РАСЧЕТ ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ АБСОРБЦИОННОЙ КОЛОННЫ

3. РАСЧЕТ ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ АБСОРБЦИОННОЙ КОЛОННЫ

3.1 Исходные данные к расчету параметров абсорбционной колонны

1) Общая производительность установки по газу при н.у. V₀ = 63,4 м³/сек (4 колонны).

2) Концентрация Н₂S в газе

Для первой ступени:

на входе y_нI = 914 ∙ 10^-3 кг/м³

на выходе y_кI = 25 ∙ 10^-3 кг/м³

Для второй ступени:

на входе y_нII = 25 ∙ 10^-3 кг/м³

на выходе y_кII = 0,015 ∙ 10^-3 кг/м³

3) Содержание примесей в поглотителе:

х_нI = 3% (масс.) – для первой ступени

х_нII = 0,5% (масс.) – для второй ступени

4) Абсорбция изотермическая

средняя температура потоков в абсорбере t = - 45 ^оС

5) Давление газа на входе в абсорбер для обеих ступеней Р = 2 МПа

6) Плотность газа при t = 20 ^оС, ρ = 0,846 кг/м³

при н.у. ρ₀ = 0,724 кг/м³

3.2 Устройство абсорбционного насадочного аппарата

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на следующие группы: 1) поверхностные и пленочные; 2) насадочные; 3) барботажные (тарельчатые); 4) распыливающие.

Следует отметить, что аппараты большинства конструкций весьма широко применяются и для проведения других массообменных процессов.

Предлагаемая насадочная колонна получила широкое распространение в промышленности в качестве абсорбера. Основными достоинствами насадочных колонн являются простота устройства и низкое гидравлическое сопротивление, дешевизна и относительно длительный контакт фаз.

Основными узлами насадочных аппаратов в соответствии с рисунком 11 являются приспособления (1), распределяющие жидкость по насадке, насадочные тела (2), перераспределители жидкости (3) и опорные решетки (4).

1 – распределитель жидкости; 2 – насадки; 3 – перераспределитель жидкости; 4 – опорные решетки

Для того, чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим основным требования: 1) обладать большой поверхностью в единице объема; 2) хорошо смачиваться орошающей жидкостью; 3) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку; 4) равномерно распределять орошающую жидкость; 5) быть стойкой к химическому воздействию жидкости и газа, движущихся в колонне; 6) иметь малый удельный вес; 7) обладать высокой механической прочностью; 8) иметь невысокую стоимость.

Насадок, полностью удовлетворяющих всем требованиям, не существует, так как, например, увеличение удельной поверхности насадки влечет за собой увеличение гидравлического сопротивления аппарата и снижение предельных нагрузок. В промышленности применяют разнообразную по форме и размерам насадки /19, 21/, которые в той или иной мере удовлетворяют требованиям, являющимся основными при проведении конкретного процесса абсорбции. Насадки изготавливают из разнообразных материалов (керамика, фарфор, сталь, пластмассы и др.), выбор которых диктуется величиной удельной поверхности насадки, смачиваемостью и коррозионной стойкостью.

3.3 Расчет первой и второй ступени абсорбционной колонны

Геометрические размеры колонного массообменного аппарата определяются в основном поверхностью массопередачи, необходимой для проведения данного процесса, и скоростями фаз.

Поверхность массопередачи может быть найдена из основного уравнения массопередачи /19/.

(3.1)

где К_х, К_у – коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазе кг/(м² ∙ с).

3.3.1 Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя

Массу кислых газов (КГ), переходящих в процессе абсорбции из газовой смеси (Г) в поглотитель за единицу времени, находят из уравнения материального баланса:

 (3.2)

где L, G – расходы соответственно чистого поглотителя и инертной части газа, кг/с;  - начальная и конечная концентрация кислых газов в поглотителе (метанол) кгКГ/кгМ; - начальная и конечная концентрация кислых газов в природном газе, кгКГ/кгГ.

Выразим составы фаз, нагрузки по газу и жидкости в выбранной для расчете размерности.

 (3.3)

где ρ_оу = 0,724 кг/м³ – средняя плотность природного газа при нормальном условии.

Получим:

Конечная концентрация примесей в поглотителе  обуславливает его расход (который, в свою очередь, влияет на размеры как абсорбера, так и десорбера), а также часть энергетических затрат, связанных с перекачиванием жидкости и ее регенерацией. Поэтому выбирают исходя из оптимального расхода поглотителя /5/. Для нефтехимических производств расход поглотителя L принимают в 1,5 раза больше минимального L_min /21/. В этом случае конечную концентрацию определяют из уравнения материального баланса, используя данные по равновесию, в соответствии с рисунком.

 (3.4)

В данном случае линия равновесия показывает связь между концентрациями распределенного вещества в фазах и выражается уравнением прямой

т.к. Р = const и t = const /19, 21/.

Из уравнения (3.4) следует:

где - концентрация Н₂S в жидкости (метаноле), равновесная с газом начального состава.

Уравнение прямой, выражающее зависимость между рабочими концентрациями, называемое рабочей линией процесса, находится из уравнения материального баланса /19, 21/.

(3.5)

Интегрируя уравнение (3.5) в пределах от начальных до конечных концентраций  и , получим

(3.6)

Рисунок 9. Зависимость между содержанием кислых газов (Н₂S) в природном газе  и поглотителем метанолом  при минус 45^оС.

Из уравнения (3.6) получим соотношения между весовыми потоками распределяющих фаз:

(3.7)

Рисунок 10. Схема распределения концентрации в газовом и жидкостном потоках в абсорбере

Интегрируя уравнение (3.5) в пределах от начальных до текущих  и , получим:

откуда:

(3.8)

Или

(3.9)

где  - удельный расход одной из определяющих фаз.

Аналогичным путем для противоточного (течения) взаимодействия фаз может быть получено уравнение:

(3.10)

где

Из уравнений (3.9) и (3.10) следует, что концентрация распределяемого вещества в фазах G и L связана линейной зависимостью. Поэтому удобно процессы массообмена представлять графически в координатах , т.е. в виде зависимости между так называемыми рабочими концентрациями /21/.

Расход инертной части газа:

G = V₀(1 – у_об)(у_0у – у_н) (3.11)

где у_об – объемная доля Н₂S в природном газе, равная

где v₀ – объем 1 моля воздуха, равная 22,4 · 10^-3 м³/моль;

– молярная масса Н₂S, равная 32 · 10^-3 кг/моль

Тогда

G = 15,85 (1 – 0,602)(0,724 – 0,914) = 1,199 кг/с

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту

(3.12)

Расход поглотителя (метанола) равен:

(3.13)

Тогда соотношение расходов фаз, или удельный расход поглотителя составит:

Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя на вторую ступень определяется по формулам, приведенным выше:

Все кинетические закономерности, использованные для расчета конечной концентрации примесей в поглотителе для первой ступени абсорбции, сохраняются для расчета конечной концентрации примесей во второй ступени абсорбции. В этом случае для определения конечной концентрации используют данные по равновесию по рисунку 14 и находят по уравнению (3.4):

где  - концентрация остаточного Н₂S в жидкости (метаноле), равновесная с газом входящего состава.

Рисунок 11. Зависимость между Н₂S в природном газе  и поглотителем  при минус 45^о для второй ступени абсорбции.

Расход инертной части газа находят по уравнению (3.11)

G = 15,85 (1 – 0,602)(0,724 – 0,025) = 4,41 кг/с

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту:

Расход поглотителя:

Соотношение расходов фаз, или удельный расход поглотителя, составит: