proiect-ptm
TRANSCRIPT
1
UNIVERSITATEA” PETROL-GAZE” PLOIEŞTI FACULTATEA TEHNOLOGIA PETROLULUI SI PETROCHIMIE SPECIALIZAREA PRELUCRAREA PETROLULUI SI PETROCHIMIE
PROIECT DE SEMESTRU
DISCIPLINA: PROCESE TRANSFER DE MASA
TEMA: PROIECTAREA TEHNOLOGICA A INSTALATIILOR DE ELIMINARE A GAZELOR ACIDE PRIN ABSORBTIE IN SOLUTII APOASE DE AMINE
CONDUCATOR: STUDENT: Ing. Elena Mirela Fendu Oprea Manuela Corina Gr. 3134
2010
2
CUPRINS
DATE DE INTRARE -------------------------------------------------------------------3
1.PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE ABSORBŢIE ----4
1.1.Calculul debitelor şi concentraţiilor în coloana de absorbţie ---------------6
1.2.Bilanţul termic pe coloana de absorbţie --------------------------------------- 10
1.3.Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţieError!
Bookmark not defined.12
1.4. Dimensionarea coloanei de absorbtie ------------------------------------------14
1.4.1.Diametrul coloanei de absorbţie ------------- Error! Bookmark not defined.
1.4.2.Înălţimea coloanei de absorbţie ------------- Error! Bookmark not defined.
1.5. Calculul pierderilorde absorbant-----------------------------------------------17
2.PROIECTAREA TEHNOLOGICA A COLOANEI DE STRIPARE Error!
Bookmark not defined.
2.1.Bilanţul termic, regimul de temperaturi -------------------------------------- 21
2.2.Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbtie--23
2.3.Dimensionarea coloanei de desorbtie ------------------------------------------ 27
2.3.1.Calculul diametrului in zona superioara ----------------------------------- 27
2.3.2. Calculul diametrului in zona inferioara ----------------------------------- 29
2.4.Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat ------- Error!
Bookmark not defined.
2.5.Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar --- 31
2.6.Determinarea necesarului de apa la condensatorul coloanei de stripare32
2.7. Determinarea necesarului de abur saturat la refierbator------------------33
BIBLIOGRAFIE ----------------------------------------------------------------------- 34
ANEXE -------------------------------------------------- Error! Bookmark not defined.
3
Să se întocmească proiectul tehnologic al unei instalaţii de eliminare a H2S prin absorbţie în soluţie apoasă de
MEA.
DATE DE INTRARE
Gazul impurificat: metan
Debit de alimentare: 200.000 Nm3/zi
Concentraţia H2S: intrare : 10% volum
grad de absorţie: 0,97
Concentraţia soluţiei apoase de MEA: 15 % masă
Gradul de încărcare al absorbantului sărac: 0,05 kmoli H2S/kmol MEA
Parametrii de lucru în coloana de absorbţie:
Presiune: 6 bar
Temperatura de intrare gaz impurificat: 25oC
Temperatura de intrare absorbant sărac: 32oC
Parametrii de lucru în coloana de desorbţie:
Presiune la vârf: 1,2 bar
Presiune la bază: 1,6 bar
Temperatura în refierbător: 115oC
Temperatura refluxului: 60 oC
Raţia de reflux : 3:1
Tipul de coloană de absorbţie: umplutură inele Raschig
Tipul de coloană de desorbţie: umplutură inele Raschig
Se cere să se determine:
Bilanţurile materiale pe cele două coloane
Bilanţurile termice pe cele două coloane
Inălţimea şi diametrul celor două coloane
Necesarul de utilităţi
Pierderile de amină şi apă
Se va alcătui schema tehnologică şi de automatizare a instalaţiei
4
CAP. 1. PROIECTAREA TEHNOLOGICA A COLOANEI DE ABSORBTIE
Proiectarea tehnologica a unei astfel de coloane consta in necesarul de
echilibre, a diametrului si inaltimii.
Operatia de absorbtie are rolul de a elimina din fluxul de gaz impurificat,
hidrogenul sulfurat folosit ca absorbant solutie apoasa de monoetanolamina de
diferite concentratii. Fluxurile din coloana de absorbtie si concentratiile lor sunt
prezentate in figura 1.
