	Содержание   масс.доли	Теплота хемосорбции, кДж/кг
			ri	rixi
H2S	1943	0.7554	1905	1439
CO2	629	0.2446	1918	469
Σ	2572	1		1908

Расход тепла с насыщенным абсорбентом вычисляется на основе теплового баланса абсорбера (табл. 2.10).

Таблица 2.10. Тепловой баланс абсорбера

Обозначение потока	Количество, Кг/ч	Температура, ºС	Энтальпия, кДж/кг	Количество тепла, кВт
Приход
QVc	165415	42	335	15393
QA	87000	44	174,7	4222
Qа	2572	-	1908	1363
Σ	-	-	-	20978
Расход
QV	162847	42	350,6	15859
QAн	89568	tн		QAн
Σ	-	-	-	20978

Из табл. 2.10 получим:

 

Тогда

 

Температуру насыщенного  абсорбента найдем из уравнения:

   откуда 

Перепад температур раствора МЭ'А в промышленных абсорберах амин- ной очистки газов в зависимости  от содержания кислых компонентов в  сырье и степени очистки может  достигать 70 градусов [7, с, 35]. Для учета зависимости теплоемкости насыщенного абсорбента от температуры, примем, что температура насыщенного абсорбента на 8 градусов выше температуры регенерированного раствора:

 

Из графика (см. рис. 2.3) при температуре = 52°С найдем, что с = 4,0 кДж/(кг°С).

Тогда

 

Найденная величина = 52°С не отличается от принятой температуры = 52 ºC

Химический состав насыщенного  абсорбента. Для расчета регенерации поглотителя в десорбере необходимо знать химический состав насыщенного абсорбента.

Водный раствор МЭА  содержит С0₂ и Н₂S в растворенном и химически связанном состояниях.

Следует найти количества кислых компонентов, которые взаимодействуют  с моноэтаноламином по реакциям (1)—(4); константы химического равновесия в форме, принятой в литературе [8, с. 246], имеют вид:

 

 

 

 

Здесь в квадратные скобки заключены количества молей веществ.

С учетом давления в аппарате и протекания реакций в растворе константы равновесия можно записать так [9, с. 265]:

 

 

 

где π — давление в аппарате, МПа; — общее число молей реагирующей смеси; Δn — разность чисел молей продуктов и исходных реагентов в реакциях (1) — (4).

Константа химического равновесия связана с изменением стандартного изобарного потенциала [10, с. 230]:

 

где — изменение стандартного изобарного потенциала для j-ой реакции j=1, 2, 3, 4), кДж/моль; R = 8,315 кДж/(мольК) — газовая постоянная; Т — температура реакции, К.

Расчеты констант химического  равновесия осуществляются при температуре насыщенного абсорбента T^,=T_н=325 К и давлении π=3,92 МПа.

Изменение изобарного потенциала реакции рассчитывается по уравнению  [10, с. 232] :

 

где ΔH° — изменение энтальпии образования, кДж/моль; ΔS° — изменение энтропии реакции, кДж/(мольК).

Изменение изобарного потенциала для реакции (1) равно:

 

при этом

 

 

где — энтальпии образования веществ, кДж/моль;

 — энтропии  веществ, кДж/(моль-°С).

Таблица 2.11. Стандартные энтальпии Н° образования и энтропии S⁰ при температуре t = 25°С [10]

Элемент, соединение, ион	Н°, кДж/моль	S0, Дж/(мольК)	Элемент, соединение, ион	Н°, кДж/моль	S0, Дж/(мольК)
CO2	-393,768	213,777	NH2	-46,221	192,63
CO3	-676,696	-53,171	C2H4	-51,036	219,592
H2O	286,023	69,985	HCO3	-676,696	12,167
OH	42,118	183,746	RNH2	-55,139	595,968
H2S	-20,16	205,776	(RNH3)2CO3	-504,045	1138,765
HS	-17,668	-61,126	RNH3HCO3	-731,835	608,135
S	2,805	22,19	(RNH3)2S	-52,334	1214,126
NH3	46,221	192,63	RNH3HS	-72,807	534,843

Числовые значения энтальпии  образования и энтропии веществ  для реакций (1) — (4) приведены в табл. 2.11. При этом энтальпии и энтропии для соединений, содержащих радикал R, рассчитаны суммированием стандартных энтальпий Н° и энтропий S° для элементов, входящих в состав соединений.

Тогда

 

 

Аналогично рассчитаны числовые значения величин  ; ; ; ; ; .

Подстановка числовых значений величин в уравнение для расчета  изменения изобарного потенциала дает, кДж/моль:

 

 

 

 

Тогда

 

Аналогично получены числовые значения ; ;

Число киломолей (RNH₃)₂СО_з, полученных по реакции (1), следует обозначить через x₁ и для расчета равновесного превращения пользоваться следующей схемой (в дальнейшем ее запись опускается):

Реакция      2RNH₂+CO₂+H₂O = (RNH₃)₂CO₃

Число киломолей     

в исходной смеси    4

в равновесной смеси   (2-2x₁), (1-x₁), (1-x₁) x₁

всего в равновесной смеси  

Разность чисел киломолей   

Тогда в соответствии с  найденным уравнением для константы  химического равновесия k₁ можно записать:

 

 

Значение x₁ определяется методом подбора; x₁ = 0,0045 кмоль/ч. Уравнения для расчета х₂, х₃ и x₄ имеют вид:

 

 

 

откуда x₂ = 0,1087 кмоль/ч

 

 

откуда x₃ = 0,022 кмоль/ч

  

откуда x₄ = 0,341 кмоль/ч

Для получения (RNH₃)₂СО_з в количестве x₁ кмоль/ч по реакции (1)

 

необходимо знать количество прореагировавших веществ.

  Количество исходного диоксида углерода равно:

 

По реакции (1) прореагировали вещества в количествах:

 

 

 

Получено по реакции (1):

 

или

 

После реакции (1) в насыщенном абсорбенте остаются непрореагировав- шими:

 

 

Для получения RNH₃HCO₃ в количестве 2х₂ кмоль/ч по реакции (2)

 

необходимо рассчитать количества исходных реагентов.

По реакции (2) прореагировали вещества в количествах:

 

 

 

Получено по реакции (2):

 

В насыщенном абсорбенте остается непрореагировавшим диоксид углерода:

 

С учетом содержания остаточного  диоксида углерода в поступающем  в аппарат абсорбенте (см. табл. 2.3) количество С0₂, растворенное в насыщенном абсорбенте составляет: