UNIVERSITATEA PETROL si GAZE- DIN PLOIETIFACULTATEA: TEHNOLOGIA PETROLULUI I PETROCHIMIESPECIALIZAREA: INGINERIA PROTECIEI MEDIULUIPURIFICAREA GAZELOR INDUSTRIALE STUDENT: Neacsu Monica ANUL IV2011CUPRINSTEMA PROIECTULUI......................................................................................................4 PROIECTAREA TEHNOLOGIC A COLOANEI DE ABSORBIE................................. 5 Calculul debitelor i concentraiilor n coloana de absorbie .................................... 5 Bilanul termic pe coloana de absorbie .......................................................................6 Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de absorbie ...................... 7 Dimensionarea coloanei de absorbie..........................................................................8 Diametrul coloanei de absorbie..........................................................................................8 nlimea coloanei de absorbie ...........................................................................................9 PROIECTAREA TEHNOLOGICA A COLOANEI DE STRIPARE .................................... 9 Bilanul termic, regimul de temperaturi i consumul de abur.................................... 9 Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de stripare....................... 12 Dimensionarea coloanei de stripare ...........................................................................13 Diametrul coloanei de stripare ...........................................................................................13 nlimea coloanei de desorbie .........................................................................................13 Calculul schimbului termic absorbant srac-absorbant bogat ................................ 13 Determinarea necesarului de ap de rcire la rcitorul suplimentar....................... 14 Calculul pierderilor de absorbant...............................................................................15 EXEMPLU DE CALCUL ................................................................................................16 Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbie...................................................... 16 Calculul debitelor i concentraiilor n coloana de absorbie .............................................16 KMOLI/H........................................................................................................................16 Bilanul termic pe coloana de absorbie............................................................................17 Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de absorbie .............................18 Dimensionarea coloanei de absorbie ...............................................................................19 Proiectarea tehnologic a coloanei de stripare ......................................................... 20 Bilanul termic, regimul de temperaturi i consumul de abur............................................20 Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de stripare................................22 Dimensionarea coloanei de stripare..................................................................................23 2Calculul schimbului termic absorbant srac-absorbant bogat ..........................................26 Determinarea necesarului de ap de rcire la rcitorul suplimentar................................26 Calculul pierderilor de absorbant.......................................................................................26 Automatizarea instalaiei de eliminare a hidrogenului sulfurat............................... 27 BIBLIOGRAFIE .............................................................................................................28 ANEXE ...........................................................................................................................30 Anexa 1 Determinarea numrului de talere teoretice prin metoda grafic pentru coloana de absorbie a H2S n soluii apoase de MEA .............................................. 30 Anexa 2 Determinarea numrului de talere teoretice prin metoda grafic pentru coloana de desorbie a H2S din soluii apoase de MEA ............................................ 31 Anexa 3 Variaia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbie.................. 32 Anexa 4 Schema tehnologic de eliminare a H2S.................................................. 33 Anexa 5 Tema proiectului-Formularul Original.......................................................34 3 PROIECTUL TEHNOLOGIC AL UNEI INSTALAII DE ELIMINARE A DIOXIDULUI DE CARBON DINTR-UN FLUX DE METAN PRIN ABSORBIE N SOLUIE APOAS DE DEA TEMA PROIECTULUIS se ntocmeasc proiectul tehnologic al unei instalaii de eliminare a CO2prin absorbie n soluie apoas de DEA.Date de intrare:Gazul impurificat: metanDebit de alimentare: 150.000 Nm3/ziConcentraia CO2: intrare: 6% vol.ieire/grad de absorbie: 98%Concentraia soluiei apoase de DEA: 20% masGradul de ncrcare al absorbantului srac: X0 = 0,03 kmol CO2/kmol DEAParametrii de lucru in coloana de absorbie:Presiune: 4 barTemperatura de intrare gaz impurificat: 25 CTemperatura de intrare absorbant srac: 32 C Parametrii de lucru n coloana de desorbie:Presiune la vrf: 1,1 barPresiune la baz: 1,5 barTemperatura n refierbtor: 115 CTemperatura refluxului: 60CRaia de reflux: 3:1Tipul de colon de absorbie:umplutura inele Raschig 1 Tipul de coloan de desorbie: umplutura inele Raschig 1