Figura 1. Fluxurile si simbolurile marimilor
specifice coloanei de absorbtiei
5
In figura 1 semnificatia simbolurilor sunt urmatoarele:
G0 –debitul de gaz purtator, kmol/h;
L0 –debitul de absorbant, kmoli/h;
Yn+1,Y1 –concentratiile solutului in gazul purtator, exprimate in raport molar:
kmoli solut/kmol gaz purtator la intrarea, respectiv la iesirea din coloana;
X0,Xn –concentratiile solutului in absorbant, exprimate ca raport molar:
kmoli solut/kmol absorbant la intrarea, respectiv la iesirea din coloana;
Tn+1,T1 –temperaturile fluxului de gaz la intrarea, respectiv la iesirea din
coloana;
T0,Tn –temperaturile fluxului de absorbant la intrarea, respectiv la iesirea din
coloana de absorbtie.
Datele initiale necesare calculului de proiectare a coloanei de absorbie sunt:
debitul de alimentare cu gaz impurificat, precum si concentratia gazului acid
(solutului). Deoarece gazul impurificat este un amestec de hidrocarburi, este
necesara specificarea compozitiei acestuia. In unele cazuri, se poate asimila
amestecul de hirocarburi care alcatuiesc gazul purtator, cu o singura
hidrocarbura;
gradul de absorbtie sau concentratia solutului in gazul purificat;
tipul absorbantului si concentratia aminei in solitie;
concentratia solutului in absorbantul sarac, X0;
temperatura de intrare a gazului impurificat: Tn+1, respectiv a absorbantului
sarac: T0;
presiunea de lucru in coloana de absorbtie.
Algoritmul de calcul al coloanei de absorbtie are urmatoarele etape:
1. Se determina debitele si concentratiile fluxurilor din coloana de absorbtie. Din
datele initiale de proiectare se calculeaza debitul molar G0 si concentratiile
Yn+1,Y1;
2. Se calculeaza temperaturamedie pe coloana de absorbtie si la aceasta
temperatura se obtin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant. Se
alege o concentratie Xn, astfel incat la determinarea numarului de talere
teoretice prin metoda grafica sa rezulte un nr rezonabil de talere.
3. Se calculeaza debitul molar L0 prin bilant material pe componentul solut, in
jurul coloanei de absorbtie, conturul I din fig.1.
4. Se verifica temperatura din baza coloanei prin bilant termic . In cazul in care
aceasta nu se verifica , se reia calculul de la punctul 2;
6
5. Se calculeaza debitele partiale ale componemtilor din fiecare flux la intrarea si
iesirea din coloana si concentratiile componentilor in fractii molare;
6. Se calculeaza diametrul si inaltimea coloanei de absorbtie, cu metodologia
specifica tipului de dispozitive de contactare;
7. Se estimeaza pierderile la varful coloanei de absorbtie.
1.1 Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie
Calculul debitelor si concentratiilor fluxurilor din coloana de absorbtie
Din datele de intrare se calculeaza debitul molar de gaz purificat:
GT =
=372.023 kmol/h
Cunoscand concentratia H2S in gazul bogat, respectiv a gazului purtator
(metanul) se calculeaza debitul molar de H2S, respectv de metan:
Unde: –debitul de H2S la intrarea/iesirea din colona, kg/h;
G0 –debitul de gaz purtator, kmol/h;
Se calculeaza raportul molar Yn+1:
Sau
Unde: Yn+1,Y1 –concentratiile solutului in gazul purtator, exprimate ca raport
molar: kmol solut/kmol gaz purtator la intrarea, respectiv la iesirea din
coloana;
7
Din relatia urmatoare de definitie a gradului de absorbtie se calculeaza
raportul molar Y1:
( )
( )
Concentratia H2S in absorbantul sarac se cunoaste din datele de proiectare
X0=0.05 kmol h2S/kmol MEA, iar concentratiile Xn se alege astfel incat la
determinarea numarului de talere teoretice prin metoda grafica rezulta un numar
rezonabil de talere. Se considera: Xn=0.6 kmol H2S/kmol MEA.
Debitul molar de absorbant L0 se calculeaza prin bilant material in jurul
coloanei de absorbtie conturul I din figura1.
