Технологический расчет процесса и аппарата

 

После реакции (2) остались непрореагировавшими:

 

 

Последовательность расчетов превращений по реакциям (3) и (4) соответствует расчетам превращений по реакциям (1) и (2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С учетом содержания остаточного  сероводорода в поступающем в  аппарат абсорбенте (см. табл. 2.3) количество Н₂S, растворенное в насыщенном абсорбенте, равно

 

Расчет состава насыщенного  абсорбента, выводимого из аппарата, дан в табл. 2.12.

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.12. Расчет состава насыщенного абсорбента

Компонент	Мольная масса Mi	Количество		Содержание		Mi
		gi, кг/ч		, масс. доли	, мольн.доли
(МЭА)	61,1	12888,5	210,94	0,144	0,048	2,94
	18	73931,84	4107,32	0,825	0,935	16,84
	44	627,86	14,27	0,007	0,033	0,14
	184,2	10,57	0,057	0,001	0,00001	0
	123,1	1,71	0,014	0,00002	0,000003	0
	34	1894,14	55,71	0,02	0,013	0,43
	156,2	129,29	0,828	0,001	0,0002	0,03
	95,1	81,72	0,859	0,0009	0,0002	0,02
СH4	16	5	0,313	0,00006	0,00007	0
C2H6	30	2,5	0,083	0,00003	0,00004	0
		89573,13	4390,39	1	1	20,4

2.3 КОНСТРУКТИВНЫЙ  РАСЧЕТ

Диаметр абсорбера. Диаметр абсорбера в наиболее нагруженном нижнем его сечении рассчитаем по формуле [6, с. 265]:

 

где L — расход насыщенного абсорбента из аппарата, кг/с; — плотность насыщенного абсорбента, кг/м³; К_о=0,3 — коэффициент для клапанных тарелок; С = 480 — коэффициент для абсорберов при расстоянии между тарелками, равном 0,6 м [6, с. 264]; б — расход газового сырья в аппарат, кг/с; — плотность газового сырья, кг/м³. Расход насыщенного абсорбента:

 

Плотность насыщенного водного  раствора моноэтаноламина при температуре t_н = 52°С найдем по содержанию в нем моноэтаноламина (см. табл. 1.12):

 

Тогда [3, с. 29] имеем =989 кг/м³.

Расход газового сырья  в аппарат:

 

Плотность газового сырья  при температуре t_c= 42°С и давлении = 3,92 МПа равна

 

Диаметр абсорбера равен:

 

Числовое значение диаметра абсорбера принимается равным D_а=2,6 м. Правильность принятия числового значения диаметра аппарата должна подтвердиться расчетом работоспособности тарелок.

2.4 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ

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;

 унос жидкости; высота слоя пены на тарелке;

 градиент уровня жидкости на тарелке;

 отсутствие захлебывания.

5.1. Сопротивление тарелки потоку газа. Сопротивление (Па) клапанной тарелки потоку газа рассчитаем по формуле [6, с. 281]:

 

где — коэффициент сопротивления сухой тарелки; — скорость газа в отверстии под клапаном, м/с; — высота сливной перегородки, м; h" — подпор жидкости над сливной перегородкой, м; — сопротивление, связанное с действием сил поверхностного натяжения, Па.

При полностью открытых клапанах коэффициент сопротивления сухой  тарелки равен  =3,63 [6, с. 277].

Скорость газа в отверстиях тарелки рассчитывается по формуле:

 

где f — площадь сечения отверстий в тарелке, м².

Размеры клапанных тарелок  регламентированы ОСТ 26-02-1401-76 и ОСТ 26-02-1402-76, откуда для двухпоточной клапанной тарелки типа Б диаметром D_т=2,6 м при доле живого сечения тарелки F_ж = 0,149 м²/м² найдем f =0,78 м².

Тогда

 

Высота сливной перегородки  у клапанных тарелок может  быть 0,03— 0,04 м. Принимаем  =0,04 м.

Подпор жидкости над сливной  перегородкой-определяется по формуле:

 

где В = 5,14 м — периметр слива.

 Тогда

 

Сопротивление, связанное  с действием сил поверхностного натяжения жидкости

где — поверхностное натяжение жидкости = 0,054 Н/м; — эквивалентный гидравлический диаметр щели под клапаном, м.

Для клапанных тарелок

 

где =0,01 м — высота поднятия клапана.

Следовательно

 

Подставив в формулу для  расчета сопротивления тарелки  числовые значения величин, получим:

 

Сопротивление клапанных  тарелок находится в пределах 450—800 Па. 5.2, Скорость газа в отверстиях тарелки. Рассмотрим условие открытия клапана на орошаемой жидкостью тарелке

 

где — скорость газа (в м/с), определяемая по формуле:

 

где g = 9,81 м/с² — ускорение свободного падения; G_к=0,035 — масса стального клапана, кг; G_ж — масса цилиндрического столбика жидкости над клапаном, кг; f_кл — площадь клапана, на которую действует давление газа, м².

Массу цилиндрического столбика жидкости над клапаном можно подсчитать по формуле:

 

где d_кл=0,045 м — диаметр клапана.

 Тогда

 

Для упрощения принимаем, что площадь клапана, на которую  действует давление газа, равна площади  отверстия под клапаном:

 

Тогда

 

Такую скорость должен иметь  поток газа в отверстии под  клапаном, чтобы поднять клапан и столбик жидкости над ним. После поднятия клапана в отверстии установится скорость =1,68 м/с. Условие выполняется.

5.3. Отсутствие провала жидкости. У клапанных тарелок возможна утечка жидкости на нижележащие тарелки через отверстия под клапанами. Утечка жидкости (провал) снижает разделительную эффективность и.поэтому необходимо рассчитать в отверстиях тарелки минимальную скорость газа, при которой его кинетическая энергия частично расходуется для обеспечения отсутствия провала жидкости. Для нормальной работы каждой тарелки абсорбера необходимо, чтобы фактическая скорость газа в отверстиях тарелки w_ог превышала минимальную скорость w_{о мин}.

Минимальная допустимая скорость газа в отверстиях клапанной тарелки  рассчитывается по формуле:

 

где L_v—удельная жидкостная нагрузка, м³/(м ч); Q — коэффициент, зависящий от длины пути жидкости.

 

Величина Q зависит от длины L_T пути жидкости по тарелке:

LT	≤1,5	1,5 - 2,5	2,5
Q	0,16	0,19	0,22

При диаметре тарелки D_т=2,6 м и по ОСТ 26-02-1402—76 имеем L_т = 1,62. Тогда

Для нормальной работы тарелки  необходимо, чтобы мин. В данном случае это условие выполняется (1,68>1,09 м/с).

5.4. Унос жидкости. Допустимая величина межтарельчатого уноса жидкости определяется по уравнению [6, с. 287]:

 

Для расчета допустимой величины межтарельчатого уноса в кг жидкости на кг газа принимается меньшее числовое значение:

 

Величину уноса жидкости с наиболее нагруженных нижних тарелок  аппарата рассчитаем по формуле [11, с. 193]:

 

где А и — величины, учитывающие влияние межтарельчатого расстояния на унос жидкости; — глубина барботажа, мм; — доля зеркала барбота- жа; — относительная эффективная рабочая площадь тарелки, м²/м²; т — коэффициент, учитывающий влияние физических свойств газа и жидкости на унос.

 

Величины А и равны [6, с. 289]:

 

При  h_T < 0,4 м  А = 9,48·10⁷  β = 4,36

При  h_T ≥ 0,4 м  А = 0,159   β = 0,95

          

Глубина барботажа равна

 

 

 

Доля зеркала барботажа  для клапанных тарелок  = 0,6-0,8 [6, с. 289]. Примем = 0,7.

Относительная эффективная  рабочая площадь клапанной двухпоточной тарелки  = 0,84 м²/м².

Коэффициент т рассчитывается по уравнению [11, с. 194]:

 

 

 

где — динамическая вязкость газовой смеси, определяемая по формуле

 

в которой  — динамическая вязкость компонентов газового сырья при температуре t_с = 42 °С, Па-с.

Таблица 2.13. Расчет динамической вязкости газовой смеси

Компонент	(см. Табл. 1.4)	Па·с
СH4	11,74	11,77	0,998
C2H6	2,94	10,01	0,294
C3H8	3,3	8,63	0,382
C4H10	4,82	8,04	0,5995
H2S	0,272	14,77	0,0184
CO2	0,088	14,97	0,006
Σ	23,16	-	2,297

Расчет динамической вязкости газовой смеси представлен в  табл. 2.13, из которой имеем:

 

Подставив в формулы числовые значения величин, получим:

 

 

Унос жидкости е = 0,0004 кг/кг не превышает допустимой величины = 0,18 кг/кг и потому работоспособность тарелок абсорбера обеспечивается.

5.5. Высота слоя пены на тарелке. Высота слоя пены h_a над слоем светлой жидкости h₀ рассчитывается по формуле:

 

где k — относительная плотность пены (по отношению к плотности чистой жидкости).

Величину k найдем по формуле [12, с. 447]:

 

где - критерий Фруда, рассчитываемый по приведенной скорости газа.

Приведенная скорость газа (скорость, отнесенная к рабочей  площади F_раб тарелки):

 

Примем = 0,04 м, тогда

 

 

 

Полученная высота пены h_п = 0,063 м является допустимой.

5.6. 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 зхода будет больше на величину гидравлического градиента (м), рассчитываемого по формуле [12, с. 450]:

 

где — коэффициент сопротивления для клапанных тарелок; L_т — длина пути жидкости на тарелке (см. рис. 2.4), м; d_экв — эквивалентный диаметр потока вспененной жидкости, м; и_УСЛ — условная скорость пены на тарелке, м/с; .g=9,81 м/с² — ускорение свободного падения.

Для клапанных тарелок  коэффициент сопротивления рассчитаем по фор муле для колпачковых тарелок [12, с. 450]:

 

где h_к=0,01—высота поднятия клапана, м; — высота барботажа, м — критерий Рейнольдса.

 

где — кинематическая вязкость жидкости с нижней тарелки, м²/с. Условная 'скорость пены на тарелке:

 

где — средняя линейная плотность орошения, м²/с. Величину рассчитаем по формуле:

 

где — средняя ширина потока при движении жидкости по тарелке, равная

 

где = 1,62 м; п= 1 — число потоков жидкости на тарелке.

Тогда

 

Эквивалентный диаметр потока вспененной жидкости:

 

Кинематическая вязкость насыщенного раствора моноэтаноламина  при содержании МЭА, равном 14,4% (масс.), составляет:

 

где Па·с —динамическая вязкость насыщенного раствора моноэтаноламина [3, с. 103] .

Тогда