4Se cere s se determine: Bilanurile materiale pe cele dou coloane Bilanurile termice pe cele dou coloane nltimea i diametrul celor dou coloane Necesarul de utiliti Pierderile de amin i apSe va alctui schema tehnologic i de automatizare a instalaieiPROIECTAREA TEHNOLOGIC A COLOANEI DE ABSORBIEProiectarea tehnologic a unei astfel de coloane const n stabilirea necesarului de echilibre, a diametrului i nlimii. Calculul debitelor i concentraiilor n coloana de absorbieOperaia de absorbie are rolul de elimina din fluxul de metan impurificat, hidrogenul sulfurat folosind ca absorbant soluie apoas de DEA 20% masa.Fluxurile din coloana de absorbie i concentraiile lor sunt cele prezentate n figura 2.1:5

n figura 2.1 semnificaia simbolurilor este:G0 - debitul de gaz purttor (metan), kmoli/h;L0- debitul de absorbant (DEA), kmoli/h;Yn+1,Y1 concentraiilesolutului (CO2) n metan, kmoli solut/kmol gaz purttor la intrarea/ieirea din coloan;Xo, Xn- concentraia solutului (CO2) n absorbant, kmoli solut/kmol absorbant la intrarea/ieirea din coloan.Tn+1, T1- temperatura fluxului de metan la intrarea/ieirea din coloan;T0, Tntemperaturafluxului de absorbant la intrarea/ieirea din coloanFigura 2.1. Fluxurile i concentraiile lor n coloana de absorbieDin datele de intrare se calculeaz debitul molar G0 i concentraiile Yn+1, Y1.Concentraia Xn se alege astfel nct la determinarea numrului de talere teoretice prin metoda grafic s rezulte un numr rezonabil de talere (2-3 talere).Debitul molarL0se calculeaz prin bilan material n jurul coloanei de absorbie (contur I ) din figura 2.1.ncontinuaresecalculeaz debitele pariale alecomponenilornfiecarefluxla intrarea i ieirea din coloan i concentraiile componenilor n fracii molare.Bilanul termic pe coloana de absorbieBilanul termic se efectueaz pe conturul I din figura 2.1 i are ca scop determinarea temperaturii Tn din baza coloanei de absorbie i a temperaturii medii: n nn nTLST RT TGTLSTnTGnh L h GH G H G h L H G H G01 10001 100 C02 C02C021C0210 0 C021CO210 + + + + ++ +++(1.1)unde:1010, G Gn+reprezint debitul de gaz purttor (metan) la intrarea/ieirea din coloan, kg/h;61010,TGTGH Hn+- entalpia n faz vapori a gazului purttor la temperatura Tn+1, respectiv T1, kJ/h;11CO21CO2, G Gn+- debitul de CO2 la intrarea/ieirea din coloan, kg/h;1 1CO2 CO2,T TH Hn+- entalpia n faz vapori a CO2 temperatura T n+1, respectiv T1, kJ/h;SL0- debitul soluiei de absorbant srac, kg/h;nTLTLh h000,- entalpia n faz lichid a absorbantului la temperaturaT0, respectiv T n, kJ/h;RGCO2- debitul de CO2 absorbit, kg/h;nThCO2-entalpia n faz lichid a CO2 absorbit la temperatura T n, kJ/h;Considernd c att gazul purttor (metanul) ct i soluia de absorbant srac au aceeai compoziie la intrarea i ieirea din coloan, se poate scrie:) ( ) (1 1 0 001010+ +n pTGTGT T c G H H GGn(1.2)) ( ) (0 0 0000 0T T c L h h Ln p sTLTL sln (1.3)unde:0 Gpcreprezint cldura specific medie izobar a gazului purttor, kJ/kgC, care se calculeazcu relaii din literatur [7, pg.139];0 lpc- cldura specific medie a soluiei de absorbant srac, kJ/kgC, care se citete din grafice din literatur [7, pg.165];1T - temperatura la vrful coloanei, care se estimeaz astfel:C T To0110 ... 5 + ;nT- temperatura la baza coloanei, care se estimeaz astfel:C T Tn n0130 .. 10 + +.De asemenea, innd seama de cldura de reacie RH [7, pg.141] i de faptul c debitul de absorbant la ieirea din coloan este foarte mic i se poate neglija, relaia (1.1) se reduce la forma:) ( ) (0 0 1 1 0 CO20 0T T c L T T c G H Gn p s n p RRl G + +(1.4)Din relaia (1.4) se obine [7, pg.165]:00 001 1 0 0 0 CO2) (lG lp sn p p s RRb nc LT T c G T c L H GT T+ + (1.5)Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de absorbieNumrul de talere teoretice se determin prin metoda grafic simplificat [4, pg.398; 7, pg.147; 9, pg.163; 10, pg.22] bazat pe curba de echilibru pentru sistemul CO2-DEA la presiuneadincoloani peaanumitadreaptdeoperare.CurbadeechilibruX-Yse calculeaz pornind de la valorile presiunii pariale CO2citite din grafice din literatur [7, pg.321] pentru diferite valori de X i la temperatura medie pe coloana de absorbie. Dreapta de operare trece prinpunctele definite de concentraiile fluxurilor ncontracurent la extremitile coloanei i anume punctul A (Xo, Y1) i punctul B (Xn, Yn+1). Concentraia Xn sealegeastfel nct prinplasareacorespunztoareapunctuluiBsrezulte3talere teoretice. Datorit faptului c valorile Y variaz pe un domeniu foarte mare, reprezentarea graficexact ncoordonaterectangularenecesitodimensiunemareagraficului pe 7ordonat. Deaceea,nacestcazse apeleaz la graficul semilogaritmic unde dreapta de operare devineocurb[7,pg.147]. Pentru reprezentarea ei sunt necesare i alte puncte intermediare n afara punctelor extreme AiB. Calculul lor se face cu ecuaia dreptei de operare [7, pg.83] dnd valorilui X ntre X0 i Xn. Sereprezintnacelai grafic, ncoordonateX-Y, att curbadeechilibruct i curbadeoperare iseducorizontale i verticale pornind de la punctulBla punctulA. Numrul de orizontale reprezint necesarul de echilibre pentru absorbia respectiv.Dimensionarea coloanei de absorbieDiametrul coloanei de absorbieColoanadeabsorbieeste prevzutcu umpluturclasic, nestructurat (sealeg inele Raschig de ceramic, de dimensiuni 25 25 3 mm cu caracteristici recomandate de literatur [7, pg.451; 10, pg.381]). Pentrucalcululdiametruluiseapeleaz la ecuaia continuitii volumiceaplicat fazei gazoase la intrarea n coloan:42cr c rDv A v V (1.6)unde: V reprezint debitul volumic de gaz bogatn m3/s;vr viteza real a fazei vapori n seciunea liber a coloanei (lipsit de umplutur) n m/s ; ea se calculeaz cu relaia:vr=F vc; (1.7)vc viteza de necare a fazei vapori n m/s ;F factor de necare egal cu 0,50,6 recomandat de literatur [7, pg.482; 10, pg.349];Ac aria seciunii transversale a colonei n m2;Dc diametrul coloanei n m.Deci, calculul coloanei deabsorbiecuumpluturserezum defaptlacalculul vitezeivc. Acest calcul sepoateefectua cuajutorulrelaieiluiKafarov [7,pg.481,10, pg.382]:( )8 / 14 / 116 , 033275 , 1 10 lg

,_

,_

11]1

,_

,_

lvggllv iVLAga v(1.8)unde:g gV L ,reprezint debitele masice de absorbant bogat, respectiv de gaz bogat;iv - viteza de necare a vaporilor, raportat la seciunea liber a coloanei, lipsit de umplutur, n m/s;A constant a crei valoare depinde de tipul sistemului de separat [10, pg.382]8l v ,- densitatea gazului bogat n condiiile de temperatur la intrarea n coloan i la presiunea pe coloan, respectiv densitatea absorbantului bogat n condiiile de temperatur la ieirea din coloan, n kg/m3;a- aria specific a umpluturii,n m2/m3; - fracia de goluri a umpluturii, n m3/m3l- viscozitatea absorbantului lichid, n kg/m s;g acceleraia gravitaional.nlimea coloanei de absorbieSe calculeaz cu relaia [6, pg.493]:( )1C U TR TR v bI I N s I I + + +(1.9)unde: IC - reprezint nlimea coloanei, m;IU nlimea umpluturii,se alege=12 m, NTR numrul de tronsoane de umplutur, se alege n funcie de nlimea IU i innd cont de faptul c nlimea unui tronson trebuie s fie 2,53 m [6, pg.493];STR distana ntre tronsoane, se alege 0,30,5 m [6, pg.493];Iv nlimea de la stratul de umplutur la vrful coloanei, se alege 0,751 m [6, pg.490];Ib - nlimea de la baza coloanei la stratul de umplutur, se alege 11,5m [6, pg.490].PROIECTAREA TEHNOLOGICA A COLOANEI DE STRIPAREStriparea absorbantuluibogat de la baza coloanei de absorbie se face prin fracionare. Coloana de fracionare are rolul de a regenera absorbantul care se recircul la coloana de absorbie.Bilanul termic, regimul de temperaturi i consumul de aburFluxurile din coloana de stripare i concentraiile lor sunt cele prezentate n figura 3.1:9In figura 3.1 semnificaia simbolurilor este:L0 reprezint fluxul absorbant, kmoli/h;LR refluxul, concentrat n ap, kmoli/h;Xn-concentraia CO2 n absorbantul bogat, kmoli CO2 /kmol DEA;X0-concentraia CO2 n absorbantul srac, kmoli CO2/kmol DEA;Yb-concentraia CO2 n abur la ieirea din refierbtor, kmoli CO2 /kmol abur;Yv-concentraia CO2 n abur la ieirea din coloan, kmoli CO2 /kmol abur;Figura 3.1. Fluxurile i concentraiile lor n coloana de stripare 10Pentrudeterminareatemperaturii lavrfulcoloanei dedesorbiesepleacdela faptul c n condiii de echilibru, presiunea parial a aburului (componentul majoritar la vrful coloanei) este egal cu presiunea de vapori a apei. Presiunea parial 2COp este dat de legea lui Dalton:VTapa abur V COP y P p 2(2.1)unde: VPreprezint presiunea la vrful coloanei de desorbie, bar (din datele de proiectare);abury- fracia molar de abur calculat cu relaia (2.2):RCO RRaburG LLy2+(2.2)RL - debitul de reflux calculat cu relaia (2.3):RCO RG R L2 (2.3)R raia de reflux (din datele de proiectare);RGCO2- debitul de CO2 absorbit, kmoli/h:VTapaP- presiunea de vapori a apei la temperatura de vrf.Temperatura la vrf se calculeaz cu relaia lui Antoine:VTapaT CBA Pv+ ln(2.4)unde: A, B, C reprezint constantele lui Antoine pentru ap [3, pg.632].Temperatura n baza coloanei TB se estimeaz conform literaturii [7, pg. 176] (vezi datele de proiectare).Temperatura refluxului TR se estimeaz conform literaturii [7, pg. 176] (vezi datele de proiectare).Temperatura de intrareTfa absorbantului bogat n coloan este egal cu temperatura de ieire dup schimbul de cldur cu absorbantul srac de la baza coloanei de desorbie, se estimeaz conform literaturii [7, pg. 176].Temperatura medie pe coloan se calculeaz ca medie aritmetic ntre temperatura din vrf i temperatura din baz.Presiuneamediesecalculeaz camediearitmetic ntrepresiuneadinvrf i presiunea din baz (din datele de proiectare).Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbtorului, respectiv consumul de abur VB se efectueaz un bilan termic pe coloana de desorbie conform conturului I din figura 2:BsV R V RRf fsTLsT TV BTLRTRTLsh L H G H V Q h L h G h L0000 CO2 CO2 0 CO2 CO2 0 + + + + + (2.5)unde:fsTLh0reprezint entalpia soluiei de absorbant la temperatura Tf, kJ/kg;110V - debitulde vapori de ap de la vrful coloanei, kg/h;VTVH0- entalpia vaporilor de ap la temperatura TV, kJ/kg;RL - debitul de reflux (ap), kg/h (0V =RL );RRTLh- entalpia refluxului la temperatura TR, kJ/kg;BsTLh0- entalpia soluiei de absorbant la temperatura din refierbtor, kJ/kg.Relaia (2.5) se poate scrie innd seama de cldurile specifice:) ( ) (0 0 00 0 f B p sTLTL sT T c L h h Ls lfsBs (2.6)Neglijnd diferena de temperaturi (TV- Tf) se poate scrie:) (2 2CO2 CO2f VTCOTCORRRh H G H G (2.7)innd cont de relaiile (2.62.7), relaia (2.5) devine:RTLTV f B p s BH G h H V T T c L QR RRVLOS + + CO2 0 0) ( ) (0(2.8)Cunoscnd sarcina refierbtorului se poate calcula debitul de vapori VB:BTVBBlQV (2.9)i debitul de abur la refierbtor GB:e iTapaTaburBBh HQG(2.10)unde:BTvl reprezint cldura latent de vaporizare a lichidului cu compoziia vaporilor VB n kJ/kg i se calculeaz cu relaia:) 1 (miny l y l lB B BBTa aTapaTv + (2.11)BTapal- cldura latent de vaporizare a apei la temperatura TB, kJ/kg [5, pg. 169];BTa almin- cldura latent de vaporizare a aminei la temperatura TB, kJ/kg [7, pg,175];y- fracia molar a apei n vaporiiVBla echilibru cu soluia apoas de amin [7, pg.175];e iTapaTaburh H ,- entalpia aburului/apei la intrarea/ ieirea n refierbtor, kJ/kg [5, pg.169].Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de stripareNumrul de talere teoretice sedetermin prinmetoda grafic simplificat [7, pg.177] bazat pe curba de echilibru pentru sistemul CO2 - DEA la presiunea din coloan i pe dreapta de operare. Curba de echilibru X-Y se calculeaz pornind de la valorile presiunii pariale CO2cititedingraficedin literatur [7, pg.321] pentru diferite valori deXi la temperatura medie pe coloana de desorbie. Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraiile fluxurilor n contracurent la extremitile coloanei i anume punctul A (Xn,Yf)i punctul B (X1, Yb). Concentraia Yf se calculeaz cu relaia:12RRCOfLGY2 (2.12)Concentraia Yb se citete din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0.Concentraia X1 de stabilete prin bilan material pe conturul II din figura 2:001X YLVXBB+ (2.13)Pentru reprezentarea curbei de operare sunt necesare i alte puncte intermediare n afara punctelor extreme A i B. Calculul lor se face cu ecuaia dreptei de operare [7, pg.92] dnd valorilui X ntre X1 i Xn . n calcul se va ine seama c n zona de stripare debitul de vapori scade liniar ntre VB i VO [7, pg.179], ceea ce nseam c trebuie reprezentat grafic variaia debitului de vapori cu concentraia X. Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X i se introduc n ecuaia dreptei de operare.Sereprezintnacelai grafic, ncoordonateX-Y, att curbadeechilibruct i curbadeoperare iseducorizontale i verticale pornind de la punctulBla punctulA. Numrul de orizontale reprezint necesarul de echilibre pentru absorbia respectiv.Dimensionarea coloanei de stripareDiametrul coloanei de stripareColoanadedesorbieeste prevzutcu umpluturclasic, nestructurat (sealeg inele Raschig de ceramic, de dimensiuni 25 25 3 mm cu caracteristici recomandate de literatur [7,pg.451; 10, pg.381]). Calculul diametrului se face dup metodologia prezentatnsubcapitolul 1.4.1, cuobservaiacsarcinamaximdevapori poatefila vrful coloanei ()20RCOG V +sau la baza coloanei (VB). n relaia (1.8) proprietile fazelor vapori i lichid se calculeaz n condiiile de temperatur i presiune din zona unde se face dimensionarea.nlimea coloanei de desorbieSe calculeaz cu relaia (1.9) dup metodologia prezentat n subcapitolul 2.4.2.Calculul schimbului termic absorbant srac-absorbant bogatConformschemei tehnologicedinanexa4seobservcabsorbantul sracse recircullavrful coloanei deabsorbiedelabazacoloanei defracionare.Deoarece absorbantul srac iese din refierbtorul de la baza coloanei de fracionare ca lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb i trebuie s intre vrful coloanei de absorbie la temperatura To=40C, seimpunecaacest flux termics fievalorificat pentrua realiza schimbulde cldur cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbie cu temperatura Tn i care trebuie s intre ca flux de alimentare n coloana de stripare la temperatura Tfa crei valoare este recomandat de literatur [7, pg.176]. Temperatura Tx cu care iese absorbantul 13srac din schimbul de caldur se presupune i verific prin bilan termic pe conturul I din anexa 4:xSfnnnBTLSTLn TLn TLSh L h L h L h L0 0 0 00 0 0 0+ +(2.14)Deoarece n literatur nu exist date de entalpii pentru soluiile de amine, ci numai date de clduri specifice [7, pg.165]: ) ( ) (0 0 00 0 x b p STLTL ST T c L h h LlxSBS (2.15)) ( ) (0 0 00 0 n f pn TLTLnT T c L h h Lln f (2.16)innd cont de relaiile (2.152.16), relaia (2.14) se poate scrie:) ( ) (0 00 0 x b p S n f pnT T c L T T c Ll l (2.17)unde:sL0reprezintdebitul soluiei deabsorbant sracdelabazacoloanei de desorbie, kg/h;nL0-debitul de absorbant bogat de la baza coloanei de absorbie, kg/h;0 lpc-clduraspecificmedieasoluiei deabsorbantului bogat, respectivsrac, kJ/kgC, care se citete din grafice din literatur la temperatura medie aritmetic a temperaturilor respective [7, pg.165];Tx temperaturaabsorbantului sracdupschimbul decldurcuabsorbantul bogat.n relaia (2.17) temperaturilef b nT T T , ,sunt cunoscute din subcapitolul 2.2, respectivdindatele deproiectare,iar temperaturaxTse presupune.Aceast presupunere este verificat dac membrul drept al relaiei este egal cu cel stng.Determinarea necesarului de ap de rcire la rcitorul suplimentarConformschemei tehnologice din anexa 4, n instalaie exist un rcitor suplimentar al fluxului de absorbant srac dup ce acesta realizeaz schimbul de cldur cu absorbantul bogat carearerolul dearci absorbantul sracdelatemperatura xTla temperatura oT. Pentru calculul debitului de ap de rcire la rcitorul suplimentar se scrie relaia (2.18) de bilan termic pe conturul II, anexa 4:OSe xSiTL STapa apaTL sTapa apah L h G h L h G0 00 0+ +(2.18)Din relaia (2.18) se obine relaia (2.19) cu care se calculeaz debitul de ap de rcire:I ELOSTapaTapax p OSapah hT T c LG) (0(2.19)unde: e iTapaTapah h ,reprezintentalpiile apei de rcire la temperatura de ieire, respectiv de intrare n kJ/kg;140 lpc-clduraspecificmedieasoluiei deabsorbantuluisrac, kJ/kgC, carese citetedingrafice din literatur la temperatura medie aritmetic a temperaturilor respective [7, pg.165];Calculul pierderilor de absorbantLa vrful coloanei de absorbie au loc pierderi de absorbant datorit antrenrilor cu gaz inert. Aceste pierderi se calculeaz cu relaia [7, pg.192]:cii icii iPx Kx KG L1111(2.20)unde:LP reprezint debitul molar de absorbant (ap i DEA) pierdut pe la vrful coloanei deabsorbtie;1G- debitul de gaz purificat de la vrful coloanei de absorbie, kmoli/h;xi - fracia molar a componentului i prezent n amestecul absorbant;Ki- constanta de echilibru a componentuluiidin amestecul absorbant la temperatura i presiunea de la vrful coloanei.Pierderiledinfiecarecomponent al absorbantului srac se calculeaz cu relaiile (2.212.22):LPap= (LP+1G ) yap(2.21)LPamin= (LP+1G ) yamin(2.22)unde: yap, yamin reprezint fraciile molare n faz vapori care se calculeaz cu relaia de echilibru: i i ix K y (2.23)Schematehnologicainstalaiei deeliminareaCO2vafi prevzutcuvasde completare pentru absorbant.15EXEMPLU DE CALCULProiectarea tehnologica a coloanei de absorbieCalculul debitelor i concentraiilor n coloana de absorbieDin datele de intrare se calculeaz debitul molar de gaz bogat:919 , 30624 4 . 22165000GTkmoli/hCunoscnd concentraia H2S n gazul bogat, respectiv a gazului purttor (etanul) se calculeaz debitul molar de H2S, respectiv de etan:5535 , 24 08 . 0 919 , 30622 yG GCOT COkmoli/h158 , 273 919 , 306 89 . 0tan Gmekmoli/h.Se calculeaz raportul molar 1 + nY :1111+++nnnyyY(1.11)0869 , 008 , 0 108 , 01+ nY kmoli CO2 /kmol gaz purttorDin relaia de definiie a gradului de absorbie se calculeaz raportul molar 1Y :1 111 1) 1 ( 100+++ nnnY YYY Y (1.12) Y1=(1-0.98)0.0869=0.001738 kmoliCO2 /kmol gaz purttor.ConcentratiaCO2nabsorbantul sracsecunoatedindateledeproiectare0X=0,05kmoliCO2/kmolMEA, iarconcentraianXsealegeastfel nctladeterminarea numrului de talere teoretice prin metoda grafic s rezulte un numr rezonabil de talere.nX=0.5 kmoli CO2 /kmol MEADebitul molar de absorbant 0Lse calculeaz prin bilan material n jurul coloanei de absorbie conturul 1 din figura 1;n o nX L Y G X L Y G0 1 0 0 1 0+ ++ +01 10 0X XY YG Lnn(1.13)h hmolL/ 695 , 5105 . 0 5 . 0001738 . 0 0869 . 0158 , 2730 Se calculeaz debitele pariale ale componenilor n fiecare flux la intrarea i ieirea din coloan i concentraiile componenilor n fracii molare:Debite i concentraii n fluxul de gaz bogat la intrarea n coloan:16G0=273,158kmol/h=273,15830=8194,74 kg/h1080,2kg/h 44 55 , 2412 +GnCOh kgG G GnCO T/ 94 , 927412 0 + +gaz totalDebite i concentraii n fluxul de gaz srac la ieirea din coloan:G0=8194,74kg/hh kmoliY G GCO/ 475 . 0 001738 . 0 158 , 2731 012 CO2 neabsorbith kmoliG G G CO/ 633 , 273 475 . 0 158 , 27312 0 1 + + gaz srach kgG/ 62 , 8215 88 , 20 74 , 81941 + gaz sracDebite i concentraii n absorbantul srac la intrarea n coloan:L0=3153,395kmoli/hCunoscnd concentraia soluiei de amin (15% mas) se poate calcula debitul de soluie apoas de MEA:Los=L0100/20=3153,395100/15=21022,63 kg/h soluie MEASoluia apoas de MEAeste alctuit din 3153,395kg/h MEAi 21022,63-3153,395=17869,24 kg/h apkg/h113,73 2,58544 kmoli/h2,585 0.05 695 , 510 012 X L LCOCO2h kgh kmoliLL L L CO/ 36 , 21136 73 , 113 63 , 21022/ 28 , 54 585 , 12 695 , 511012 010 + + + solutie absorbant sarac0495 . 0611518856115+xDEAfracii molare MEA i xapa=xMEA=1-0.0495=0.9505 fracii molare ap.Debite i concentraii n absorbantul bogat la ieirea din coloan: h 1137,29kg/ 25,8544 /h 25,85kmoli 0.5 695 , 51 Xn 0 2 L LnCOCO2h kgh kmoliLL L LnosnCOns/ 92 , 22159 29 , 1137 63 , 21022/ 545 , 77 85 , 25 695 , 512 0 0 + + + soluie absorbant bogatBilanul termic pe coloana de absorbie17Inrelaia(1.1) debilan termicscrispentruconturul 1dinfigura1, introducnd relaiile(1.21.4) s-aobinut relaia(1.5) cucareseverifictemperaturanTcarese estimeaz astfel: C T Tn n0130 .. 