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):
Количество раствора ДЭА в единицу времени находим из графика: 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
Расходы метана, этана и сероводорода в очищенном газе равны: ( 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, вносимого в аппарат газовым сырьем при температуре Расчет энтальпии Таблица 5 - Расчет энтальпии
R = 8,315 - псевдокритическое давление, Па.
Расчет псевдокритических параметров и фактора ацентричности приведен в таблице 6. Данные для расчета 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
Таблица 9 - Псевдокритические параметры и фактор ацентричности очищенного газа
Так как остаточное содержание теплоемкость водного раствора ДЭА, При Рассчитываем количество тепла, выделяемого в единицу времени при абсорбции
- теплота хемосорбции сероводорода,
Расход тепла 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 Найденная и принятая величины совпадают с точностью до 0,19%. Химический состав насыщенного абсорбента.
Константа химического равновесия связана с изменением стандартного изобарного потенциала:
Где Рассчитываем изменение изобарного потенциала реакции:
– суммы энтальпий образований исходных веществ и продуктов реакции, кДж/моль; - суммы энтропий исходных веществ и продуктов реакции, Таблица 11 - Стандартные энтальпии
Таблица 12 - Расчет констант химического равновесия
Обозначим число киломолей Таблица 13 - Расчет равновесного превращения
Тогда выражения для расчета констант химического равновесия реакций 1 – 2 будут выглядеть следующим образом:
Методом подбора определяем
Для получения 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
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:
L – расход насыщенного абсорбента из аппарата, кг/с; Расход насыщенного абсорбента: Плотность насыщенного водного раствора ДЭА при температуре Расход газового сырья в аппарат: Рассчитываем плотность газового сырья при температуре Тогда диаметр абсорбера:
Предварительно принимаем 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.
Скорость газа в отверстиях тарелки: где
( Параметры двухпоточной клапанной тарелки диаметром Таблица 15 - Техническая характеристика двухпоточной тарелки типа ТКП (по ОСТ 26-02-1401-76)
Высоту сливной перегородки Определяем подпор жидкости над сливной перегородкой:
Для клапанных тарелок Рассчитываем сопротивление, связанное с действием сил поверхностного натяжения жидкости: где
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 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
где Приведенная скорость газа (скорость, отнесенная к рабочей площади
Полученная высота пены 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;
Унос жидкости 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 Рассчитываем коэффициент сопротивления для клапанных тарелок (по формуле для колпачковых тарелок):
где Глубина барботажа равна:
Критерий Рейнольдса: где 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
Данное значение 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; где = 760 Па – общее сопротивление нижней клапанной тарелки аппарата; - потеря давления жидкости при ее протекании через сливное устройство, Па. где 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 Высоту пены в сливном устройстве примем равной высоте пены на тарелке, 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
где Число рабочих тарелок равно:
где Применим в абсорбере клапанные тарелки, к.п.д. которых при хемосорбции Рассчитываем число теоретических тарелок, необходимое для обеспечения заданного коэффициента извлечения
где Коэффициент извлечения
Рассчитываем средний коэффициент извлечения на тарелках: где Коэффициент массопередачи при хемосорбции рассчитывается через коэффициенты массоотдачи при физической абсорбции по формуле:
Коэффициент массоотдачи в газовой фазе: - коэффициент массоотдачи в газовой фазе, отнесенный к единице рабочей площади 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 Находим: (А = 240, m = 0,35, n = 0.58 – коэффициенты, Найдем константу фазового равновесия с поправкой на ионную силу раствора ДЭА:
где Константу фазового равновесия где
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:
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
где Для получения значения оптимального диаметра трубопровода принимаем 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. |