Unde: G0 - debitul de gaz purtator, kmol/h;
Yn+1,Y1 –concentratiile solutului in gazul purtator, exprimate ca
raport molar: kmol solut/kmol gaz purtator la intrarea, respectiv
la iesirea din coloana;
L0 –debitul de absorbant (MEA), kmol/h;
X0,Xn –concentratiile solutului (H2S) in absorbant, exprimate
ca raport molar: kmol solut/kmol absorbant la intrarea,
respectiv iesirea din coloana.
Se calculeaza debitele partiale ale componentilor in fiecare flux la intrarea si
iesirea din coloana si concentratiile componentilor in fractii molare.
8
Debite si concentratii in fluxul de gaz bogat la intrarea in coloana:
G0=334.82 kmol/h=334.82 16=5357.12 kg/h
kg/h gaz total
Unde: G0 - debitul de gaz purtator, kmol/h;
–debitul de H2S la intrarea/iesirea din colona, kg/h;
GT –debitul de gaz total
Debite si concentratii in fluxul de gaz sarac la iesirea din coloana:
Debite si concentratii in absorbantul sarac la intrarea in coloana:
Cunoscand concentratia solutiei de amina se poate calcula debitul de solutie apoasa
de MEA:
9
Solutia apoasa de MEA este alcatuita din:3998.28 kg/h MEA si 26657-
3998.28=22658.72kg/h apa=1258.81kg/h.
Unde: -debitul solutiei de absorbant sarac, kg/h;
Debite si concentratii in absorbantul bogat la iesirea din coloana:
sau
10
1.2. BILANTUL TERMIC PE COLOANA DE ABSORBTIE
Cu relatiile de mai jos se estimeaza temperatura T1, respectiv temperatura Tn
T1=T0+5...10oC
T1=32+10=42oC
Tn=Tn+1+10...30oC
Tn=25+27=52oC
Temperatura Tn se verifica cu relatia de bilant termic, in care debitele
fluxurilor implicate au fost calculate anterior, si anume:
( )
Unde: -debitul de H2Sabsorbit kg/h;
Los -debitul solutiei de absorbant sarac, kg/h;
Caldura specifica medie izobara a gazului purtator (metan), se calculeaza cu
relatia de mai jos, la temperatura medie aritmetica intre T1 si Tn+1:
Unde: A, B, C, D – constante specifice gazului purtator (metan) care sunt
tabelate in literatura [7].
2
11
2
Caldura specifica medie a solutiei de absorbant cpL0 se citeste din grafice din
literatura [1], la temperatura medie aritmetica intre T0 si Tn. Se obtine:
C
Unde: 0G
pc - căldura specifică medie izobară a gazului purtător, kJ/kg˚C, care
se calculează cu relaţii din literatură [2];
0L
pc - căldura specifică medie a soluţie de absorbant sărac, kJ/kg˚C,
care se citeşte din grafice de literatură [2];
Caldura de reactie a H2S cu MEA se citeste din tabele din literatura [1]. Se
obtin:
( )
( )
Valoarea temperaturii in baza coloanei de absorbtie obtinuta cu reltia de mai
sus,este in buna concordanta cu valoarea presupusa Tn =52oC si deci calculul
temperaturii Tn se considera incheiat. Se calculeaza temperatura medie pe coloana
ca media aritmetica intrte T1 si Tn si se obtine Tm=47oC.
12
1.3. Determinarea numarului de talere teoretice din coloana de absorbtie
Numarul de talere teoretice se determina prin metoda grafica simplificata si
se parcurg urmatoarele etape:
La temperatura medie pe coloana si pentru valori de X cuprinse intre X0 si
Xn se citesc din grafice din literatura [1] valorile presiunii partiale H2S;
Din legea lui Dalton se calculeaza fractiile molare ale H2S care apoi se
trensforma in rapoarte molare Y, cu relatia:
Unde: Yn+1,Y1 –concentratiile solutului in gazul purtator, exprimate ca raport
molar: kmol solut/kmol gaz purtator la intrarea, respectiv la iesirea din
coloana;
Curba de echilibru Y-X se reprezinta in grafic semiloaritmic;
Din calculele anterioare se fixeaza coordonatele punctelor prin care trece
dreapta de operare: A(0.05; 0.00333); B(Xn; 0.1). Abscisa punctului B(Xn)
se alege prin incercari succesiveastfel incat sa se obtina 2-3 talere teoretice.