10 + +.Din datele de proiectare se cunoate 0125nT C+ i se estimeazTn=Tn+1+30=55C.Pentru aplicarea relaiei (1.5) trebuie estimat i temperatura 1T , astfel:C T T00 110 ... 5 + . Deci,T1=30+5=35C.Debitele implicate n relaia (1.5) au fost calculate n subcapitolul 4.1.1 i sunt:G0=273,158kmoli/h=8194,74kg/hLos=21022,63 kg/h soluie MEARGCO2= 23,26 kg/h CO2 reacionat.n relaia (1.5) 0 Gpcse calculeaz cu relaia (1.14) [5, pg.139] la temperatura medie aritmetic ntre 1Ti 1 + nT, n kJ/kg C:3 2T D T C T B A cTP + + + (1.14)unde: A, B, C, D-constantespecificegazuluipurttor(etanul)icaresunttabelaten literatur [5, pg. 139147];Aplicnd relaia (1.14) se obine:77 , 130tancCekJ/kg K;Cldura specific medieasoluiei deabsorbantLopcsecitetedingraficedin literatur [7, pg. 165] la temperatura medie aritmetic ntre0T i nT, n kJ/kg C:45 , 37cpLokJ/kg C:.RH =1920 kJ/kg se citete din tabele din literatur [7, pg. 141]Aplicnd relaia (1.5) se obine:CTn + 63 , 534 63 , 2102225) - 1,77(35 8194,74 - 32 4 21022,63 1920 44 , 1023Valoarea temperaturii n baza coloanei de absorbie obinut cu relaia (1.5) este n bun concordan cu valoarea presupus Tn=55Ci deci calculul temperaturiinTse consider ncheiat.Se calculeaz temperatura medie pe coloan ca medie aritmetic ntre 1T i nT i se obine Tm=44,18 C.Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de absorbieNumrul de talere teoretice sedetermin prinmetoda grafic simplificat [4, pg.398; 7, pg.147; 9, pg.163; 10, pg.22] i se parcurg urmtoarele etape:1. La temperatura medie pe coloan i pentru valori de X cuprinse ntre X0 i Xn se citesc dingraficedinliteratur[7, pg.321] valorilepresiunii parialeCO2.Dinlegealui Daltonse calculeaz fraciile molare ale CO2 care se transform n rapoarte molare Y. Curba de echilibru Y-X se reprezint n grafic semilogaritmic. 2. Din calculele anterioare se fixeaz coordonatele punctelor prin care trece dreapta de operare:A(0,05;0,00174)iB(Xn;0,0869).Abcisa punctuluiB(Xn) se alege prin ncercri succesive astfel nct s se obin 2-3 talere teoretice.3. Se alege Xn=0,5 kmoli CO2 /kmol MEA i se calculeaz debitul de absorbant cu relaia (1.13)18Pentru reprezentarea dreptei de operare n grafic semilogaritmic sunt necesare i alte puncteintermediaren afarapunctelor extremeAiB. n ecuaia dreptei de operare [7, pg.83] se dau valorilui X ntre X0 i Xn i se calculeaz valorile lui Y: Tabelul 4.1Calculul curbei de operare pentru coloana de absorbieX, kmoli CO2 /kmol DEA100) (++ n nY X XGLYkmoli CO2 /kmol gaz purttor,(1.15)X0=0,05 Y1=1,7410-30,1 1,1310-20,2 3,0210-20,3 4,9210-20,4 6,810-2Xn=0,5 0,8710-14. Se reprezint n acelai grafic, n coordonate X-Y, att curba de echilibru ct i curba de operare i se duc orizontale i verticale pornind de la punctul B la punctul A. Numrul de orizontale reprezint necesarul de echilibre pentru absorbia respectiv.S-a obinut 1.07talere teoretice (vezi graficul din anexa 1).Dimensionarea coloanei de absorbieDiametrul coloanei de absorbieColoanadeabsorbieeste prevzutcu umpluturclasic, nestructurat (sealeg inele Raschig de ceramic, de dimensiuni 25 25 3 mm cu caracteristici recomandate de literatur [7, pg.451; 10, pg.381]). Pentrucalculul debitului volumicdegazbogat estenecesarcunoatereamasei molare medii carese calculeaz cu relaia (1.16):MV=MCO2 yn+1+MCH4 (1-yn+1)=44 0.06+16(1-0.06)=17.68 kg/kmol (1.16)Densitatea fazei vapori la intrarea n coloan se calculeaz cu relaia (1.17):894 . 2) 25 273 ( 082 . 068 . 17 4R TM1 nV++PV kg/m3. (1.17)19473 . 03600 894 . 288 . 49323600VT GVm3/s.Densitatea soluiei de DEA la ieirea din coloan se citete din grafice din literatur [7, pg. 159] (se neglijeaz contribuia CO2absorbit la densitatea soluiei de absorbant):l=1015 kg/m3.Viscozitatea soluiei de absorbant bogat se calculeaz cu relaia (1.18):l l (1.18)unde: reprezint viscozitatea cinematic a soluiei de DEA care se citete din grafice din literatur [7, pg.158] la temperatura din baz: =1.1 10-6 m2/s.Conform relaiei (1.18) l=1.1 10-6 1015=1.12 10-3 kg/m sDebitele masice de gaz bogat i soluie de absorbant bogat s-au calculat la pag 12-13.Calculul vitezeivcsefacecuajutorul relaiei lui Kafarov(1.8)[7, pg.481; 10, pg.382]:( ) ,_

,_

11]1

,_

1015894 . 288 . 493291 . 44351012 . 11075 . 0125 . 0 25 . 016 . 03275 . 1 22 . 03 31015894 . 281 . 9195logviDin relaia (1.8) se obine vc=1,35 m/sCu relaia (1.7) se calculeaz viteza real a fazei vapori n seciunea liber a coloanei:vr=0,51,35=0,675 m/sDin relaia (1.6) se calculeaz diametrul coloanei de absorbie:95 . 0675 . 0 14 . 3473 . 0 4Dcm.nlimea coloanei de absorbieIc=Iu+(NTR-1) sTR+Iv+IbIc=12+(4-1) 0.5+1+1.5=16mProiectarea tehnologic a coloanei de stripareBilanul termic, regimul de temperaturi i consumul de aburPentrudeterminareatemperaturii lavrfulcoloanei dedesorbiesepleacdela faptul c n condiii de echilibru, presiunea parial a aburului (componentul majoritar la vrful coloanei)esteegalcupresiuneadevaporiaapei conformrelaiei (2.1). Pentru 20aplicarea relaiei (2.1) este necesar cunoaterea fraciei molare de abur calculat cu relaia (2.2). Debitul de reflux este calculat cu relaia (2.3): LR=3 16.39=49.17kmoli/h =49.1718=885.06 kg/h apyabur= 75 . 039 . 16 17 . 4917 . 49+ fracii molare aburpCO2=1.1 0.75=0.825bar=0.825 750=618.75mmHg=PTvapaTemperatura la vrf se calculeaz cu relaia(2.4) a lui Antoine:Tv+ 13 . 4444 . 38163036 . 18 75 . 618 ln=>Tv=94.5CTemperatura de intrareTfa absorbantului bogat n coloan este egal cu temperatura de ieire dup schimbul de cldur cu absorbantul srac de la baza coloanei de desorbie, se alege Tf=80C conform indicaiilor din literatur [7, pg. 176].Temperatura medie pe coloan se calculeaz ca medie aritmetic ntre temperatura din vrf i temperatura din baz (din datele de proiectare):C Tm0105 .Presiuneamediesecalculeaz camediearitmetic ntrepresiuneadinvrf i presiunea din baz (din datele de proiectare): 3 , 1 mPbar.Se calculeaz sarcina termic a refierbtorului cu relaia (2.8):QB=18341.65 4 (115-80)+885.06 (2725.74-408.14)+721.47 1190=5466528.356 kJ/hDebitele masice din relaia (2.8) s-au calculat anterior.VTVH0-entalpiavaporilorde apla temperaturaTV=95C s-acitit dintabeledin literatur [5, pg. 169], kJ/kg;RRTLh- entalpia refluxului la temperatura TR=60C, s-a citit din tabele din literatur [5, pg. 169],kJ/kg;S Lpc0secitetedingraficedinliteratur[7, pg. 165]nfunciedetemperatura medie aritmetic ntre Tb i TR i concentraia soluiei de DEA.RH se citete din tabele din literatur [7, pg. 165] n funcie de tipul absorbantului.21Pentru a calcula debitul de vaporiVBcu relaia (2.9) se calculeaz BTvl cu relaia (2.11). Fraciamolaraapei nvaporiiVBlaechilibrucusoluiaapoasdeaminse determin astfel: pentru o soluie de 20 % mas amin care conine aadar 80% mas n faza lichid se citete din grafice din literatur [7, pg.175] compoziian % mas a apei n faz vapori i se obine 100%. Se transform compoziia fazei vapori din % mas n fracii molare i se gsete y=1 fracii molare ap.1 . 2218 1 ) 7 , 486 8 , 2704 ( BBTvl kJ/hBTapal- cldura latent de vaporizare a apei la temperatura TB, kJ/kg [5, pg. 169];BTa almin- cldura latent de vaporizare a aminei la temperatura TB, kJ/kg,din grafice din literatur [7, pg,175].51 . 24641 . 2218356 . 5466528 VBkg/h=136.92 kmoli/hDebitul de abur la refierbtor GBse calculeaz cu relaia (2.10) considernd c se folosete abur de 6 bar i temperatura de 160C:2160566, 76711039,182753, 3 674, 2BG kg/he iTapaTaburh H ,- entalpia aburului/apei la intrarea/ ieirea n refierbtor din tabele din literatur [5, pg.170], kJ/kg.Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de stripareNumrul de talere teoretice sedetermin prinmetoda grafic simplificat [7, pg.177] bazat pe curba de echilibru pentru sistemul CO2 - DEA la presiunea din coloan i pe dreapta de operare. Curba de echilibru Y-X se calculeaz pornind de la valorile presiunii pariale CO2cititedingraficedin literatur [7, pg.321] pentru diferite valori deXi la temperaturamediepecoloanadedesorbie C Tm0105 . Dreaptadeoperaretreceprin puncteledefinitedeconcentraiilefluxurilorncontracurent laextremitilecoloanei i anumepunctulA (Xn,Yf)ipunctulB (X1, Yb).ConcentraiaYfse calculeaz cu relaia (2.12):333 . 017 . 4939 . 16 Y fkmoli CO2/kmol aburConcentraia Yb se citete din curba de echilibru Y-X la valoarea lui X0=0,03 kmoli CO2/kmolMEA(vezigraficuldinanexa 2)i se gseteYb=0,00146kmoliCO2/kmol abur.Concentraia X1 se calculeaz cu relaia (2.13):kmoliDEA kmoliCO X/ 035 . 0 03 . 0 00146 . 089 . 3492 . 1362 1 + Pentru reprezentarea curbei de operare sunt necesare i alte puncte intermediare n afara punctelor extreme A i B. Calculul lor se face cu ecuaia dreptei de operare [7, pg.92] dnd valorilui X ntre X1 i Xn:Tabelul 4.2Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbieX, kmoli CO2 /kmol DEA Y, kmoli CO2 /kmol abur0,03 1.4610-30,1 2.3510-20,2 1,8210-10,3 1.1510-10,4 -0,5 -Tabelul 4,3Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbieX, kmoli CO2 /kmol DEABY X XVLY + ) (10kmoli CO2 /kmol abur, Vkmoli /h, X1=0,035 YB=1.4610-3136.920,1 1.9610-2124.50,2 5.5710-21060,3 1.0710-1870,4 1.8810-1680,53.3310-1 149.17n relaia (2.22) se va ine seama c n zona de stripare debitul de vapori scade liniar ntre VBiVO[7, pg.179]. S-a reprezentat grafic variaia liniar a debitului de vapori cu concentraia X ntre punctele de coordonate A(0,035; 136.92) i B(0,5; 49.17) (vezi graficul din anexa 3). Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse ntre X1 i Xn i se introduc n ecuaia dreptei de operare.Sereprezintnacelai grafic, ncoordonateY-X, att curbadeechilibruct i curbadeoperare iseducorizontale i verticale pornind de la punctulBla punctulA. Numrul de orizontale reprezint necesarul de echilibre pentru absorbia respectiv i s-a obinut 7 talere teoretice.Dimensionarea coloanei de stripareDiametrul coloanei de stripareColoanadedesorbieeste prevzutcu umpluturclasic, nestructurat (sealeg inele Raschig de ceramic, de dimensiuni 25 25 3 mm cu caracteristici recomandate de literatur [7, pg.451; 10, pg.381]). Calculul diametrului n zona superioarSarcina maxim de vapori este 56 . 