Se alege Xn=0.6 kmol H2S/kmol MEA;
Pentru reprezentarea dreptei de operare in grafic semilogaritmic sunt
necesare si alte puncte intermediare in afara punctelor extreme A si B.
Inecuatia dreptei de operare se dau valori lui X intre X0 si Xn si se calculeaza
valorile lui Y. Rezultatele sunt trecute in tabelul 1.;
Se prezinta in acelasi grafic, in coordonatele Y-X, atat curba de echilibru cat
si curba de operare si se duc orizontale si verticale pornind de la punctul B la
punctul A. Numarul de orizontale prezinta necesarul de echilibre pentru
absorbtia respectiva.
13
Tabelul 1. Calculul curbei de operare si curba de echilibru pentru coloana
de absorbtie a H2S in solutie de MEA
X
kmol H2S/kmol
MEA
y=
bar Y=
fractii molare
Y=
( )
Kmol H2S/kmol gaz
purtator
X0=0.05 3.17 10-5
3.17 10-5 Y1=0.000333
0.1 1.6 10-4
1.6 10-4 0.00131
0.2 6.78 10-4
6.78 10-4 0.00327
0.3 1.73 10-3
1.73 10-3 0.0523
0.4 5 10-3
5. 10-3 0.0718
0.5 8.3 10-2
8.37 10-2 0.0914
Xn=0.6 1.49 10-2
1.51 10-2 Yn=0.111
1.4. Dimensionarea coloanei de absorbtie
1.4.1. Diametrul coloanei de absorbtie
Coloana de absorbtie este prevazuta cu umplutura clasica, nestructurata (se
aleg inele Raschig de ceramica, de dimensiuni 25∙25∙3 mm cu caracteristici
recomandate de literatura [1]).
Pentru determinarea debitului volumic de gaz bogat este necesar calculul
masei milare medii, cu relatia urmatoare:
Densitatea fazei vapori la intrarea in coloana se calculeaza cu relatia:
( )
14
Densitatea solutiei de MEA la iesirea din coloana se citeste din grafice din
literatura [1] (se neglijeaza contributia H2S absorbit la densitatea solutiei de
absorbant): =990kg/m3.
Viscozitatea cinematica a solutiei de MEA se citeste din grafice din
literatura [1], la temperatura din baza si se obtine: Viscozitatea dinamica solutiei de absorbant bogat se calculeaza cu relatia:
Calcului vitezei vic se face cu ajutorul relatiei lui Kafarov:
(
)(
)( )
(
) (
)
(
)(
) ( ) ]
(
) (
)
vic=2.5 m/s
Unde: Lg,Vg –debitele masice de absorbant bogat, respectiv de gaz
bogat;
vi –viteza de inecare a vaporilor, raportata la sectiunea libera a
coloanei, lipsita de umplutura, in m/s;
A –constanta a carei valoare depinde de tipul sistemului de
separat;
-densitatea gazului bogat in conditii de temperatura la
intrarea in coloana si la presiunea pe coloana, respectiv
densitatea absorbantului bogat in conditiile de temperatura la
iesirea din coloana, in kg/m3:
a –aria specifica a umpluturii, in m2/m
3;
-fractia de goluri a umpluturii, in m3/m
3;
15
-viscozitatea absorbantului lichid, in kg/ms;
g –acceleratia gravitationala.
Din relatia urmatoare se calculeaza viteza reala a fazei vapori in sectiunea
libera a coloanei:
Unde: vr –viteza reala a fazei vapori in sectiunea libera a coloanei
(lipsita de umplutura) in m/s;
FI –factorul de inecare =0.5 ... 0.6 recomandata de literatura
[7];
vi –viteza de inecare a vaporilor, raportata la sectiunea libera a
coloanei, lipsita de umplutura, in m/s;
Din relatia urmatoare se calculeaza diametrul coloanei de absorbtie:
√
√
1.4.2. Inaltimea coloanei de absorbtie
Pentru determinarea inaltimii echivalente a talerului teoretic, se calculeaza
viteza de masa a solutiei de absorbant bogat cu relatiile:
16
(
)
(
)
Unde: Lg –viteza de masa a fazei lichide, kg/m2 s;
dp –diametrul nominal al umpluturii, m;
–viscozitatea fazei lichide, cP;
Sa se calculeze inaltimea de umplutura stiind ca numarul de talere teoretice
este 3:
( )
Se cunoaste ca inaltimea unui tronson este de max 2.5 ... 3 m
Pentru calculul inaltimii coloanei de absorbtie se alege: sTR=0.3 m; Iv=1 m;
Ib=1.5m.
( )
Unde: NTR –numarul de tronsoane de umplutura, se alege in functie de
inaltime Iu si tinand cont de faptul ca inaltimea unui tronson
trebuie sa fie 2.5 ... 3 m;
Sr –distanta intre tronson se alege 0.3 ... 0.5 m;
Iv –inaltimea de la stratul de umplutura la varful coloanei, se
alege 0.75 ... 1 m:
Ib –inaltimea de la baza coloanei la stratul de umplutura, se
alege 1 ... 1.5 m;
17
1.5. CALCULUL PIERDERILOR DE ABSORBANT
La varful coloanei de absorbtie au loc pierderi de absorbant datorita
antrenarilor cu gaz inert. Aceste pierderi se calculeaza cu relatia se mai jos. Debitul
molar de gaz purificat de la varful coloanei de absorbtie, precum si fractiile molare
ale apei si MEA in amestecul absorbant sunt calculate anterior.
∑
∑
( )
Unde: Lp –reprezinta debitul molar de absorbant pierdut pe la varful
coloanei de absorbtie;
G1 –debitul de gaz purificat la varful coloanei de absorbtie,
kmol/h;
xi –fractia molara a componentului i din amestecul absorbant;
Ki –constanta de echlibru a componentului i din amestecul
absorbant la temperatura si presiunea de la varful coloanei.
Constantele de echilibru ale apei si MEA in amestecul absorbant la
temperatura si presiunea de la varful coloanei s-au citit din graficele din anexele 1
si 2.
Fractiile molare fara vapori care se calculeaza cu relatia:
Unde: yapa;yamina –fractiile molare in faza vapori;
Pierderile din fiecare component al absorbantului sarac se calculeaza cu
relatiile:
( )
( )
18
( )
( )
19
CAP. 2. PROIECTAREA TEHNOLOGICA A COLOANEI DE DESORBTIE
Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din solutia de
absorbant bogat ce alimenteaza coloana de desorbtie, pentru un debit de abur de
stripare dat, necesita un numar de talere sau un strat de umplutura de o anumita
inaltime. Calculul acestora se face in functie de numarul de talere teoretice. Se
aplica pentru determinarea numarului de talere teoretice tot metoda grafica
simplificata, dar datele de echilibru ale sistemului studiat se obtin la temperaturii
medii mai mari, specifice operatiei de desorbtie.
In practica industriala, striparea gazelor acide (si in special H2S) se face cu
abur indirect folosind un refierbator. Aburul de stripare care paraseste coloana pe
la varf se condenseaza si se reantoarce in coloana ca reflux. In acest caz, fluxurile
si caoncentratiile lor sunt cele simbolizate in figura 3.
Figura 3. Fluxurile si concentratiile lor in coloana de stripare
20
In figura 2 semnificatia simbolurilor este:
L0 –debitul solutiei de absorbant, kmol/h;
LR –refluxul, concentrat in apa, kmol/h;
Xn –concentratia solutului (H2S sau Co2) in absorbantul bogat, kmol
solut/kmol MEA;
X0 –concentratia H2S/CO2 in absorbant sarac, kmol solut/kmolMEA;
Yb –concentratia solutului (H2S sau CO2) in abur la iesirea din
refierbator, kmol solut/kmol abur;
Yv –concentratia solutului (H2S sau CO2) in abur la iesirea din
coloana, kmol solut/kmol abur.
Datele initiale necesare calculului de proiectare a coloanei de desorbtie sunt:
debitul de alimentare cu absorbant bogat si concentratia solutului (H2S sau
CO2) in absorbant Xn (de la coloana de absorbtie)
gradul de stripare sau concentratia solutului in solutia stripata;
concentratia solutului in absorbantul sarac, X0;
temperatura in baza coloanei TB (aleasa in functie de indicatiile din
literatura [1.3]);
temperatura refluxului TR (aleasa in functie de indicatiile lin literatura [1]);
temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat in coloana, egala cu
temperatura de iesire dupa schimbul de caldura cu absorbantul sarac de la
baza coloanei de desorbtie se estimeaza comform literaturii [1];
ratia de reflux[1-3];
presiunea in varful si la baza coloanei de desorbtie.