65 39 . 16 17 . 492 max + + G V VRCO okmoli/h.Masa molar medie a vaporilor calculeaz cu relaii de aditivitate molar (2.23) [8, pg.75]:) 1 (2yMyMM faburfCOV + (2.23)25 . 0333 . 0 1333 . 01++YYyfff fr molare CO2kmol kgMV/ 5 . 24 ) 25 . 0 1 ( 15 25 . 0 44 + Debitul masic de vapori este: VG=Vmax MV=65.5624.5=1606.22 kg/hDensitatea vaporilor se calculeaz cu relaia (2.24):882 . 0) 95 273 ( 083 . 05 . 24 1 . 1+TMVVVRPkg/m3; (2.24)Aplicnd legea general a gazelor se calculeaz debitul volumic de vapori:506 . 03600 882 . 05 . 24 56 . 65maxVm3/s.Debitul maxim de lichid este: RL Lmax21,4318 = 385,74 kg/hDensitatea refluxuluiRL la temperatura refluxului (considerat doar ap) este:l=983,187 kg/m3, citit din tabele din literatur [5, pg.74].Viscozitatea refluxului este: 4669 , 0 l10-3 kg/ms, citit din tabele din literatur [5, pg.130].Calculul vitezeivcsefacecuajutorul relaiei lui Kafarov(1.8)[7, pg.481; 10, pg.382]:( )1/ 4 1/ 820,163 33195 0, 982 385, 74 0, 982lg 10 0, 4669 10 0,125 1, 759, 81 0, 75 983,187 628, 602 983,187iv 1 _ _ _ _ 1 , , , , ]Din relaia (1.8) se obine vc=3,32 m/sCu relaia (1.7) se calculeaz viteza real a fazei vapori n seciunea liber a coloanei:vr=0,5 3,32 =1,66 m/sDin relaia (1.6) se calculeaz diametrul coloanei de desorbie n zona superioar:4 0,1770, 3683,14 1, 66CD m.Calculul diametrului n zona inferioarSarcina maxim de vapori este max54, 21BV V kmoli/h=975,78 kg/h=GVDensitateavaporilor secitete din literatur [5, pg. 75] la temperatura din baz, considernd c vaporii sunt alctuii numai din abur: V=0,965 kg/m3Aplicnd legea general a gazelor se calculeaz debitul volumic de vapori:max975, 780, 2800, 965 3600V m3/s.Debitul maxim de lichid este: max5585, 47osL L kg/h soluie MEA=GLDensitatea soluiei de MEA la temperatura din baz este: l=940,4 kg/m3, calculat cu programe de calcul [1].Viscozitateasoluiei deMEAlatemperaturadinbazeste:310 25667 , 0 lkg/ms, calculat cu programe de calcul [1].Calculul vitezeivcsefacecuajutorul relaiei lui Kafarov(1.8)[7, pg.481; 10, pg.382]:( )1/ 4 1/ 820,163 33195 0, 965 5585, 47 0, 965lg 10 0, 25667 10 0,125 1, 759, 81 0, 75 940, 4 975, 78 940, 4iv 1 _ _ _ _ 1 , , , , ]Din relaia (1.8) se obine vc=2,68m/sCu relaia (1.7) se calculeaz viteza real a fazei vapori n seciunea liber a coloanei:vr=0,5 2,71 =1,34 m/sDin relaia (1.6) se calculeaz diametrul coloanei de desorbie n zona inferioar:4 0, 2800, 5153,14 1, 34CD mDeoarece diferena ntre diametrul zonei superioare i cel al zonei inferioare este >0,2, fiecare zon se construiete cu diametrul su.nlimea coloanei de desorbiePentru determinarea nlimii echivalente a talerului teoretic cu relaia (1.8) se calculeaz viteza de mas a fluxului de alimentare (soluie de absorbant bogat) cu relaia (1.23):22 25285, 477, 051 /3,14 3.14 0, 5153600 36004 4ggcLL kg m sD n relaia (1.8) viscozitatea fazei lichide se refer la fluxul de alimentare al coloanei dedesorbie(soluiadeabsorbant bogat) caresedeterminlatemperaturaalimentrii, (valoare aleas conform indicaiilor din literatur [7, pg. 176]).0,521, 340, 7827, 0510, 025 0, 3792IETT m _ ,Se calculeaz inlimea de umplutur tiind c numrul de talere teoretice este 4(vezi graficul din anexa 2):Iu=40,782=3,128 m.Se cunoate c nalimea unui tronson este de max 2,53 m [6, pg.493].Pentru calculul nalimii coloanei de absorbie se alege [6, pg.490]:sTR=0,3 m, Iv=1 m, Ib=1,5 m, deci:( ) 8, 36 3 1 0, 3 1, 0 1, 5 11, 46CI + + + mCalculul schimbului termic absorbant srac-absorbant bogatConformschemei tehnologicedinanexa4seobservcabsorbantul sracse recircullavrful coloanei deabsorbiedelabazacoloanei defracionare. Deoarece absorbantul srac iese din refierbtorul de la baza coloanei de fracionare ca lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb i trebuie s intre vrful coloanei de absorbie la temperatura To=30C, seimpunecaacest flux termics fievalorificat pentrua realiza schimbulde cldur cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbie cu temperatura Tn i care trebuie s intre ca flux de alimentare n coloana de stripare la temperatura Tf=80C (valoare aleas conform indicaiilor din literatur [7, pg. 176]. Temperatura cu care iese absorbantulsracdinschimbulde caldur presupune cafiind Tx=89C i se verific cu relaia (2.17):5550, 262 3, 95(80 43) 5307, 53 4, 01(115 89) unde: SL0reprezint debitul absorbant srac de la baza coloanei de desorbie;nL0-debitul de absorbant bogat de la baza coloanei de absorbie;0 lpc- cldura specific medie a absorbantului bogat, respectiv srac, kJ/kgC, care se citete din grafice din literatur la temperatura medie aritmetic a temperaturilor respective [7, pg.165];n relaia (2.17) temperaturilef b nT T T , ,sunt cunoscute din subcapitolul 1.2, respectiv din datele de proiectare.Temperatura Tx=89C presupus s-a verificat deoarece relaia (2.17) s-a verificat n limita unei erori impuse (