Algoritmul de calcul al coloanei de desorbtie are urmatoarele etape:
se determina temperatura la varful coloanei, se efectueaza bilantul termic pe
coloana si se calculeaza debitul de vapori de stripare, precum si consumul
de abur la refierbator;
se calculeaza temperatura medie pe coloana de desorbtie si la aceasta
temperatura se obtin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant;
se determina diametrul si inaltimea coloanei cu netodologia specifica tipului
de dispozitive de contactare (talere sau umplutura).
21
2.1 Bilantul termic si regimul de temperaturi
Pentru determinarea temperaturii la varful coloanei de desorbtie se pleaca de
la faptul ca in conditii de echilibru, presiunea partiala a aburului (componentul
majoritar la varful coloanei) este egala cu presiunea de vapori a apei. Presiunea
partiala a solutului (pH2S/CO2) se obtine din legea lui Dalton:
Unde: Pv –presiunea la varful coloanei de desorbtie, bar;
-presiunea de vapori a apei la temperatura de varf, care se
calculeaza cu relatia lui Antoine:
Unde: A,B,C –reprezinta constantele lui Antoine pentru apa;
yabur –fractia molara de abur calculata cu relatia:
Unde: GR –debitul de H2S absorbit, kmol/h;
R –ratia de reflux;
LR –debitul de reflux, calculat cu relatia:
22
Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat in coloana este egala cu
temperatura de iesire dupa schimbul de caldura cu absorbantul sarac de la baza
coloanei de desorbtie, se alege Tf=80 oC.
Temperatura medie pe coloana se calculeaza ca media aritmetica intre
temperatura de varf si temperatura de baza:
Presiunea medie se calculeaza ca media aritmetica intre presiunea din varf si
presiunea din baza:
Se calculeaza sarcina termica a refierbatorului cu relatia:
( ) (
)
( ) ( )
Unde: -entalpia vaporilor de apa la temperatura Tv=96
oC s-a citit
din tabelele din literatura [7], kj/kg;
-entalpia refluxului la temperatura TR=60
oC, s-a citit din
tabelele din literatura [7], kj/kg;
-se citeste din graficele din literatura [1] in functie de
temperatura medie aritmetica intre Tb si TR si concentratia
solutiei de MEA;
-se citeste din tabelele din literatura [1] in functie de tipul
absorbantului.
Debitele masice ale fluxurilor implicate in relatia de mai jos, se calculeaza
. Fractia molara a apei in vaporii VB la echilibru cu solutia apoasa de amina se
determina astfel: pentru o solutie care contine 12.2% masa amina si 87.8% masa
apa se citeste din grafice din literatura [1] compozitia apei in faza vapori si se
obtine 99% masa. Se transforma compozitia fazei vapori din % masa in fractii
molare si se gaseste y=0.997 fractii molare apa.
23
( )
( ) ( )
Unde: -caldura latenta de vaporizare a apei la temperatura TB,
kj/kg [7];
-caldura latenta de vaporizare a aminei la
temperatura TB, kj/kg, din grafice din literatura [1].
2.2. Determinarea numarului de talere teoretice din coloana de desorbtie
Numarul de talere teoretice se determina prin metoda grafica simplificata [1]
bazata pe curba de echilibru pentru sistemele gaz acid-amina la temperatura si
presiunea medie pe coloana, si pe dreapta de operare. Curba de echilibru Y-X se
calculeaza pornind de la valorile presiunii partiale H2S citite din graficele din
literatura [1] pentru diferite valori de X si la temperatura medie pe coloana de
desorbtie Tm=105 oC. Dreapta de operare trece prin punctele definite de
concentratiile fluxurilor in contracurent la extremitatile zonei de desorbtie din
coloana, si anume punctul A (Xn,Yf) si punctul B (X1,Yb). Concentratia Yf se
calculeaza cu relatia:
24
Concentratia Yb se citeste din curba de echilibru Y-X, la valoarea lui
X0=0.05 kmol H2S/kmol MEA. Se obtine: Y=0.0023 kmol H2S/kmol abur.
Concentratia X1 se calculeaza cu relatia:
Pentru reprezentarea curbei de operare sunt necesare si alte puncte
intermediare in afara punctelor extreme A si B. Calculul lor se face cu cu ecuatia
dreptei de operare, dand valori lui X intre X1 si Xn. In cazul punctelor intermediare
ale curbei de operare se tine seama ca in zona de stripare, debitul de valori V
scade liniar intre VB si V0. Din aceste considerente trebuie reprezentata grafic
variatia debitului de vapori cu concentratia X [1].
Se reprezinta in acelasi grafic, in coordonate Y-X, atat curba de echilibru cat
si dreapta de operare si se duc orizontale si verticale pornind de la punctul B la
punctul A. Numarul de orizontale reprezinta necesarul de echilibre pentru desorbtia
respectiva. Rezultatele sunt prezentate in tabelul 2.
( )
Tabelul 2. Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbtie a H2S din
solutia de MEA 15%
X
Kmol H2S/kmol
MEA
Y
Kmol H2S/kmol
abur
y=
bar Y=
fractii molare
X1=0.063 Yb=0.0045 1.43 1.45
0.1 0.0144
0.2 0.043
0.3 0.071
0.4 0.0998
0.5 0.128
Xn=0.6 0.157
25
Se reprezinta in acelasi grafic, in coordonate Y-X, atat curba de echilibru cat
si curba de operare si se duc orizontale si verticale pornind de la punctul B la
punctul A. Numarul de orizontale se reprezinta necesarul de echilibre pentru
absorbtia respectiva si s-a obtinut 2.5 talere teoretice (figura 5).
2.3. Diametrul coloanei de desorbtie
Coloana de desorbtie este prevazuta tot cu umplutura clasica, nestructurata,
de acelasi tip ca la coloana de absorbtie. Calculul diametrului se face atat in zona
superioara cat si in cea inferioara a coloanei de desorbtie.
2.3.1. Calculul diametrului in zona supoerioara
Sarcina maxima de vapori in zona superioara este:
Masa molara medie a vaporilor se calculeaza cu relatia:
( )
( )
Debitul masic de vapori este:
26
Densitatea vaporilor se calculeaza cu relatia:
( )
Aplicant legea generala a gazelor se calculeaza debitul volumic de vapori:
Debitul maxim de lichid la varful coloanei este:
Densitatea solutiei de absorbant, la temperatura Tf este: =965 kg/m3, citita
din grafice din literatura [1]. Viscozitatea solutiei de absorbant, citita din tabele din
literatura [1], este: =0.3088 10-3
kg/ms.
Calculul vitezei vic se face cu ajutorul relatiei lui Kafarov:
(
)(
)( )
(
) (
)
(
)(
) ( ) ]
(
) (
)
Cu relatia de mai jos se calculeaza viteza reala a fazei vapori in sectiunea
libera a coloanei, pentru un factor de inecare FI=0.5:
vr=FI vic
vr=0.5 1.0805=0.540 m/s
27
Se calculeaza diametrul coloanei de stripare in zona superioara, cu relatia:
√
√
2.3.2. Calculul diametrului in zona inferioara
Sarcina maxima de vapori in zona inferioara este:
Densitatea vaporilor se obtine din literatura [7] la temperatura din baza,
considerand ca vaporii sunt alcatuiti numai din abur: =0.965 kg/m3. Aplicand
legea generala a gazelor se calculeaza debitul volumic de vapori:
Debitul maxim de lichid este:
Densitatea solutiei de MEA 12.2% masa, la temperatura din baza este:
=940.4 kg/m3 [1].
Viscozitatea dinamica a solutiei de MEA 12.2% masa, la temperatura sin
baza este: =0.25667 10-3
kg/ms [1].
Calculul vitezei vic se face cu ajutorul relatiei lui Kafarov:
28
(
)(
)( )
(
) (
)
(
)(
) ( ) ]
(
) (
)
Calculul diametrului coloanei de desorbtie in zona inferioara se calculeaza
cu relatia:
√
√
Deoarece diferenta intre diametrul zonei superioare si cel al zonei inferioare
nu este mai mare de 0.2 m, intreaga coloana se construieste cu diametrul zonei
inferioare.
2.4. Calculul schimbului termic absorbant sarac-absorbant bogat
Absorbantul sarac iese din refierbatorul coloanei de stripare cu temperatura
Tb si trebuie sa intre varful coloanei de absorbtie cu temperatura T0=32 oC. Se
impune un schimb de caldura intre absorbantul bogat care iese de la baza coloanei
de absorbtie cu temperatura Tn =52 oC si care trebuie sa intre ca flux de alimentare
29
in coloana de stripare la temperatura Tf=80 oC si absorbantul regeberat care iese
din refierbator cu temperatura de 115 oC.
Temperatura care iese absorbantul regenerat din schimbul de caldura se
presupune ca fiind Tx=89 oC si se verifica cu relatia:
( ) ( )
Caldura specifica medie a solutiei de absorbant se citeste din grafice din
literatura la temperatura medie aritmetica a temperaturii respective [1].
Temperatura Tx=89 oC presupusa s-a verificat deoarece relatia s-a verificat in
limita unei erori impuse (<2%).
2.5. Determinarea necesarului de apa de racire la racitorul suplimentar
Necesarul de apa de racire la racitorul suplimentar se calculeaza cu relatia
urmatoare, considerand ca apa intra cu temperatura de 28 oC si iese cu 32
oC.
( )
( )
Unde: -debitul de apa de racire, kg/h;
-entalpiile apei de racire la temperatura de
iesire/intrare in kj/kg; CpLo –caldura specifica medie a solutiei de absorbant sarac,
kj/kg oC. Se citeste din grafice din literatura la temperatura
medie aritmetica a temperaturilor respective [1].
30
2.6. Determinarea necesarului de apa la condensatorul coloanei de stripare
Se determina mai intai sarcina condensatorului cu relatia:
( ) (
)
( ) ( )
Unde: QC –sarcina condensatorului, kj/h;
V0 –debitul de vapori de apa la varful coloanei, kg/h;
GR –debitul de gaz acid desorbit. Se considera ca tot gazul acid din
alimentarea coloanei de stripare a fost desorbit, adica se neglijeaza
continutul de gaz acid din solutia de absorbant regenerata, kg/h;
-entalpia gazului desorbit la temperatura Tv, kj/kg;
- entalpia gazului desorbit la temperatura TB, kj/kg.
Cunoscand sarcina condensatorului se poate calcula debitul de apa de racire
GA, cu relatia:
Unde: GA –debitul de apa de racire la condensator, kg/h.
31
2.7. Determinarea necesarului de abur saturat la refierbator
Cunoscand sarcina refierbatorului coloanei de stripare se poate calcula si
debitul de abur la refierbator GB, se calculeaza cu relatia urmatoare, considerand ca
se foloseste abur de 6bar si o temperatura de 115 oC.
Unde:
-entalpia aburului/apei la intrarea/iesirea in
refierbator, kj/kg [7].
32
BIBLIOGRAFIE
1. Strătulă,C., Purificarea gazelor, Editura Ştiinţifică si Enciclopedică, Bucureşti, 1984;
2. Perry,R., Green, G.,Perry`s Chemical Engineer`s Handbook, Section 14:Gas Absorption
and Gas-Liquid System Design, The McGraw Hill Company, 1999;
3. Kohl, A., Nielsen, R., Gas Purification, 5th, ISBN 0-88415-220-0, 1997;
4. Robu, V. I., Procese si Aparate de Separare in Industria Petrolului si Petrochimie,
Editura Didactica si Pedagogica, bucuresti, 1968
5. Suciu, G. C. (coordonator), Ingineria prelucrii hidrocarburilor, vol. 1, Editura Tehnica,
Bucureşti, 1997;
6. Taran, C., Strătulă, C., Procese difuzionale de separare, vol.2, IPG, Ploieşti,1979;
7. Şomoghi, V., Proprietăţi fizice utilizate in calculele termice si fluidodinamice, U.P.G.,
Ploieşti 1997;
8. Strătulă, C., Fracţionarea, Principii si Metode de Calcul, Editura Tehnică, Bucureşti,
1986;
9. Marinoiu, V., Paraschiv, N., Automatizarea proceselor chimice, vol. 2, Editura
Tehnică,1992;
33
ANEXA 1.
34
ANEXA 2.
35
ANEXA 3.
36
ANEXA 4.
Figura 6. Schema automatizata a instalaţiei de eliminare a hidrogenului sulfurat